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民用航空器座舱高低温环境下适航符合性研究

  • 唐慧儒

    机 构：

    上海飞机设计研究院,上海 201210

    ×
  • ，李闯

    机 构：

    上海飞机设计研究院,上海 201210

    ×
  • ，李晗

    机 构：

    上海飞机设计研究院,上海 201210

    ×

上海飞机设计研究院,上海 201210；

Research on airworthiness compatibility of civil aircraft cabin under high or low temperature environment

  • TANG Huiru

    Affiliation：

    Shanghai Aircraft Design and Research Institute, Shanghai 201210 , China

    ×
  • ，LI Chuang

    Affiliation：

    Shanghai Aircraft Design and Research Institute, Shanghai 201210 , China

    ×
  • ，LI Han

    Affiliation：

    Shanghai Aircraft Design and Research Institute, Shanghai 201210 , China

    ×

Shanghai Aircraft Design and Research Institute, Shanghai 201210 , China；

作者简介:

唐慧儒,女,硕士研究生,工程师。主要研究方向:民用飞机空调系统。E-mail:tanghuiru@comac.cc;

李闯,男,硕士研究生,高级工程师。主要研究方向:民用飞机空调系统。E-mail:lichuang@comac.cc;

李晗,男,硕士研究生,高级工程师。主要研究方向:民用飞机空调系统。E-mail:lihan3@comac.cc

通讯作者:

唐慧儒,E-mail:tanghuiru@comac.cc

中图分类号:V245.3+4

文献标识码:A

DOI:10.19416/j.cnki.1674-9804.2021.02.020

参考文献 1
中国民用航空局航空器适航审定司.航空器型号合格审定程序:AP-21-AA-2011-03-R4[S].北京:中国民用航空局航空器适航审定司,2011.
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参考文献 2
中国民用航空局.中国民用航空规章第25部:运输类飞机适航标准:CCAR-25-R3[S].北京:中国民用航空局,2001.
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参考文献 3
汪光文,吴成云,杨智.民用客机座舱温、湿度限制等效安全研究与应用[J].民用飞机设计与研究,2014(3):31-34.
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参考文献 4
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参考文献 5
唐慧儒,闫旭东,简夕忠,等.民机ETOPS空调系统失效影响等级验证[J].科技视界,2016,6(18):12-13;15.
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参考文献 6
刘博,唐晓英,刘伟峰,等.人体核心温度的测量方法研究进展[J].北京:中国生物医学工程学报,2017,36(5):608-614.
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参考文献 7
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参考文献 8
寿荣中,何慧姗.飞行器环境控制[M].北京:北京航空航天大学出版社,2004:11-19.
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参考文献 9
蔡宇宏,蒋彦龙,蔡玉飞,等.民机客舱热载荷的数值计算[J].世界科技研究与发展,2010,32(6):794-797.
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参考文献 10
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参考文献 11
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参考文献 12
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参考文献 13
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参考文献 14
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参考文献 15
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参考文献 16
HUIZENGA C,HUI Z,ARENS E.A model of human physiology and comfort for assessing complex thermal environments [J].Building and Environment,2001,36(6):691-699.
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参考文献 17
TANABE S I,KOBAYASHI K,NAKANO J,et al.Evaluation of thermal comfort using combined multinode thermoregulation(65MN)and radiation models and computational fluid dynamics(CFD)[J].Energy and Buildings,2002,34(6):637-646.
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参考文献 18
FODA E,SIREN K.A new approach using the Pierce two-node model for different body parts [J].International Journal of Biometeorology,2011,55(4):519-532.
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参考文献 19
ISO.Ergonomics of the thermal environment—analytical determination and interpretation of heat stress using calculation of the predicted heat strain:ISO/FDIS7933[S].[S.l.:s.n.],2004.
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参考文献 20
吕石磊,朱能,孙丽婧.极端热环境热应力研究指标及评价[J].制冷学报,2006,27(4):45-49.
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参考文献 21
李闯,简夕忠.基于VB的民用飞机低温符合性验证模型[J].上海:科技视界,2014,14(18):46;153.
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目录contents

    摘要

    对民用航空器座舱高低温环境适航符合性开展分析。首先对座舱高低温环境适用的适航条款FAR/CCAR 25.831(g)和FAR/CCAR 25.1309(a)(b)(d)进行解读和分析;进一步得出基于人体核心温度的舱内可接受的高低温环境标准;随后,提出针对座舱高低温环境的适航符合性思路,包括:开展失效状态下座舱高低温环境预测,并以此为输入开展人体核心温度数值模拟计算,然后开展高低温环境下人体生理试验以验证人体核心温度模型数值模拟的准确性,最终依据外界环境温度-人体核心温度-生理指标-安全性指标的等效安全准则来说明对适航条款FAR/CCAR 25.831(g)和FAR/CCAR 25.1309(a)(b)(d)的符合性。

    Abstract

    This paper analyzes the airworthiness compliance of civil aircraft cabin in high or low temperature environment. Firstly, the airworthiness requirement of FAR/CCAR 25.831(g) and FAR/CCAR 25.1309 (a)(b)(d)clause applicable to high or low temperature environment in cabin were interpreted and analyzed. Furthermore, the acceptable standards of high or low temperature environment based on the core temperature of human body were obtained. Then, the idea of airworthiness compliance for high and low temperature environment of cockpit was put forward including: predicting the high or low temperature environment in cabin under failure conditions, and with this as the input, the core temperature of human body was simulated by simulation calculation, which can predict the core temperature of human body and evaluate the health of human body. Then the laboratory test for measuring the core temperature of the human body under the high or low temperature environment was carried out to verify the accuracy of numerical simulation of human core temperature model. Finally, the compliance of airworthiness clause FAR/CCAR 25.831(g) and FAR/CCAR 25.1309 (a)(b)(d) to airworthiness provisions was explained according to the equivalent security rules of external environment temperature human core temperature physiological index safety index.

  • 0 引言

  • 我国民用航空器在大规模生产及投入市场运营前,需通过适航审查获得中国民用航空局(简称CAAC)颁发的型号合格证,而进行型号合格审定过程中,申请人需根据型号取证目标,以中国民用航空局及其授权机构适用的适航规章和环境保护要求为基础,根据机型的设计特征,确定适用的条款,同时将美国联邦航空局(简称FAA)、欧洲航空安全局(简称EASA)规章的相关条款、修正案,按需作为专用条件或等效安全。为表明对适航要求的符合性,申请人通常需采用不同的方法,而这些方法统称为符合性验证方法(Means of Compliance,简称MOC)。目前共归纳出十种经适航当局认可的符合性方法,包括符合性说明、分析/计算、安全性评估、实验室试验等[1]。

  • 民用航空器空调系统的功能是为座舱提供经调节后的温度、压力适宜的新鲜空气,供飞行机组及乘客呼吸并维持舒适的座舱温度环境,当空调系统失效时,飞机将关闭空调系统,下降飞行高度,启用应急通风,外界冲压空气直接进入座舱,由于冲压空气流量和温度都无法调节,直接供入座舱不仅影响乘员的舒适性,更可能导致座舱温度环境出现温度过高或温度过低的情况,对乘员生命安全造成威胁,因此,申请人需通过特定符合性方法表明座舱高低温环境下对适航条款的符合性。

  • 1 适航背景

  • 适航标准是保证民用航空器适航性的最低安全标准,CCAR 25部是我国运输类飞机的适航标准。FAR 25部是美国的运输类飞机适航标准。其中,FAR/CCAR 25.831(g)条款规定了空调系统失效状态下座舱高温的限定范围,适航条款FAR/CCAR 25.831(g)要求[2]“任何概率很小的失效工况发生后,在给定温度下的持续时间不得超出下图曲线所规定的值”。

  • 图1 温度限制曲线

  • 适航条款FAR/CCAR 25.831(g)的目的在于,保证飞机通风系统失效情况下,飞机座舱内所能达到的温度和湿度不能对机组人员造成伤害。但制造商发现,在飞机下降和着陆时,无论在何种操作环境下,当通风系统失效时,舱内温度和湿度很难达到25.831(g)适航条款的要求,特别是在温暖或潮湿气候环境下,更难满足条款规定。因此,民用适航器存在无法直接验证适航条款FAR/CCAR 25.831(g)的情况[3-4]。

  • 针对FAR25.831(g)条款的符合性,FAA与波音、空客等飞机制造商就此条款如何开展符合性验证进行多轮协商,最终,FAA同意采用机械系统协调工作小组报告建议的、与适航条款FAR/CCAR 25.831(g)等效的安全法则[4-5]:(a)人体核心温度不能长期超过38℃;(b)人体核心温度在最后进场和着陆阶段不超过38.5℃,时间不超过20min;(c)任何时候,人体核心温度不能超过38.5℃。当前多数型号航空器均采用该等效安全法则进行分析表明其符合性。

  • 关于座舱低温环境,目前尚无明确的标准或规章定义在会导致环境温度降低的飞机系统失效状态下可接受的乘员低温生理限制,但适航当局认为申请人需表明对FAR/CCAR 25.1309(a)(b)(d)条款符合性,避免出现驾驶舱和客舱的环境温度极低,影响机组人员身体健康和思考能力而不能正常完成执飞任务。

  • 适航条款FAR/CCAR 25.1309[2]作为一个通用要求,可适用于任何安装的设备或系统。

  • 许多医学著作指出,当人体核心温度降至低于35℃(95)时,开始出现低温症,但CAAC担心现有数据主要是通过对年轻军人的观察和试验获得,且考虑到婴儿和老人更容易受到低温的影响,因此认为申请人必须保证发生对座舱环境产生不利影响的未经表明是极不可能的失效状态后,在任何稳态飞行阶段不会导致人体核心温度降至低于36℃(96.8),是证明符合25.1309(a)(b)( d)的可接受的方法。

  • 2 人体核心温度

  • 人体核心温度指的是包括大脑等重要器官在内的人体内部温度[6],核心温度超过一定限定值将严重影响人体的身体健康和工作可靠性。

  • 根据2003年MSHWG(Mechanical Systems Harmonization Working Group)基于25.831(g)条款的研究结果[4],人体核心温度升高对机组和乘客的生理影响以及对飞行安全的影响如表1所示;根据Gernot Kuhnen博士研究内容,人体核心温度降低对机组和乘客的生理影响以及对飞行安全的影响如表2所示,其中飞行安全影响等级定义如表3所示[7]。

  • 表1 座舱高温环境对人员的影响

  • 表2 座舱低温环境对人员的影响

  • 表3 民用航空器飞行安全影响等级定义

  • 综上所述,人体核心温度可作为衡量人的工作效率和生理安全的一个关键指标。基于人体核心温度的舱内可接受的高低温环境标准,是一种可行性强的等效安全分析方法。

  • 3 适航符合性思路

  • 民用航空器申请人针对座舱高低温环境的适航审定,可从以下几方面开展工作。

  • 3.1 失效状态下座舱高低温环境预测

  • 根据安全性分析,识别空调系统失效会导致座舱出现高低温环境的失效状态,评估不同失效状态发生的概率及对应的座舱温度变化。座舱温度变化需进行座舱热载荷计算,飞机座舱无论在飞行还是地面停机状态,都会与周围环境进行热交换。座舱热载荷包括有太阳辐射热载荷、机身传入舱内热载荷、座舱结构壁热载荷、舱内热载荷、供气热载荷[8-9]。座舱热载荷分为稳态下热载荷及瞬态下热载荷计算,本文需得到座舱温度随时间变化值,因此需计算瞬态热载荷,舱内瞬态热载荷计算方法如公式(1)所示。

  • φfiselage +φinner-vall +φsolar +φinside +φbleed =Vρ×Cp×dTdt
    (1)

  • 其中:

  • φfuselage:机身传入舱内热载荷,W;

  • φinner-wall:座舱结构壁热载荷,W;

  • φsolar:太阳辐射热载荷,W;

  • φinside:舱内热载荷,W;

  • φbleed:供气热载荷,W;

  • V:舱内空气体积,m3;

  • ρ:空气密度,kg/m3;

  • Cp:空气质量定压热容,J/(kg·℃);

  • dTdt:空气温度变化率。

  • 根据上述公式可计算得出座舱温度随时间变化曲线,座舱温度变化是影响人体核心温度的重要因素。

  • 3.2 开展人体核心温度仿真计算

  • 为准确预测在不同座舱温湿度环境下人体核心温度的变化,需借助人体热调节数学模型开展仿真分析。关于人体热调节模型,早期大多由国外学者建立,表4罗列了国外不同时期具代表性的人体热调节模型的发展。

  • 表4 人体热调节数学模型

  • 申请者需根据模型适用范围、准确性和成熟度选择合适的人体热调节数学模型,根据中国人群特点和极端环境条件进行修正改进,并结合数值模拟等手段建立起相应的局方认可的计算分析程序,同时根据实验室人体核心温度试验测量数据进行修正,另外,该模型需可对试验室无法开展的极高、极低温环境人体核心温度(由于医学伦理限制无法开展试验)通过仿真计算进行外推,实现不同温度湿度组合下人体核心温度预测及人员安全性评估,作为适航条款FAR/CCAR 25.831(g)和FAR/CCAR 25.1309条款等效安全验证的有力支撑。

  • 目前已得到局方认可的人体核心温度计算方法为ISO/FDIS7933《Ergonomics of the thermal environment—Analytical determination and interpretation of heat stress using calculation of the predicted heat strain》[19],该标准基于出汗率的计算方法,分析热环境中不同的特性参数对人体的热应力影响。人体核心温度可通过人体热平衡方程求解,方程表达式如下:

  • M-W=Cres+Eres+K+C+R+E+S
    (2)

  • 其中,

  • M为人体新陈代谢率,W/m2;

  • W为有效机械功,W/m2;

  • C为感受到的皮肤处的对流换热,W/m2;

  • R为感受到的皮肤处的辐射换热,W/m2;

  • K为皮肤处的导热热流,W/m2;

  • E为皮肤处蒸发的总散热热流,W/m2;

  • Cres为呼吸作用引起的对流散热热流,W/m2;

  • Eres为呼吸作用引起的蒸发散热热流,W/m2;

  • S为人体的热存储,W/m2。

  • 通过该方程可计算出人体热存储值S,它决定着人体核心温度的大小[19-21]。人体核心温度的详细计算过程可参考文献[11]的附件A。

  • 值得注意的是,ISO/FDIS7933的人体核心温度计算方法仅适用于高温环境,低温环境下不适用,目前尚未查询到公开的局方认可的适用于低温环境的人体核心温度计算方法标准。

  • 3.3 开展高低温环境实验室人体核心温度试验

  • 由于人体温度调节机理错综复杂,人体热调节数学模型预测还不能做到完全准确,因此需要开展人体热生理试验,通过试验对数学模型进行验证和校准。

  • 首先建立可调节温度的高低温环境试验室,试验室需可模拟3.1节的座舱温度变化,模拟飞机座舱可能面临的极端高低温环境。根据相关机型经验,在热天完全丧失新鲜空气的失效工况下座舱面临极端高温环境,座舱温度最高可达40℃~50℃,在冷天双侧空调组件失效采用应急通风时,座舱可能面临极端低温环境,座舱温度最低可到-20℃~30℃,因此高低温环境实验室需温度和湿度参数可控,温度控制范围可覆盖极端高低温环境区间。同时在试验室内建立一套人体核心温度测试试验台架,可实时监测处于特定高低温环境下试验人员的心率、新陈代谢率、核心温度、皮肤温度、血氧饱和度等生理指标,人体生理实验需考虑不同年龄、性别的受试者在不同的温湿度工况下的实验组合,最终测量结果用以验证人体核心温度模型数值模拟的准确性,并建立人体核心温度试验数据库,分析不同座舱温度环境下人体核心温度数值并评价其生理反应,根据统计的生理反应确定危险等级,验证表1及表2的正确性。

  • 根据参考文献[6],目前国内外有多种直接或间接测量人体核心温度的方法。其中直接测量方法包括核磁测量、直肠测量、耳蜗测量、食道测量、肺动脉测量等;间接估算方法包括有体表温度估算法及其它数据估算法。各种测量/计算方法在准确性、便携性、成本、安全性等方面不尽相同。

  • 目前已知一种用来检测宇航员身体的人体核心温度测量方法,通过将一次性无线传感器装在胶囊里,由受试者服用后进入人体的胃肠道,传感器通过无线电将信息传输到无线接收器中,实时监测人体核心温度,无线接收器可显示实时温度和存储数据,并可以下载和分析数据,系统配有报警装置,当受试者的体温或心率到达设定的最低或最高值时将发出警报声。一次性胶囊式传感器对人体无害,已通过美国食品及药品监管局注册认证[6]。

  • 4 总结

  • 本文对民用航空器座舱高低温环境适航符合性开展分析,通过对座舱高低温环境适用的适航条款FAR/CCAR 25.831(g)和FAR/CCAR 25.1309进行解读和分析,进一步得出基于人体核心温度的舱内可接受的高低温环境标准,随后,提出针对座舱高低温环境适航符合性思路,包括识别导致座舱高低温的失效状态,模拟计算失效状态下座舱温度变化,并以此为输入开展人体核心温度数值模拟计算,然后开展高低温环境下人体生理试验以验证人体核心温度模型数值模拟的准确性,最终依据外界环境温度-人体核心温度-生理指标-安全性指标的等效安全准则来说明对座舱高低温环境的适航符合性。本文内容可对民用航空器适航取证提供参考。

  • 参考文献

    • [1] 中国民用航空局航空器适航审定司.航空器型号合格审定程序:AP-21-AA-2011-03-R4[S].北京:中国民用航空局航空器适航审定司,2011.

    • [2] 中国民用航空局.中国民用航空规章第25部:运输类飞机适航标准:CCAR-25-R3[S].北京:中国民用航空局,2001.

    • [3] 汪光文,吴成云,杨智.民用客机座舱温、湿度限制等效安全研究与应用[J].民用飞机设计与研究,2014(3):31-34.

    • [4] Mechanical Systems Harmonization Working Group(MSHWG).Mechanical systems harmonization working group final report on FAR/JAR 25.831(g)[R].[S.l.:s.n.],2003.

    • [5] 唐慧儒,闫旭东,简夕忠,等.民机ETOPS空调系统失效影响等级验证[J].科技视界,2016,6(18):12-13;15.

    • [6] 刘博,唐晓英,刘伟峰,等.人体核心温度的测量方法研究进展[J].北京:中国生物医学工程学报,2017,36(5):608-614.

    • [7] SAE.Guidelines and methods for conducting the safety assessment process on civil airborne systems and equipment:SAE ARP4761[S].U.S.:SAE,1996.

    • [8] 寿荣中,何慧姗.飞行器环境控制[M].北京:北京航空航天大学出版社,2004:11-19.

    • [9] 蔡宇宏,蒋彦龙,蔡玉飞,等.民机客舱热载荷的数值计算[J].世界科技研究与发展,2010,32(6):794-797.

    • [10] CROSBIE R J,HARDY J D.FESSENDEN E.Electrical analog simulation of temperature regulation in man [J].IRE Transactions on Bio-Medical Electronics,1961,8(4):245-252.

    • [11] 袁修干.人体热调节系统的数学模拟[M].北京:北京航空航天大学出版社,2005.

    • [12] STOLWIJK J A J,HARDY J D.Temperature regulation in man—a theoretical study [J].Pflüger's Archiv für die gesamte Physiologie des Menschen und der Tiere,1966,291(2):129-162.

    • [13] KRANING K K,GONZALEZ R R.A mechanistic computer simulation of human work in heat that accounts for physical and physiological effects of clothing,aerobic fitness,and progressive dehydration [J].Journal of thermal biology,1997,22(4-5):331-342.

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    • [16] HUIZENGA C,HUI Z,ARENS E.A model of human physiology and comfort for assessing complex thermal environments [J].Building and Environment,2001,36(6):691-699.

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    • [19] ISO.Ergonomics of the thermal environment—analytical determination and interpretation of heat stress using calculation of the predicted heat strain:ISO/FDIS7933[S].[S.l.:s.n.],2004.

    • [20] 吕石磊,朱能,孙丽婧.极端热环境热应力研究指标及评价[J].制冷学报,2006,27(4):45-49.

    • [21] 李闯,简夕忠.基于VB的民用飞机低温符合性验证模型[J].上海:科技视界,2014,14(18):46;153.

  • 基本信息

    中图分类号: V245.3+4
    文献标识码: A
    DOI: 10.19416/j.cnki.1674-9804.2021.02.020

    基金信息

    引用信息

    唐慧儒,李闯,李晗.民用航空器座舱高低温环境下适航符合性研究[J].民用飞机设计与研究,2021(2):124-129.

    TANG H R, LI C, LI H. Research on airworthiness compatibility of civil aircraft cabin under high or low temperature environment[J].Civil Aircraft Design and Research,2021(2):124-129(in Chinese).

    稿件历史

  • 参考文献

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    • [7] SAE.Guidelines and methods for conducting the safety assessment process on civil airborne systems and equipment:SAE ARP4761[S].U.S.:SAE,1996.

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    • [10] CROSBIE R J,HARDY J D.FESSENDEN E.Electrical analog simulation of temperature regulation in man [J].IRE Transactions on Bio-Medical Electronics,1961,8(4):245-252.

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    • [13] KRANING K K,GONZALEZ R R.A mechanistic computer simulation of human work in heat that accounts for physical and physiological effects of clothing,aerobic fitness,and progressive dehydration [J].Journal of thermal biology,1997,22(4-5):331-342.

    • [14] XU X,WERNER J.A dynamic model of the human/clothing/environment-system [J].Applied human science,1997,16(2):61-75.

    • [15] FIALA D,LOMAS K J,STOHRER M.Computer prediction of human thermoregulatory and temperature responses to a wide range of environmental conditions [J].International journal of biometeorology,2001,45(3):143-159.

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