问:航空器的适航审定需要经过哪些“考试”?
Q1 适航审定所依据的标准——考题
答:C919飞机适航审定中所有满足的适航条款要求总计495条,在审定过程中被称为审定基础,主要包括:以中国民用航空规章形式颁发的适航标准(《运输类飞机适航标准》(CCAR-25-R4)、《运输类飞机的持续适航和安全改进规定》(CCAR-26)、噪声与排放相关的规章《涡轮发动机飞机燃油排泄和排气排出物规定》(CCAR-34)、《航空器型号和适航合格审定噪声规定》(CCAR-36)),针对C919飞机所采用的新颖独特的设计特征或非常规的预期用途所制定的专用条件等。
目前具备研制与生产大型民航客机能力的仅有少数几个国家,其中干线客机市场主要被波音(Boeing)和空中客车(Airbus)两家企业主导,具备进入民航客机适航取证这个考场的公司本身就屈指可数。C919飞机采用了大量新材料、新技术,例如采用了复合材料结构,进而开展了大量复合材料积木式验证;采用电传飞控系统,开展了大量电传飞机包线保护控制律验证;采用综合模块化航电系统(IMA)等,这些都是“新考题”。
Q2 怎样验证对审定基础的符合性——怎样答题?
按照AP-21-AA-2011-03-R4《航空器型号合格审定程序》的规定,中国商飞公司使用了九种方法表明符合性,称为符合性方法。试验类的方法包括实验室试验、机上地面试验、飞行试验、机上检查、模拟器试验、设备鉴定试验;分析类的方法包括说明性文件、分析/计算、安全评估等。
为了满足适航条款要求,在大量研发试验与分析评估的基础上,完成了表明符合性的地面试验1669项,试飞科目494项,6736飞行小时,83项软硬件的评审, 6151份符合性验证报告等。通过这些试验、试飞及分析评估工作,确保了飞机性能与操纵品质、结构、系统在所有预期的适用场景下都能够达到适航标准所要求的安全性水平。
Q3 C919经受了什么样的考验——考题特点?
为了验证机载设备在极端环境下的性能,C919飞机完成了866项设备鉴定试验,按照行业标准RTCA-DO-160的要求,对所有设备的高温、低温、振动、防水、沙尘、盐雾、闪电、防火、可燃性等20余个极限环境进行验证,确保设备能够正常可靠地工作。
为验证飞机结构承受各种地面载荷、机动载荷和突风载荷的能力,开展了大量的静强度、动强度、疲劳强度试验,例如全机2.5g极限载荷静力试验,考核飞机俯冲拉起时2.5g正过载所经受的极限载荷,试验时机翼翼尖抬起的变形达到了2.7米。其他还开展了全机疲劳试验、鸟撞试验、闪电防护试验、轮胎爆破试验、颤振试飞等诸多试验。
针对飞机可能遭遇到的严酷的气候环境,C919飞机从2020年开始辗转全国各地,进行了大量极端气候环境试验试飞。吐鲁番高温试验,试验时气温高达43℃;南昌高温高湿试验,试验时气温达到38.5℃、湿度21g/kg(50%相对湿度);海拉尔高寒专项试验,试验时地面气温-39.7℃、空中-67℃;锡林浩特侧风专项试验,试验时经历过30节(相当于七级大风)的大侧风,阵风速度达到过35节(相当于八级大风),以及其他诸如雨天、溅水、负加速度、高原、自然结冰等专项地面试验与试飞。
特别想说一下2022年2月17日完成的自然结冰试飞,自然结冰代表着自然界极为严酷的结冰气象,试飞难度极大,对云层的液态水含量、云层水滴直径和周围空气的温度的要求极度严苛。2020年,多家单位全面深入研究全国范围内的结冰气象,对目标区域进行多次结冰探测试飞,成功捕获符合要求的结冰气象。2022年1月20日,C919自然结冰局方审定试飞正式开始,共计开展5架次审定试飞,穿云29次,成功捕获满足规章要求的结冰气象,这是首次完全由中国机组,驾驶着中国人设计的大飞机,按照中国人预测的结冰条件,在中国的领空内,完成的满足全球标准的自然结冰试飞。
此外,C919飞机还完成了48架次失速速度与40架次失速特性试飞、37架次最小操纵速度(VMC)、35架次最小离地速度(VMU)、1架次最大刹车能量中断起飞(RTO)等重点难点试飞科目。例如最小离地速度试飞,需要模拟在最极限的重量重心范围下飞机的极限起飞姿态;最大刹车能量中断起飞试验需要验证刹车系统在极限磨损状态下、飞机以最大起飞重量和最大地面速度刹车时依然具备安全刹停的能力,试验测得单个机轮的最大刹车能量达到74兆焦,相当于把87辆家用轿车(约1.5吨)从120公里时速完全刹停的能量。
2022年7月14日至8月1日,C919飞机开展最后一项大型取证试飞科目——功能和可靠性试飞,以山东东营为基地,转场国内11个机场,在18个飞行日内执行了86架次飞行试验,累积飞行时长156小时,平均日利用率达到8.7小时,单日最长飞行时间达到12.5小时,已经达到并超过了常规航线飞机8小时的平均每日运行时间。
问:试飞团队的组成和主要要做的工作是什么?
Q1 试飞队伍
C919型飞机试飞团队包括试飞员、试飞工程师。
C919飞机试飞团队的主要职责包括:(1) 参与制定C919型飞机需进行审定试飞的审定计划、试飞大纲,进行审定试飞管理决策; (2)负责C919型飞机审定飞行试验的具体实施; (3)对C919型飞机审定试飞的整个过程进行风险管理。
早在2011年初,上海审定中心组建成立中国首支专业从事民机适航审定的试飞团队,在ARJ21-700飞机的审定试飞中先后拿下失速速度、大侧风、自然结冰、模拟冰型、振动以及抖振边界、最大刹车能量等多个国际公认的高风险试飞科目,填补了多项国内适航审定试飞空白,为中国民机的发展与空中飞行安全奠定了坚实基础。
在C919审定试飞中,除上海审定中心试飞团队之外,为保障审定试飞工作按计划完成,中国民航适航审定中心集中系统最强的力量,投入到国产大飞机的适航审定试飞工作中,在关键阶段、关键时期、解决关键问题。
试飞方面,主要开展的局方试飞活动包括:(1)重复试飞,对申请人已完成的表明符合性试飞的正确性和准确性进行核查;(2)并行试飞,在申请人没有开展相关试飞科目的情况下,充分考虑高难度、高风险、环境影响等因素(比如自然结冰、VMU等),局方试飞员通过登机试飞判断飞机的性能、操纵品质和系统工作情况,确定飞机与适用规章的符合性;(3)审定试飞的安全评估和试飞风险评估,确保审定试飞的安全、高效、有序开展。
审查组批准了202份审定试飞大纲,包含494个表明符合性试飞科目。针对上述表明符合性试飞科目,试飞专业组和各专业专题组按照试飞科目的新颖性、临界性、主观判断性、关键性、数据客观性和典型性等原则,同时结合商飞的适航取证经验和试飞科目的风险等级,选取了其中276个科目开展审定试飞。其中,并行试飞188个科目,提高了并行试飞比例,提升了试飞效率。
Q2 从2017年开始,C919飞机在阎良、东营等多地进行了试飞。从飞机首飞到今天,历时5年,C919飞机为什么要进行这么多的试飞,试飞速度如何?
从2017年到2022年,C919飞机7架试验机在陕西阎良、江西南昌、山东东营等地进行了性能、操纵品质、稳定性、各系统工作特性相关的不同科目的研发和验证试飞工作。
从适航取证的角度,通常将试飞分为申请人研发试飞、申请人表明符合性试飞和局方审定试飞。C919飞机采用全权限电传飞控系统,高集成、高综合的复杂航电系统,属于具备国际竞争力设计特征的新一代民用航空飞机,在飞机设计方案、设计构型确定和研制迭代上具有较高的设计难度和较多的研制工作。为此,C919飞机进行了较多的研发试飞工作。
在C919飞机试飞过程中,局方试飞员充分发挥吃苦耐劳、敢打敢拼的精神,不断提高试飞效率。2020年11月27日颁发首个型号检查核准书(TIA),2021年1月28日就进行首次局方审定试飞,至2022年8月,总共19个月的时间,完成了所有审定试飞工作。尤其是最后10个月,完成了90%的审定试飞任务,创造了“中国速度”。
Q3在所有的审定试飞工作中,审查方试飞专业主要进行了哪些试飞科目?是否包括一些“极限”的试飞科目?另外,目前的部分国内舆论中,对于C919飞机这样一款新的民用客机,对于其安全性还是持有一定怀疑态度的,是否可以说经过审定试飞,飞机就是安全的呢?
截至2022年8月31日,C919型飞机7架试验机共累计飞行2458架次、6736小时。其中,包括功能可靠性试飞在内,共计进行了局方试飞387架次、908个小时,按照各专业、各系统所确定的飞行试验大纲对C919飞机性能、操纵品质、各系统正常和非正常工作条件,诸如自然结冰、雨天、高温、高湿、大侧风等不同环境和气象条件下对C919飞机进行了全面深入的试飞和验证,以验证飞机能够满足适航标准设定的定量的、明确的安全指标,也就是证明C919飞机能够满足规章要求的最低安全标准。
既然说全面深入的试飞,这其中当然也包括一些“极限”条件,或者说极端条件下的验证,主要体现在两方面:
一是适航标准要求考虑航空产品在预期运行环境中极端情况下的安全性。这种极端情况,一方面是航空产品自身的极限状态,例如最大的飞行高度、最大或者最小的飞行速度、最前重心、最后重心等;也就是我们所说的飞行包线。飞行包线是个限制,飞机也只能在飞行包线内使用,以确保旅客安全。但这些包线不是一开始就有的,是在飞行设计和审定阶段逐步拓展的。试飞工作就是进行这些包线的拓展和验证工作,我们审定试飞中绝大部分对于飞机本体的验证试飞就是在边界条件,或者说“极限”条件下进行的。
比如,最小离地速度(VMU)就是一个典型的、在极限条件下进行的、针对飞机本体性能的验证试飞科目。最小离地速度是指飞机不同起飞条件下能够安全离地并继续起飞而不出现危险特性的最小速度。因为试验目的是验证飞机的最小安全离地速度,飞机需要以大俯仰姿态离地,对应C919这样的飞机就是需要以飞机擦地姿态离地,具有很高的试验风险。
由于VMU试验以飞机擦地姿态为目的,因此在飞行员操纵和发动机的共同作用下飞机会迅速抬头,甚至控制不好,飞机在离地后姿态仍然会继续增大,稍不注意甚至会进入失速状态,因此对飞行员的机敏和姿态控制提出了极高的挑战。
此外在单发失效的情况,也就是飞机能量最小的起飞状态。飞机加速慢、发动机力矩小,因此飞机在地面的时间会较长,因此对于飞机的姿态控制难度会减小;但是由于能量减小,也会产生飞机加速慢、尾部触地时间长,起飞后爬升极慢,叠加气流、地面效应等因素,使飞机进入危险状态的概率大大增加。
针对上述技术难点,审查方和申请人通过总结和研究,对试飞风险进行细腻有效的管控,如正驾驶垫高座椅增加观察视界,同时副驾驶监控除飞机俯仰外的其他关键参数等,最终完成了C919飞机最小离地试飞。
另一方面是航空产品的外部环境的极限状态,例如高温试验气温高达43℃;高温高湿试验气温达到38.5℃、湿度21g/kg(50%相对湿度);高寒试验地面气温-39.7℃、空中-67℃;侧风试验阵风速度达到过35节(相当于八级大风),此外还包括遭遇闪电、遭遇8磅鸟类撞击、外界的高强辐射磁场(峰值最高3000v/m)的影响等。适航标准要求航空产品能够在这些预期的运行条件下保证安全,这其中最具代表性的就是自然结冰试飞。
C919飞机自然结冰试飞是继A350、MC21后,全球第三款按照最新的中国适航规章,美国适航规章121修正案要求完成自然结冰试飞的机型;是首次完全由中国机组,驾驶着中国人设计的大飞机,按照中国人预测的结冰条件,在中国的领空内,完成的满足全球标准的自然结冰试飞,创造了自然结冰试飞中国速度。自然结冰试飞的成功完成,代表着我们掌握了结冰气象参数预测技术,及试验试飞、分析方法。
Q4 C919飞机是上海审定中心试飞队伍全面进行试飞审查的第二款机型,C919飞机审定试飞与ARJ21-700飞机比较有哪些主要进步和变化?
对比ARJ21-700飞机,随着申请人试飞能力和适航符合性验证能力的提升,同时在审定试飞管理前后的机制创新(如编制了《C919飞机审定试飞管理程序》,对申请试飞前后的制造符合性检查、文件管理和试飞任务实施等程序进行了优化),完善了审定试飞机制,提高了审定试飞效率,总结C919飞机跟ARJ21-700飞机在审定试飞上的进步变化,主要有以下几点:
一是审定试飞的时间更短。ARJ21-700飞机的审定试飞时间是从2012年2月到2014年12月,历时35个月;而C919试飞的时间是从2021年1月到2022年8月,总共是19个月。特别需要说明的是,从去年11月到今年8月,短短的10个月里,我们试飞专业组完成了C919飞机大约90%的审定试飞任务,创造了“中国速度”。
二是选取比例减少。在ARJ21方面,由于是中国商飞作为申请人的首个运输类飞机项目,作为新的申请人和新的飞机, CAAC选取85%(285个表明试飞科目中选取了245个作为审定试飞科目)的表明符合性试飞科目进行了审定试飞;而在C919飞机方面,这一比例是55.9%(494个表明符合性试飞科目中选取了276个审定试飞科目)。在C919飞机审定试飞科目选取上,主要把握临界点、关键点和需要进行主观判断的飞行试验科目进行审查,这表明了审查组在审定试飞科目选取的把握上更加精准、科学;也体现了审查组对中国商飞和航空工业等单位的能力充满信心。
三是并行试飞科目比例明显增加。在C919飞机所选取的276个审定试飞科目中,并行试飞科目比例高达68%,与之对比的是ARJ21-700飞机审定试飞中并行试飞科目比例为31%,其中大部分为自然结冰、VMU、VMCG、VMCA等高风险试飞科目。在节省申请人试飞资源、促进型号取证进度的同时,牢把关键试飞科目和临界状态的审查关,充分展现了中国民航的责任担当。
问:适航取证对于航空器而言,意味着什么?
通常公众所说的适航取证是指飞机获得型号合格证(Type Certificate,TC)。现在C919所获得的就是型号合格证。
型号合格证是民机的行业准入证。为了获得型号合格证,C919设计方要向适航当局证明飞机设计符合中国民用航空规章的要求。在审定符合所有条款后,中国民航局才能颁发型号合格证。
型号合格证是民航局对飞机适航性的确认。颁发型号合格证意味着民航局确认C919飞机的设计满足适航标准的要求,飞机是适航的、安全的。
型号合格证也是民航局颁发给飞机产品的“入场券”,意味着C919飞机获得了参与民用航空运输活动的资格,我国大型客机向着交付运行的目标迈出了坚实一步。
根据《民用航空产品和零部件合格审定规定》(CCAR-21-R4),适航证(airworthiness certificate)是由适航当局根据民用航空器产品和零件合格审定的规定对民用航空器颁发的证明该航空器处于安全可用状态的证件。
问:C919大飞机,2015年总装下线,到现在颁证,和世界上同类飞机相比,这个速度如何?它的取证对于我们国家的大飞机产业有哪些影响?
Q1 取证所用的时间如何?
C919飞机于2010年10月28日提交TC申请,2015年11月2日第一架试飞机总装下线,2017年5月5日首飞成功,到2022年9月获得TC,取证历时12年,其中首飞到TC取证用时5年零5个月,总计试飞时间达到6736小时,局方试飞908小时。
从局方审定试飞的统计数据来看,从2021年1月开展首个审定试飞科目到2022年8月完成所有审定试飞,用时19个月,通过提高局方并行试飞比例,显著提高了试飞效率。
Q2 取证对于我国的大飞机产业有哪些影响?
一是构建了围绕C919飞机的国际、国内完整产业链
C919飞机是典型的高端复杂装备,研发所涉及的专业覆盖了大量学科,按照主流机型的研制经验,采用“主制造商-供应商”的研发模式。C919飞机由上百万个零部件组成,共计200余家供应商、数十万产业人员参与机载设备、机体结构件的研制与生产。
二是带动国内航空制造相关企业发展
国内C919产业链中,共有24个省市、1000多家企事业单位、近30万人参与了C919大型客机研制,包括宝钢在内的16家材料制造商和54家标准件制造商成为大型客机项目的供应商或潜在供应商。
C919的机体结构主要包括机头、前机身、中机身(含中央翼)、中后机身、后机身、外翼、垂尾、平尾、活动面等部段,由中国商飞公司自主设计,航空工业集团成飞、洪都、西飞、沈飞、哈飞、昌飞,航天特种材料及工艺技术研究所,浙江西子航空工业有限公司等单位共同制造,并由中国商飞公司负责总装。
对于国内参与飞机研制的航空制造企业,完整地经历C919设计和适航取证过程帮助企业建立了满足民用航空产品要求的设计研发体系,实现了产品研发与国际主流标准的接轨,培养了一大批懂民机、懂适航、懂市场的航空制造业人才,为后续国内航空制造业的进一步发展建立了良好的技术储备和人才队伍。
此外,C919飞机适航验证中大量的分析、试验工作带动了大量国内试验供应商的发展。C919飞机高寒试验使用了中国飞机强度研究所(623所)整机级气候环境实验室,提升了高寒试验效率与成功率,完成了国内大型整机级气候试验室的应用实践。C919飞机结冰风洞适航验证试验采用了中国空气动力研究与发展中心FL16冰风洞并完成验证,克服了我国自主研发冰风洞校准问题,是对我国自主研发冰风洞的一次国际对标,充分发挥了我国大尺寸结冰风洞在型号取证中的作用,体现了C919在国家科技进步发展中的引领作用。
民航业是经济社会发展重要的战略产业,特别是民机制造业,产业链条长,技术、资金、知识密集,对经济发展具有巨大的拉动作用。发展民机制造业,可以促进上下游科研、材料、工艺、制造、管理、客户服务与支持等基础能力和产业提升,带动和促进国产高端装备制造业的发展,形成与我国民航业发展相适应的国产民航产品研制体系,对推动经济发展方式转变、加快经济转型、培育发掘未来新的经济增长点具有重要意义。
三是深化国际合作
C919飞机的研制遵循了“主制造商+全球供应商”的模式,许多国外航空制造企业也参与其中。C919飞机的型号取证,不仅代表着C919型号设计符合了中国民航所颁布的适航规章的要求,也表明国内、国外参与C919研制的结构、材料、系统供应商在产品研制上的成功。
问:C919适航取证后还要多久才能真正投入到商业化运行中?旅客什么时候可以坐上我们的大飞机?
取得型号合格证(TC)意味着C919飞机即将进入批量生产阶段,中国商飞作为生产企业还要向中国民航局申请PC。PC是适航当局对飞机制造符合性的批准,“制造符合性”是指航空产品和零部件的制造、试验、安装等符合经批准的设计。PC主要是向适航当局证明上述取得TC的产品,在经过设计保证、工艺体系保证、质量体系保证、检验体系保证等一系列生产流程下,生产企业能够保证重复生产的能力。
获得了PC后,生产企业就可以开始批量生产,但生产出来的飞机还不能投入商业运行,还要再取得AC。AC是指适航当局对每架飞机制造符合性的批准,是在飞机生产完成后,正式交付给客户之前,由客户申请的一种适航证件。
一架飞机在获取TC、PC、AC之后还不能投入商业运行,还需进行最后一个阶段审查——民航局将依据《大型飞机公共航空运输承运人运行合格审定规则》(CCAR-121)等运行规章要求对航空公司进行运行合格审定,最后批准《运行规范》。
运行审定还需要大约100飞行小时的航线演示验证。
总的来说,一架飞机必须完整地走完TC-PC-AC-运行合格审定四个阶段,才能投入商业化运行。C919飞机已经走出了投入商业化运行最艰巨的一步,从主流机型的取证经验来看,TC取证时间占了四个阶段的主要部分,相信不需要多久,大家就能乘坐期待已久的C919飞机安全高效地出行。