通常指适航管理当局(简称局方)为颁发设计批准行政许可而开展型号合格审定飞行试验,也包括局方为生产批准行政许可和运行符合性评审而开展的飞行试验。广义的民机概念涵盖了民用航空产品,包括固定翼飞机、旋翼机、航空发动机、航空螺旋桨和机载系统等。适航,即适航性,学术上是一个抽象的集合概念,日常使用中具体是指飞机的设计、制造、使用、维护等与民航相关标准和要求的符合性。这些民航标准和要求是为了保证飞机在使用中达到一定的安全水平而制定的。
民机适航飞行试验是相对于军机试验鉴定飞行试验而言。试验实际由两部分组成,其一是常规意义上的,显露于外的试验活动,包括飞机测试改装、飞行、测试数据处理和分析等;其二是与标准和要求关联的,隐藏于内的思维活动,包括鉴定、评估、验证、确认和符合性表明等。除飞机离开地面的空中试验外,飞行试验还包括整机地面试验。
民机适航飞行试验是一个多目标工程项目群,试验过程除满足工业部门的科研要求和型号任务要求外,还受局方的监管,符合局方的管理程序规定,其本身充满着风险,应遵循相应的科学规律、试验原则和专业标准。
航空发展早期,飞行事故频发。为保障商业航空运输安全,美国国会于1926年制定了商业航空法案。同年5月,商务部成立了航空管理局,负责商业航空及航空器安全标准的制定和监管。1927年3月27日,美国布尔航空公司的Buhl Airster CA-3飞机,在经过适航试飞验证后,获得了联邦政府商务部航空局颁发的第一个型号合格证。
尽管早期的适航标准相对简单,但当时的飞机制造公司要想取得飞机型号合格证,同样是一件不容易的事。制造厂家首先要向航空管理局报送设计图、应力计算报告等设计资料供局方审查,如果设计资料符合相关标准,航空管理局派检察员到工厂进行制造检查,确认制造的样机及制造工艺符合经批准的设计和相关规范。然后是飞行试验,首先是制造厂的试飞员试飞,扩展包线,表明飞机是安全的和符合条款要求的,其次是管理局的试飞员验证试飞,在完成试飞验证后,商务部颁发型号合格证。
为规范适航管理,各国政府和适航管理当局都建立相应的法规体系和组织机构,透过一系列具有法律效应的行政许可活动,确保适航规章的要求在航空产品设计、制造、试验试飞、使用和维修过程中得到有效的贯彻和执行。适航法规体系包括:民航法、行政法规、民航规章(中国民航规章,China civil aviation regulation; CCAR),以及各职能部门制定的不具备强制法律权力的管理程序、咨询通告、管理文件及工作手册等。
《民用航空产品和零部件合格审定规定》(CCAR21)是适航审定与管理的重要和基础性规章,规定了局方适航行政许可证的证件类别和批准流程,其他技术规章都是落实CCAR21部适航行政许可与批准所依据的技术规章。
运输类飞机合格审定试飞按照《运输类飞机适航标准》(CCAR25)的要求,正常类飞机合格审定试飞按照《正常类飞机适航标准》(CCAR23)的要求,运输类旋翼机合格审定试飞按照《运输类旋翼航空器适航标准》(CCAR29)的要求,正常类旋翼机合格审定试飞按照《正常类旋翼航空器适航标准》(CCAR27)的要求,飞艇和无人机等试飞也有相应的标准规定。发动机适航试飞标准为《航空发动机适航规定》(CCAR33),螺旋桨适航试飞标准为《螺旋桨适航标准》(CCAR35)。局方将型号适航标准的审定与环保标准的审定相结合,每种型号的飞机,除满足相应的适航标准外,还应满足《涡轮发动机飞机燃油排泄和排气排出物规定》(CCAR34)和《航空器型号和适航合格审定噪声规定》(CCAR36)等环保标准。
在型号合格审定试飞过程中,要同步开展由局方航空器评审组(AEG)主导的运行符合性验证活动,以表明符合CCAR-61部、CCAR-91部、CCAR-121部和CCAR-135部等适航规章的要求。以便在航空器交付之前,获取局方对持续适航的行政许可。
航空器投入运行后,在经历了重大维修和重大改装后,应进行检飞,检查飞机及其子部件的功能和可靠性。航空公司在开辟新机场和航线时,也应进行验证试飞,以表明其适应性。
通用的符合性验证方法(MOC)有十种,其中第5种方法(MOC5)机上地面试验与第六种方法(MOC6)飞行试验属飞行试验范畴。局方在咨询通告(advisory circular; AC)等文件中针对每一适航条款究竟应采用何种方法,提交什么证据来表明符合性,进行了具体规定与指导。例如:AC23-8是针对FAR23部飞机合格审定的试飞指南,AC25-7是针对FAR25部飞机合格审定的试飞指南。
民机适航飞行试验通常分为研发试飞、表明符合性试飞、审定试飞、功能可靠性试飞、运行符合性验证试飞等。
由飞机制造公司负责的试飞工作,包括:首飞、飞机性能和特性评估试飞、调参试飞和排故试飞等,其目的是发现设计缺陷,改进设计,促进技术成熟和确认设计风险等。通常研发试飞应该在可控的试验环境下,通过逐步逼近,达到预期的使用极限条件。
申请人按照审定基础编制的试验大纲,通过飞行试验产生的证据来表明型号设计符合适航规章和环境保护要求,最终为申请人符合性声明和局方签发《型号检查核准书》奠定基础。表明符合性试飞大纲要经局方审查,确保试验内容适当,科目完整,试验方法符合相关指南要求。对于表明符合性试飞的每一个科目,要开展试验机构型评估,确认试验飞机的构型状态能代表型号设计,试飞数据与结果能作为符合性证据。申请人在完成表明符合性试飞后,应确定飞机的飞行性能和飞行特性,确定使用限制,保证飞行手册中飞行程序经过验证。
由局方主导的符合性确认活动。局方在对申请人表明符合性飞行试验结果审查后,选定审定飞行试验项目,签发《型号检查核准书》,开展制造符合性检查,进行相应的飞行试验,确认申请人飞行试验数据集的有效性和与适航规章的符合性。签发《型号检查核准书》是转入局方试飞的里程碑节点,为此,局方要对审定飞行试验进行全面的安全风险评估,申请人要明确型号设计数据,冻结构型,要使局方对预期的适航建立信心。
在预期的运行环境中,验证飞机及其子系统的功能和可靠性,表明与适航规章功能可靠性条款的符合性。试验设计应考虑空中交通密度、航程、机组工作负荷环境以及子系统的工作循环环境等因素。
由申请人、运行人和局方联合实施,相关试验内容包括:驾驶员型别等级评估、运行验证、飞行模拟器数据包提取、出版物验证和地面支持设备验证等。
局方对适航审定与适航飞行试验的监管采用的是基于风险的原则,其介入方式与力度因时因地变化,取决于产品本身的新颖性、复杂度与飞机制造公司的技术质量体系能力和经验,具体体现在双方制定的工作计划中。为了节约资源,局方适航审查过程普遍采用授权和委任制,例如,FAA的工程委任代表(DER)、制造检查委任代表(DMIR)和机构委任授权(ODA),EASA的设计机构批准书(DOA)和生产机构批准书(POA)等。为了缩短试飞周期,局方对特定试飞内容允许采用并行试飞技术。
飞行试验依据试飞大纲开展工作。研发试飞大纲依据设计要求和研发计划制定,随试验进展适时调整。表明符合性试飞大纲和审定试飞大纲依据审定基础制定,经局方审查后发布。试飞大纲由一系列试飞科目组成,每个试验科目编制内容包括试飞目的、验证条款、试验判定准则、试验机构型、测试参数和专用试验装置、试验条件和机动动作、试验方法和风险评估等。
新型飞机的合格取证,要进行数百个试飞科目的试验,改装数架试验机,测量数万个参数,飞行数千架次和数千个小时。要完成飞行性能、飞行特性、系统集成和人为因素方面的严格考核,典型的试验科目包括:失速、尾旋、颤振、气动伺服弹性、最小离地速度、最小操纵速度、操纵性、机动性、稳定性、配平、抖振、载荷、噪声、动力装置、机电系统和航电系统等。除正常功能试验外,要模拟系统故障,如:飞控系统故障、液压系统故障、电源系统故障、发动机故障等。除正常的试验环境外,要在高温、高湿、高寒、高原、污染跑道、大侧风、结冰等特殊条件和极端条件下进行试验。
为了保障试飞安全、效率和质量,民机适航试飞需要投入巨大的试验资源。主要包括:①试飞测试系统,含机载测试系统、遥测监控系统和专门测试系统(如空中结冰试飞测试系统)等。②机载专用试验系统,如重量和重心调节系统、颤振激励系统、反尾旋伞系统、专门的大气数据探测系统、故障模拟系统等。③数据处理系统,含实时数据处理、飞行后数据处理、信息传输与交换系统等。④地面试验支持系统,如地面飞行模拟器、载荷校准设施和飞机在环试验设施以及专用着陆跑道水槽等。⑤机务和场务保障设施,包括故障检测和分析设备、通信导航和交通管制设施等。⑥配试飞机,如摄影飞机、气动参数标准飞机、气象飞机、机场校验飞机、结冰喷水机等。⑦试飞场地和空域,含主试飞场地和空域,特殊试飞场地和空域,如高温、高湿、高寒、高原、污染跑道、大侧风、结冰等特殊场地和空域。为了试验机之间动态规划和协调,提高试飞效率和节约成本,除特殊要求外,飞行试验应尽可能集中于一地和一域进行。⑧试飞人力资源,含试飞员、试飞工程师、维护保障人员以及管理者。试飞队伍培训,特别是试飞员和试飞工程师的培训是一项极其重要的环节。
此外,建模/仿真在飞行试验中具有极其重要的地位。飞行模拟器是试飞队伍培训、试飞任务优化、演练和问题复现的必需工具;飞机数学模型对于试飞预测和数据处理已经成为飞行试验的必需工具,模型验证与鉴定是飞行试验的重要内容。
民机适航飞行试验具有很高的风险性。其风险主要来源是:①新技术和新产品的成熟度,例如波音737MAX的迎角增强系统缺陷造成两次灾难性民航事故等。②试飞科目的边界探索性,例如失速特性、颤振边界、最小起飞速度、决策速度试飞等。③故障模拟试飞,如单发停车起飞、飞控和液压系统故障模拟试飞等。④恶劣气象条件试飞,如自然结冰条件试飞、大侧风试飞、高原试飞、湿滑跑道试飞等。⑤人为因素,包括试飞员、试飞工程师、飞行保障人员和管理者等人员素质和安全文化是影响试飞安全的重要因素。
为了保障民机适航飞行试验安全,除了正确的飞机设计、高质量的飞机制造和充分的地面试验外,在飞行试验中还应采取的措施是:①缜密的试飞风险分析,特别是对风险科目的风险分析,包括风险源、危害度和应对措施。②科学的试飞规划,包括合理的阶段划分、严格的构型管理、正确的试飞科目执行次序、逐步而谨慎放开的试飞限制等。③加强试飞数据管理,包括试飞结果预测、试飞过程监控、及时数据处理和分析。④可靠的安全保障硬件条件建设。⑤强化试飞队伍培训,特别强调试飞队伍在设计论证和研制过程中的早期介入、试飞员和试飞工程师的试飞员学校培训和机务保障人员的工程培训。⑥试飞安全文化建设,主要包括试飞安全教育、管理和试飞相关人员的全员合作精神。
民机适航飞行试验是民用航空产品研制及运行过程中的必需环节,试验数据和结论是航空产品符合适航规章,满足最低安全标准,具备安全飞行条件的关键证据。民机适航飞行试验是一项复杂的系统工程,民机适航飞行试验水平代表了一个国家民用航空工业的技术水平,科学周密的策划,有效的风险管控和强有力的资源保障是保障试飞安全和效率的必需前提。