國外M001電動垂直起降載人無人機適航總體要求

鄒銘鎮

型號背景

M001是阿徹航空有限公司研發的一種可載人的電動垂直起降飛行器，最大總起飛重量（質量）為2948.35kg，并能夠搭載一名飛行員和4名乘客。該機具有上單翼和V形尾翼，配置固定式三輪起落架，使用12個由機載電池供電的電動發動機來推進，而不是傳統的燃料發動機。主翼前緣安裝了6臺5葉變距螺旋槳發動機，每側3臺，能夠傾斜以提供垂直和前向推力。其他6臺電動發動機驅動雙葉定距螺旋槳，安裝在主翼的后緣，每側3臺，僅提供垂直升力。后置發動機僅在推力升力或半推力升力期間運行；在機翼提供升力向前飛行中，這些發動機關閉，保持順槳姿態。飛機結構和螺旋槳由復合材料制成。M001旨在用于FAR-91 部和 135 部的運行，在目視飛行規則下可配備一名機載飛行員。

2022 年3月30日，阿徹航空有限公司為 M001 型電動垂直起降飛行器申請了型號合格證。2022年12月20日，美國聯邦航空局公布本擬議規則。2023年1月19日，對本擬議規則的公共反饋關閉。

討論

由于美國聯邦航空局尚未在 14 CFR（即FAR）中建立電動垂直起降飛行器適航標準。因此，美國聯邦航空局將電動垂直起降飛行器認定為特殊類別飛機。根據 14 CFR 21.17 （b） 條款，“特殊類別” 飛機的適航要求是由14 CFR-23、25、27、29、31、33、35各部中美國聯邦航空局認為適用于特定型號設計的或者美國聯邦航空局認為其他合適的適航標準組成，提供與現有標準等效的安全水平。該規則公布了根據第 21.17（b）條制定的適用法規和其他適航標準，用于 阿徹航空有限公司型號 M001型電動垂直起降飛行器的型號認證。

對應 14 CFR 21.17 （b）、CAAC的 CCAR-21-R-4中21.17 有同樣的要求 “（二）特殊類別航空器指局方指定的尚未頒布適航規章的某些種類航空器，如滑翔機、飛艇、甚輕型飛機和其他非常規航空器。對于特殊類別航空器，包括安裝其上的發動機、螺旋槳，其型號設計應當符合《正常類、實用類、特技類和通勤類飛機適航規定》（CCAR-23）、《運輸類飛機適航標準》（CCAR-25）、《正常類旋翼航空器適航規定》（CCAR-27）、《運輸類旋翼航空器適航規定》（CCAR-29）、《載人自由氣球適航規定》（CCAR-31）、《航空發動機適航規定》（CCAR-33）、《螺旋槳適航標準》（CCAR-35）中適用的要求或者民航局確認適用于該具體的設計和預期用途且具有等效安全水平的其他適航要求。”

M001 型電動垂直起降飛行器兼具旋翼飛機和固定翼飛機的特點。它的設計目的是在起飛和降落中的直升機，以及在飛行中以比直升機更快速度巡航的飛機。因此，擬議適航標準包含第 23、33 和 35 部分的標準，以及其他針對電動發動機的電動垂直起降飛行器的擬議適航標準。

對于未經修改的現有法規，本擬議的適航標準包括對現有第23、33和35部適航標準的所有修正案，這些修正案包括2022年3月30日型號認證申請日起已經有效的，即23部修正案23-64，33部修正案33-34，35部修正案35-10。

M001擬議的適航標準還包括新的基于性能的標準（Performance Based Criteria）。該標準由第23部修正案23-64組成，并根據需要進行修改以滿足電動垂直起降飛行器的過渡飛行模式（Transitional Flight Mode）。美國聯邦航空局制定了這些標準，因為沒有現有標準涵蓋電動垂直起降飛行器的過渡飛行模式。擬議的標準還包含特定于電動垂直起降飛行器的定義，例如，飛行模式、配置、速度和特定術語。此外，還提出了電動發動機和相關螺旋槳適航標準。特定于阿徹航空有限公司M001型號的新要求，使用“AM1.xxxx”編號方案。

無人機適航總體要求

美國聯邦航空局發布的擬定規則具體適航要求如下：

整機要求

駕駛艙語音和飛行數據記錄器的擬議安裝要求與23 部中的正常類飛機適航標準保持不變。擬議的持續適航要求 （ICA，Instruction for Continuous Airworthiness） 給出了申請人安裝發動機和螺旋槳的可選項，或者獨立安裝已經型號認可的發動機或螺旋槳，或者安裝和整機一起取證的發動機或螺旋槳。

通用要求

擬議的適航標準包括新的或修改后的定義，以解釋阿徹航空有限公司型號M001 的獨特能力和飛行階段，同時也包括條款中某些術語的含義。在發動機功率損失的情況下，飛機和旋翼飛行器固有地分別具有滑翔或自轉的能力。盡管飛機可能會受到損壞，但滑翔或自轉的能力使飛機能夠合理地保護乘員。但是，并非所有的電動垂直起降飛行器都具有這些功能。為了解決這個問題，美國聯邦航空局參考了持續安全飛行和著陸（Continued Safe Flight and Landing）的定義，針對阿徹航空有限公司的型號M001，修改了現有23部中 23.2000 條款中的定義。美國聯邦航空局建議使用一個新的定義，關于可控緊急著陸（Controlled Emergency Landing），應對阿徹航空有限公司的型號 M001必須滿足等同于飛機的滑翔或直升機的自動旋轉的性能水平。

此外，由于許多擬議的適航標準都是基于性能的 （Performance Based），如第 23 部分中的規定。美國聯邦航空局提議參考采用 23.2010條款。這將要求這些擬議的適航標準以合規方式 （Acceptable Means of Compliance，AMC） 被批準。目前，由于尚未達成電動垂直起降飛行器 航空器適航審定共識標準，因此，將通過問題文件 （Issue Paper） 流程批準AM1 適航審定的AMC 要求。

第23部中基于性能 （Performance Based） 的適航條款，是按照23部第64條修正案要求取代了部分強制性設計要求（prescriptive design requirements）。23部第64條修正案的修正要求來自美國的小飛機振興法案（Small Airplane Revitalization Act of 2013）。有趣的是該法案的提出者是特朗普政府的國務卿蓬佩奧，批準者是時任美國總統奧巴馬。由于是基于性能的適航要求，美國聯邦航空局要求以合規形式來滿足性能要求。

飛行

盡管第23部采用更容易適應新技術的基于性能的規則 （performance based rules） 要求取代了規定性的設計要求（prescriptive design requirements），這些基于性能的規則是用于傳統的飛行器中起飛和著陸可逆的飛控系統。為了適應阿徹航空有限公司的飛行器進行垂直起飛和著陸操作的能力，這些擬議的適航標準也同時采用了27 部和 29 部的描述，并在適當的情況下進行了更改，以允許 AM1 在機翼失速速度 （stall speed of wing） 以下安全運行。美國聯邦航空局擬議了適航標準來解決交替升力源的整合問題：推力升力 （Thrust Borne）、半推力升力 （Semi Thrust Borne） 和機翼升力 （Wing Borne）。雖然美國聯邦航空局在審定間接飛行控制系統擁有經驗，例如電傳飛控系統方面，但 AM1 采用了飛行和推力混合控制方案。這需要新的適航標準。

關于推力升力、半推力升力、和機翼升力，請參考 AM1.2000 （b） （3） 條款的解釋。

此外，美國聯邦航空局提出了新的AM1.2105，其中包含所有23.2105條款，并在新的（f）和（g）段中添加了適航標準。擬議的AM1.2105（f）和（g）將確保飛行員能夠在失去動力或推力的情況下執行受控緊急著陸，無論是通過飛機的滑翔或自轉能力，還是通過等效方式合理地保護乘員。

動力裝置

第23部（修正案23-64）涉及電力推進，但僅適用于使用推進力提供前推力的常規配置飛機。阿徹航空有限公司的新穎設計使用分布式推進系統（distributed propulsion system） 來提供前向推力、升力和控制。雖然其中一些設計特征可以通過23部和27部中的現有適航標準解決，但其他特征需要制定新的適航標準。擬議的適航標準解決了以下獨特和新穎的動力裝置安裝特點：

（1）分布式推進系統中 （Distributed Propulsion System） 的多發動機隔離；

（2）分布式推進的簡化控制；

（3）將推進系統集成到飛機飛行控制中；

（4）與垂直起降能力相關的能源系統耐撞性。

AM1.2405 中提議的適航標準結合了23.2405條款和23.2425條款中的發動機和螺旋槳控制功能，并修改了其應用以包含所有動力裝置控制功能，包括發動機控制、螺旋槳控制和短艙旋轉 。擬議的 AM1.2430 中的能源系統適航標準將包括防撞性要求以滿足27.952條款，并將刪除特定于液體燃料系統的要求。擬議的 AM1.2440 中的動力裝置防火適航標準將取代23.2440條款中針對指定火區的規定描述，使用通用的火區描述來要求與動力裝置相關的火災威脅。電力推進系統引入了來自高壓電力和電池系統的火災威脅。已有的火區假設是基于煤油的火災威脅，這與電力裝置的火災威脅不一致。這些提議的適航標準旨在允許使用全電動分布式推進系統的電動垂直起降飛行器安全運行于推力、半推力和翼載飛行。

結構

電動垂直起降飛行器飛行和地面載荷通常由三種類型的飛行構型組成：垂直、過渡和前向。擬議的適航標準不僅僅取自23 部（正常類飛機）的前向飛行要求或27 部（正常類旋翼飛機）的垂直飛行要求。電動垂直起降飛行器 還依賴于過渡型飛行構型，其中可能包括前向和垂直飛行載荷的組合。在過渡飛行期間，電動垂直起降飛行器周圍的氣動流場可能與傳統上在向前和垂直飛行期間觀察到的有很大不同。在某些飛行構型中，電動垂直起降飛行器可能會經歷向前和垂直飛行載荷的組合。在其他構型中，飛機可能會經歷一種全新的空氣動力流場，這在嚴格的向前或垂直飛行中沒有經歷過。傳統的現有適航標準不能充分代表用于電動垂直起降飛行器 結構設計的氣動載荷。因此，美國聯邦航空局認為，結構設計需要額外的適航標準。美國聯邦航空局通過修訂23.2200條款和23.2225條款制定了AM1.2200和AM1.2225，以解決電動垂直起降飛行器結構設計包線。美國聯邦航空局通過修訂23.2240條款刪除了4級飛機要求，創建了 AM1.2240，因為AM1不是4級飛機。

此外，美國聯邦航空局提出了新的 AM1.2320，其中包含了23.2320條款除了（b） 條款的所有內容。提議的AM1.2320（b）包含針對申請人設計的新鳥擊要求。美國聯邦航空局認識到在飛機預期運行的環境中，鳥擊的威脅比旋翼飛機或23部固定翼飛機更嚴重。AM1固有的設計特點和預期的操作，可能使飛機更容易受到鳥類的影響。

AM1 將在與旋翼機相似的高度運行，美國聯邦航空局預計它將以與旋翼機相同或更高的空速巡航。然而，與旋翼機相比，AM1懸停時間將減少，從而增加高速飛行時間。美國聯邦航空局還認識到，AM1將比傳統由渦輪軸發動機和旋翼驅動的直升機更安靜。因此，鳥類對其存在的警覺會更低。

所有這些因素加起來增加了鳥擊的機會。因此，美國聯邦航空局對AM1提出了更全面的鳥擊要求。正如航空規則制定咨詢委員會（ARAC）旋翼機鳥擊工作組（RBSWG）報告中所引用的那樣，對旋翼飛機鳥擊威脅的分析表明，破壞性撞擊的鳥類的平均體重為1.125kg。基于該研究與旋翼飛機行業測試一致，美國聯邦航空局提出1.0kg的鳥擊重量。申請人必須在整機層面進行評估，以確定飛機的哪些部分暴露在潛在的鳥擊風險中。

美國聯邦航空局還提出了對鳥類威懾裝置的要求，以減少鳥擊的可能性。鳥類威懾技術的研究、測試和使用已證明可有效減少鳥類襲擊。提醒鳥類注意飛機的存在可以讓鳥類避免撞擊飛機。鳥類威懾系統可能包括幫助鳥類意識到和避開飛機的燈光技術等。

噪聲

全電動的 AM1 比同級別的直升機最多可降噪45dB，令機上乘客尊享前所未有的空中寧靜，而城市地面的行人幾乎感覺不到飛行的存在。

電動發電機

建議安裝在AM1上的發動機使用電動而不是空氣和燃油燃燒來推動飛機。這些電動發動機的設計、制造和控制不同于使用航空燃料運行的飛機發動機。這些發動機由高壓系統、電動機和控制器構成。高壓系統從電力存儲或發電系統中獲取電能。高壓系統是電線、功率調節組件和連接器的組合，可將電源耦合到電動機、相關電機和控制器。AM1的發動機是將電能轉化為機械能的裝置，電流流過電機中的線圈會產生磁場，該磁場與旋轉電樞軸上的磁鐵相互作用。控制器是由兩個主要功能件組成的系統——電機控制器和電力逆變器，以驅動與電動發動機相關聯的電機。

通過這些高壓和大電流電子元件提供能量的技術引入了使用航空燃料運行的飛機發動機中不存在的潛在危險。例如，高壓傳輸線、電磁場、磁性材料和高速電氣開關構成了電動發動機的物理特性。在這些高功率水平下運行還會使電動發動機面臨潛在故障，這可能會對安全產生不利影響，而這對于使用航空燃料運行的飛機發動機來說并不常見。

螺旋槳

14CFR的35部包含螺旋槳適航標準，以確保未安裝的螺旋槳滿足美國聯邦航空局認為可接受的最低安全水平。35部的要求適用于安裝在根據第23部或25部獲得型號認證的常規飛機上的螺旋槳。這些螺旋槳適應此類飛機上常見的結構和槳距驅動方法。

新興的電動和混合電動飛機，特別是用于在城市和附近空域進行“空中出租車”運營，并能夠垂直和短距起降的電動升降機，通常配備用于水平推力和垂直升力螺旋槳。此外，與根據第 23部或第 25 部審定的傳統飛機相比，此類飛機的螺旋槳槳距驅動通常是電動執行的，并且更廣泛地集成到飛機的推進和飛行控制系統中。

螺旋槳是各種飛機推進系統的組成部分，在電動發動機出現之前，螺旋槳一直受到以化石燃料為動力的往復式和渦輪內燃機的驅動。由于增加的扭矩和可能更高的轉數，針對電動發動機提出了不同的考慮。

對于所有常規23 部和 25 部飛機以及AM1，最基本的要求是將螺旋槳故障或飛出碎片損傷乘客和關鍵飛機結構、部件的風險降低到可接受的水平。螺旋槳的特性必須確保它們對于適航審定是安全的。

這些擬議的適航標準將需要發動機進行功能演示，包括順槳、負扭矩、負推力和反向推力操作，酌情使用樣本螺旋槳。申請人可以將這些演示作為耐久性演示的一部分進行。

適用性

這些適航標準是根據 21.17（b） 條款的規定制定的，適用于阿徹航空有限公司的型號 M001。如果阿徹航空有限公司希望將這些適航標準應用于其他動力升降機模型，則必須提交新的型號合格證申請。