劉文成 /

(上海飛機(jī)設(shè)計(jì)研究院，上海201210)

0 背景

美國(guó)“9.11”事件后同年11月19日，美國(guó)國(guó)會(huì)指示FAA 頒布命令將執(zhí)行四項(xiàng)安保要求作為最終法則，而無(wú)須征求公眾意見(jiàn)，并在次年1月15日發(fā)布了《運(yùn)輸類(lèi)飛機(jī)駕駛艙門(mén)設(shè)計(jì)的安保事項(xiàng)》的最終法則，公布了FAR 25-106修正案和121-288 修正案，在25部中新增了25.795條。該條款提出了保護(hù)駕駛艙免受未經(jīng)許可人員的暴力入侵、輕型武器火力和爆炸裝置穿透的要求，以期進(jìn)一步提高安全水平。2008年11月，F(xiàn)AA頒布了127號(hào)修正案，在原106號(hào)修正案的基礎(chǔ)上增加了LRBL、火情抑制等內(nèi)容。CAAC在25部R4版中納入了FAR 25-106修正案25.795條的要求。

但早在1988年“洛克比空難”后，國(guó)際民航組織(ICAO) 已經(jīng)啟動(dòng)了航空安保設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)的制定工作，并在1997年3月發(fā)布了國(guó)際民航組織公約附件8的第97號(hào)修正案，其中就包括了駕駛艙門(mén)安保內(nèi)容，但國(guó)際民航公約附件8的標(biāo)準(zhǔn)不直接用于飛機(jī)設(shè)計(jì)，而是通過(guò)其成員國(guó)的適航標(biāo)準(zhǔn)實(shí)施。FAA在1999年10月已在研究將附件8第97號(hào)修正案納入飛機(jī)設(shè)計(jì)的立法建議。但遺憾的是在悲劇發(fā)生前，附件8的標(biāo)準(zhǔn)尚未成為FAA的適航標(biāo)準(zhǔn)。

1 駕駛艙門(mén)設(shè)計(jì)及驗(yàn)證概述

飛機(jī)駕駛艙門(mén)布置常在駕駛艙與客艙或機(jī)組休息區(qū)之間，其目的是為飛行員安全飛行提供安靜且不受打擾的空間。駕駛艙門(mén)主要由門(mén)框結(jié)構(gòu)、門(mén)體結(jié)構(gòu)、門(mén)鎖及密碼系統(tǒng)等組成，如圖1所示。

圖1 駕駛艙門(mén)結(jié)構(gòu)示意圖

對(duì)于增強(qiáng)型駕駛艙門(mén)的適航驗(yàn)證，包括防侵入、防穿透、可靠性、泄壓載荷、進(jìn)入駕駛艙功能、E3等方面，其驗(yàn)證工作涉及面廣，驗(yàn)證工作之間有一定交叉，下文將主要就防侵入及防穿透、泄壓及進(jìn)入駕駛艙要求的驗(yàn)證工作進(jìn)行介紹。

2 駕駛艙門(mén)防侵入及防穿透要求及驗(yàn)證

2.1 防侵入及防穿透適航要求

CCAR25.795 保安事項(xiàng)[1](a)駕駛艙的保護(hù)中規(guī)定，如果運(yùn)行規(guī)則需要有駕駛艙門(mén)，艙門(mén)的安裝必須設(shè)計(jì)成： (1) 抵御未經(jīng)許可人員的暴力入侵，門(mén)上關(guān)鍵部位能夠承受300 J (221.3 ft·lb)的沖擊，同時(shí)在旋鈕和把手處能夠承受1 113 N(250 lb)的定常拉伸載荷。

(2) 抵御輕型武器的火力和爆炸裝置的穿透，達(dá)到中國(guó)民用航空局適航部門(mén)的要求。

第(1)項(xiàng)要求駕駛艙門(mén)能夠承受300 J的沖擊及手柄處施加的最大250 lb的拉伸載荷。如果能通過(guò)某些方式限制手柄上可施加最大載荷值，使其低于250 lb，則更低的拉伸載荷值也可接受。300 J的沖擊能量比 (National Institute of Law Enforcement and Criminal Justice，簡(jiǎn)稱(chēng)NILECJ)標(biāo)準(zhǔn)0306.00中規(guī)定的最高等級(jí)的能量還要高50%，而選擇250 lb的拉力是因?yàn)镕AA認(rèn)為該拉力可以產(chǎn)生相當(dāng)于300 J沖擊能量，從而達(dá)到所要求的抗入侵能力。該項(xiàng)要求僅延緩非授權(quán)侵入的時(shí)間或企圖，而非阻止非授權(quán)人員采用非常規(guī)方式或花大量時(shí)間侵入駕駛艙。

第(2)項(xiàng)要求的目的是為了將客艙側(cè)產(chǎn)生的爆炸碎片或由小型武器射出的子彈穿透駕駛艙門(mén)的概率減至最小，從而保護(hù)飛行機(jī)組及飛行關(guān)鍵設(shè)備。本項(xiàng)要求的意圖不是為了使駕駛艙“不可穿透”，而是為了給駕駛艙提供高水平的保護(hù)，該措施足以防止駕駛艙門(mén)免受最大威力的手槍彈和手榴彈彈片的破壞。

2.2 防侵入及防穿透試驗(yàn)驗(yàn)證

駕駛艙防侵入設(shè)計(jì)中，需對(duì)駕駛艙門(mén)完成四種基本沖擊/拉伸載荷試驗(yàn)，且每個(gè)試驗(yàn)均需使用新試驗(yàn)件。試驗(yàn)項(xiàng)目如表1所示。

表1 防侵入試驗(yàn)驗(yàn)證

在使用鋼制撞錘進(jìn)行沖擊試驗(yàn)時(shí)，為保證沖擊能量不小于300 J，需計(jì)算確定撞錘的擺起高度，并將撞錘固定在叉式升降機(jī)的叉頭上或類(lèi)似設(shè)備上，從而使每次試驗(yàn)的沖擊高度是一致的。

在試驗(yàn)過(guò)程時(shí)，撞錘的沖擊能量會(huì)通過(guò)撞擊點(diǎn)傳遞到艙門(mén)的安裝固定結(jié)構(gòu)上，并通過(guò)這些結(jié)構(gòu)平衡該載荷，如果艙門(mén)安裝夾具剛度過(guò)強(qiáng)或過(guò)弱均不能反映駕駛艙門(mén)實(shí)際承受沖擊載荷的能力，所以試驗(yàn)夾具提供的約束必須模擬駕駛艙門(mén)在飛機(jī)上的安裝剛度。與裝機(jī)構(gòu)型相比，試驗(yàn)件的支撐不應(yīng)顯著增強(qiáng)結(jié)構(gòu)阻尼和能量吸收水平。

在采用試驗(yàn)的方式驗(yàn)證駕駛艙門(mén)防穿透特性時(shí)，對(duì)于連續(xù)隔板，射彈以0°和30°兩種入射射擊就足夠了，對(duì)于非連續(xù)隔板則可能需要采用更大入射角。試驗(yàn)時(shí)采用兩種規(guī)定子彈對(duì)駕駛艙門(mén)觀察孔、艙門(mén)與門(mén)框的結(jié)合部位、艙門(mén)泄壓板之間的結(jié)合部位等處進(jìn)行射擊。此外當(dāng)子彈沖擊駕駛艙門(mén)時(shí)會(huì)產(chǎn)生劇烈震動(dòng)，在此震動(dòng)沖擊下可能會(huì)有危害飛行安全的小的艙門(mén)零件飛出，所以需要在試驗(yàn)件后方6 in處放置牛皮紙，試驗(yàn)后若紙張有破損則需評(píng)估其影響。

在駕駛艙門(mén)完成防侵入試驗(yàn)后，該艙門(mén)無(wú)需具有抵御射彈穿透的能力。但在對(duì)駕駛艙門(mén)進(jìn)行子彈穿透試驗(yàn)時(shí)，如果艙門(mén)壁板、格柵等打開(kāi)，導(dǎo)致駕駛艙和客艙之間沒(méi)有有效的障礙抵御入侵，則認(rèn)為試驗(yàn)失??；如果在飛機(jī)泄壓發(fā)生中駕駛艙門(mén)或其釋壓板打開(kāi)，駕駛艙門(mén)也無(wú)需提供抵御暴力入侵或射彈穿透的能力。

3 駕駛艙門(mén)泄壓要求及驗(yàn)證

3.1 泄壓對(duì)于駕駛艙門(mén)的影響

飛機(jī)在增壓時(shí)，由于地板、隔板等分隔板能夠通氣且增壓過(guò)程緩慢，各隔艙之間沒(méi)有壓差，只由外壁承受靜壓。如果出現(xiàn)艙門(mén)脫落、離散源損傷或壁板局部疲勞破壞等，將引起所在隔艙突然泄壓，使相鄰隔艙間產(chǎn)生壓差。這種壓差可能導(dǎo)致結(jié)構(gòu)破壞或操縱失效，影響飛行安全。25.365(e)(f)條明確規(guī)定了當(dāng)飛機(jī)增壓艙突然泄壓時(shí)的安全要求，對(duì)那些將增壓艙分隔開(kāi)的結(jié)構(gòu)，如隔板、隔框或地板等結(jié)構(gòu)，其設(shè)計(jì)應(yīng)能承受任一隔艙壓力突降的影響。但僅通過(guò)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)來(lái)承受泄壓載荷并不經(jīng)濟(jì)，有時(shí)也是不現(xiàn)實(shí)的，為此設(shè)計(jì)上常采用泄壓板的方式促進(jìn)泄壓發(fā)生后各艙室之間的壓力平衡。

3.2 泄壓板設(shè)計(jì)

作為駕駛艙與客艙的分界，駕駛艙門(mén)上泄壓板的面積、作動(dòng)壓力及開(kāi)啟時(shí)間對(duì)于泄壓情況下的飛行安全非常重要。業(yè)界常采用機(jī)械式和電子式兩種泄壓板控制方式，兩種方式均需檢測(cè)駕駛艙門(mén)兩側(cè)的壓力差，該差值達(dá)到一定值時(shí)，開(kāi)啟泄壓板[2]。

泄壓發(fā)生后，增壓艙中壓差分布與各艙容積及通風(fēng)面積有關(guān)，當(dāng)駕駛艙與客艙之間的壓差達(dá)到某一壓力值時(shí)，控制駕駛艙門(mén)泄壓板的鎖拴或銷(xiāo)子等類(lèi)似機(jī)構(gòu)開(kāi)始動(dòng)作，經(jīng)過(guò)若干毫秒后，泄壓板完全打開(kāi)。根據(jù)隔艙容積、有效通風(fēng)面積、25.365(e)中規(guī)定的方法及設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)確定的大孔洞面積，并考慮隔艙中存在泄壓板等泄壓方式的隔艙泄壓情況，最終通過(guò)理想氣體狀態(tài)方程和空氣流過(guò)孔口的流量公式等，計(jì)算確定某壓力高度下各艙室的壓差載荷。

保證泄壓板在規(guī)定壓差及規(guī)定時(shí)間內(nèi)完成泄壓，這對(duì)于保證機(jī)身安全具有至關(guān)重要的作用。

3.3 驗(yàn)證思路及考慮

飛機(jī)泄壓要求既包括泄壓面板或類(lèi)似排氣裝置的最小有效通風(fēng)面積還包括其最大開(kāi)啟時(shí)間。如果將整個(gè)駕駛艙門(mén)作為大型泄壓板，則申請(qǐng)人應(yīng)額外考慮泄壓板門(mén)閂對(duì)釋放時(shí)間的影響、閂系統(tǒng)在泄壓載荷下釋放的可靠性以及由于艙門(mén)質(zhì)量增加、特殊或額外的門(mén)鉸鏈等導(dǎo)致泄壓板開(kāi)啟時(shí)間的增加。此外如果駕駛艙門(mén)設(shè)計(jì)中具有格柵、百葉窗或類(lèi)似設(shè)計(jì)特征，則還需要考慮泄壓面積減少的情況。

泄壓機(jī)構(gòu)的失效可能導(dǎo)致駕駛艙結(jié)構(gòu)的災(zāi)難性故障，如果通過(guò)電氣或機(jī)械方式來(lái)釋放泄壓機(jī)構(gòu)，申請(qǐng)人應(yīng)根據(jù)AC25.1309-1A中的分析方法進(jìn)行定性和/或定量評(píng)估。在進(jìn)行安全性分析(MOC3)時(shí)，必須考慮泄壓板無(wú)法開(kāi)啟的情況，這種情況可能是災(zāi)難性的。業(yè)界對(duì)泄壓事件發(fā)生的概率沒(méi)有統(tǒng)一的說(shuō)法，但通常認(rèn)為該概率遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于10-4，如果要達(dá)到25.1309(b)(1)中規(guī)定的“發(fā)生任何妨礙飛機(jī)繼續(xù)安全飛行與著陸的失效狀態(tài)的概率是極不可能”，那么泄壓通風(fēng)系統(tǒng)的失效概率不能大于10-5。

泄壓板最大開(kāi)啟時(shí)間及有效通風(fēng)面積對(duì)于泄壓載荷及能否達(dá)到泄壓目的至關(guān)重要。泄壓板通常并不在最大壓差時(shí)才開(kāi)啟，因此需通過(guò)試驗(yàn)室試驗(yàn)(MOC4)或設(shè)備鑒定(MOC9)試驗(yàn)的方式驗(yàn)證開(kāi)啟時(shí)間和有效通風(fēng)面積是否與設(shè)計(jì)要求相吻合或更為保守，在此情況下進(jìn)行的泄壓載荷計(jì)算及分析才有意義。申請(qǐng)人應(yīng)通過(guò)計(jì)算分析(MOC2)或試驗(yàn)室試驗(yàn)(MOC4)驗(yàn)證駕駛艙門(mén)及與周?chē)Y(jié)構(gòu)的連接強(qiáng)度。

駕駛艙門(mén)靜強(qiáng)度試驗(yàn)驗(yàn)證常通過(guò)液壓桿、沙袋等方式進(jìn)行加載，如圖2所示[3]。

圖2 駕駛艙門(mén)靜力試驗(yàn)

4 緊急進(jìn)入駕駛艙要求及驗(yàn)證

4.1 條款要求

在CCAR 25-R4第25.772(c)款有以下規(guī)定：必須有緊急措施使飛行乘務(wù)員能夠在飛行機(jī)組失去能力的情況下進(jìn)入駕駛艙；在CCAR121-R4中也明確規(guī)定營(yíng)運(yùn)人應(yīng)建立應(yīng)急程序使得乘務(wù)員在機(jī)組失能時(shí)能夠進(jìn)入駕駛艙。

在某些飛行階段，如果飛行員失能，而乘務(wù)員能夠進(jìn)入駕駛艙提供一定協(xié)助，這對(duì)于保證飛行安全無(wú)疑是非常必要的。

4.2 設(shè)計(jì)措施及驗(yàn)證

針對(duì)25.772(c)的設(shè)計(jì)和驗(yàn)證基于以下假設(shè)：(1)僅在懷疑機(jī)組失能情況下，乘務(wù)員才能使用該緊急進(jìn)入系統(tǒng)進(jìn)入駕駛艙；(2)對(duì)于緊急進(jìn)入駕駛艙的請(qǐng)求，機(jī)組的瞬時(shí)反應(yīng)是拒絕進(jìn)入。

以某型駕駛艙門(mén)為例，該艙門(mén)在客艙側(cè)設(shè)計(jì)有數(shù)字小鍵盤(pán)，通過(guò)輸入緊急進(jìn)入代碼，駕駛艙中會(huì)產(chǎn)生警告以通知飛機(jī)機(jī)組有人在客艙一側(cè)啟動(dòng)了艙門(mén)緊急解鎖程序，如果飛行機(jī)組未失能，則會(huì)立刻禁止艙門(mén)解鎖，并評(píng)估客艙側(cè)人員的安全性，如果機(jī)組失能，則在經(jīng)過(guò)一定時(shí)間延遲后艙門(mén)自動(dòng)解鎖。

無(wú)論是禁止艙門(mén)解鎖還是艙門(mén)自動(dòng)解鎖，都需要合理的時(shí)間延遲供機(jī)組解除艙門(mén)警告。如果延遲時(shí)間較短，飛行機(jī)組未能及時(shí)反應(yīng)駕駛艙門(mén)即解鎖，這顯然與設(shè)計(jì)目的相違背，此外飛機(jī)在下降階段或嚴(yán)重失控情況下，即使延遲時(shí)間短，乘務(wù)員進(jìn)入駕駛艙的作用也非常有限；如果延遲時(shí)間較長(zhǎng)，在飛機(jī)平穩(wěn)飛行且機(jī)組失能時(shí)，乘務(wù)員不能短時(shí)間內(nèi)進(jìn)入駕駛艙也會(huì)影響飛行安全。鑒于此，應(yīng)急解鎖的延遲時(shí)間應(yīng)在30 s～60 s之間，如果短于30 s或超過(guò)60 s，則需提供具體理由，但不會(huì)接受短于15 s，長(zhǎng)于120 s的時(shí)間延遲。延遲完成后，艙門(mén)保持解鎖的時(shí)間不能少于5 s。當(dāng)飛機(jī)機(jī)組拒絕緊急進(jìn)入請(qǐng)求后，系統(tǒng)小鍵盤(pán)處于禁止輸入的時(shí)間不能超過(guò)30 min[4]。

針對(duì)上述設(shè)計(jì)，需通過(guò)符合性說(shuō)明(MOC1)和機(jī)上地面試驗(yàn)(MOC5)的方式表明符合性。在符合性說(shuō)明(MOC1)驗(yàn)證時(shí)，除說(shuō)明駕駛艙門(mén)系統(tǒng)設(shè)計(jì)原理外，還需說(shuō)明針對(duì)延遲時(shí)間的設(shè)定、乘務(wù)員緊急進(jìn)入與日常進(jìn)入駕駛艙的設(shè)計(jì)特征等內(nèi)容；在機(jī)上地面試驗(yàn)(MOC5)驗(yàn)證時(shí)，需針對(duì)裝機(jī)后的駕駛艙門(mén)進(jìn)行機(jī)上試驗(yàn)，試驗(yàn)構(gòu)型(包括軟件構(gòu)型)須與取證構(gòu)型保持一致，試驗(yàn)時(shí)就緊急進(jìn)入功能、機(jī)組拒絕進(jìn)入功能、延遲時(shí)間等進(jìn)行驗(yàn)證。

5 結(jié)語(yǔ)

除上述要求及驗(yàn)證外，飛機(jī)駕駛艙門(mén)還需考慮通風(fēng)窗在外側(cè)無(wú)法開(kāi)啟情況下的駕駛艙救援、駕駛艙門(mén)卡住情況下機(jī)組進(jìn)入客艙、駕駛艙門(mén)阻燃及艙門(mén)安裝固定等問(wèn)題。

工業(yè)實(shí)踐和適航法規(guī)是逐步發(fā)展和完善的過(guò)程，在這個(gè)過(guò)程中可能并不完美。美國(guó)聯(lián)邦航空局調(diào)查顯示：2002-2012 年，美國(guó)發(fā)生的空難事故中，其中8起由飛行員自殺所致，約占0.3%。如果乘務(wù)員或1名客艙側(cè)的飛行員懷疑駕駛艙內(nèi)機(jī)組有自殺傾向而請(qǐng)求緊急進(jìn)入駕駛艙被拒絕的情況下，客艙側(cè)的人員則無(wú)計(jì)可施[5]。

參考文獻(xiàn)：

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