民用飞机空中应急离机系统探讨
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摘 要：空中应急离机系统是飞行试验中保证机组人员安全的重要措施。本文对国外一些试飞机的空中应急离机系统进行介绍，并对空中应急离机系统的组成、设计思想和应急离机程序进行探讨。
中图分类号：V271.1 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2013）05（a）-0226-03
飞行试验是在真实飞行条件下进行产品试验的过程。飞行试验内容复杂，试飞架次多，发生事故的可能性大，特别是执行高风险科目，如包线扩展、颤振、失速等。因此，在试飞飞机上必须有足够的安全保障措施，保证飞机出现不可控的情况下试飞机组人员的安全。
按照CCAR-21-R3《民用航空产品和零部件合格审定规定》第35条“（四）除滑翔机或载人气球外，申请人应当证明每次飞行试验时，均采取了足够措施，以便于试飞组成员能应急离机和使用降落伞。”。美国联邦航空局（FAA）也提出必须考虑和论证试飞飞机已采取足够措施保障飞行机组成员人身安全，并作为开展各项飞行试验的硬性规定。
为了满足条款要求，需对试飞飞机安装空中应急离机系统。本文对国外一些试飞机的空中应急离机系统进行介绍，并对空中应急离机系统各子系统功能和应急离机程序进行探讨。
1 国外现状
国外的试飞飞机（尤其大型运输类飞机）都专门安装空中应急离机系统，具有较为成熟的理论基础和设计经验，以下介绍国外试飞飞机的空中应急离机系统[1]：
1.1 Ty-204
俄罗斯图波列夫上世纪80年代开发的Ty-204飞机上安装有1套由应急泄压装置、应急出口、声光告警和指示装置、辅助扶手以及跳伞拉绳钢缆等设备构成的空中应急离机系统。
此系统采用在客舱后部左右舷窗位置设计应急泄压活门，使用机械方式开启泄压活门进行泄压，大约10s就可以使舱内外压力平衡；在客舱前端靠近驾驶舱位置设计贯通飞机客舱的舱内开口，并在货舱右侧垂直向下位置设计舱外开口，使用液压方式驱动外部舱外开口口盖运动，舱外口盖向外向前开启，可以防止气流吹袭，在客舱内该口盖周围有栏杆和拉伞钢索，应急口周围有厚的橡皮覆盖，避免人员碰伤；执行离机程序时，声光告警和指示装置将及时发出相关指令，机组人员利用辅助扶手，通过舱内口盖进入货舱后从舱外口盖安全离机。
1.2 MD系列
美国MD公司依据FAA要求，在其各型试飞机上均安装有一套由爆炸或火工品切割方式开启的应急泄压和应急出口装置组成的空中应急离机系统。
应急泄压和应急出口装置由应急舱门、登机门或服务门改装而成，机长通过引爆预设炸药，在舱门位置炸出泄压孔进行泄压，泄压完成后，引爆舱门连接处炸药，将舱门打开并向外抛出，开辟逃生通道，供试飞组成员跳伞离机。
通常，发动机尾吊的飞机多借用飞机客舱门或服务门作为外部出口，发动机翼吊的飞机多在前货舱位置设置向下的外部出口。
2 系统设计原则
空中应急离机系统用于试飞出现紧急情况下机组人员逃生，属于试飞改装。借鉴国外应急离机系统设计经验，空中应急离机系统的设计应结合试飞机自身布置特点。一般来说，应急离机系统设计时应遵循以下原则：
a）系统和设备应能在飞机的温度、速度包线内正常工作；
b）系统的设计应考虑相应的环境条件，如：湿度、日光辐射、振动、淋雨、雷击、冲击和坠撞等因素的影响；
c）系统及设备应能在飞机机身机动过载包线范围内正常工作；
d）在爆炸性释压环境中可正常工作；
e）系统装机而导致的构型更改，不对飞机/系统功能或性能产生不可接受的影响；
f）自身提供工作所需电源或能源；
3 系统组成
空中应急离机系统主要由以下子系统组成：应急泄压子系统、应急通道子系统、应急离机指示子系统、应急离机辅助设备等，如图1所示。
3.1 应急泄压子系统
飞机在高空飞行时，舱内外存在较大的压差，如不进行泄压，直接开启应急出口将可能对人员身体产生不可逆转的影响。应急泄压子系统包括泄压口盖和泄压口盖开启装置。
a）泄压口盖
泄压口盖尺寸设计时应考虑飞机承载能力和应急泄压时人体耐受极限两方面因素。
1）CCAR25.365增压舱载荷
CCAR25.365中（e）条规定如下：“增压舱内部和外部的任何结构、组件或零件，如因其破坏而可能妨碍继续安全飞行和着陆时，则必须设计成能够承受在任何使用高度由于以下每一情况使任何舱室出现孔洞而引起的压力突降。
（1）发动机碎裂后发动机的一部分穿通了增压舱；
（2）在任何增压舱有尺寸不超过HO的任何孔洞，但对无法合理预期会局限于小舱室的孔洞，可以将小舱室与其相邻增压舱合并起来作为一个舱室考虑。尺寸HO须按下式计算：
式中：HO为最大孔洞面积，不超过1.86m2；
As为增压壳体垂直于纵轴的最大横截面积，单位：m2；
（3）未经表明是极不可能出现的由机或设备损坏而造成的最大孔洞。
泄压系统在空中需要尽快泄压，依据上述公式计算得到试飞机的最大孔洞面积。
2）人体耐受极限
“当降压特性参数一定时，减压时间即由V/A的比值（m3/m2）决定。在减压过程中，也可将肺看作一个类似的系统加以考虑，肺容积（cm3）及气管横截面积（mm2）分别相当于座舱减压系统中的V与A。Luft与Bancroft[2]在1956年确定人气管-肺系统的时间常数平均为0.559 s，相当于V/A比值为200的座舱减压系统。图2表示了座舱体积、破孔面积与时间常数的关系。他们认为，如座舱减压时，V/A比值小于人气管-肺系统的V/A比值，也即在图2中处于人气管-肺等效线右侧时，肺内将出现显著的一时性压力升高现象；反之，在等效线左侧时，则不论座舱内压力变化如何，肺内压都不会有明显的改变。所以这条等效线也可作为设计座舱门、窗最大面积的依据”。
根据试飞机座舱容积，按时间常数临界值或V/A=200等效值，得到试飞机允许最大爆破减压面积。
综上，根据增压舱载荷和人体耐受极限要求，试飞机泄压口尺寸应在增压舱载荷和座舱爆炸减压计算结果中取小值。
b）泄压口盖开启装置
目前，应急泄压系统口盖开启方式有采用火工品切割的方式，利用爆破力和内外压差，将切割后的口盖抛出飞机。采用该方式需要考虑应急泄压口盖抛出后轨迹对飞机的影响，避免与飞机相撞。
3.2 应急通道子系统
应急离机通道子系统是应急离机系统的核心部分，主要包括应急离机舱门和离机通道。该系统实现紧急情况下应急离机出口的快速开启，机组人员快速顺利通过离机通道逃离飞机。该系统主要有以下几点：
a）应急离机舱门
由于应急离机系统是试飞改装系统，在一定的条件下需要恢复飞机原本构型。因此，在选择应急离机舱门出口位置时，应考虑飞机改装量小，尽量利用飞机已有的舱门。
应急离机舱门开口一般有两种形式，侧门和下应急舱门，主要考虑人员跳伞时飞机的速度。舱门开口可以带有防气流吹袭装置，在跳伞时起到遮挡气流作用。对于无防气流吹袭装置的侧门和下应急舱门，最大允许跳伞速度分别为350 km/h和500 km/h；对于有防气流吹袭装置的侧门和下应急舱门，最大允许跳伞速度分别为450 km/h和600 km/h[3]。
应急离机舱门尺寸要能使机组人员顺利的离机。GJB2873-97《军事装备和设施的人机工程设计准则》规定飞行员和试飞员标准体重为75 kg，标准尺寸如下表1所示。对于侧门，舱门尺寸不小于1000 mm×700 mm；对于下应急门，舱门尺寸不小于800 mm×700 mm[3]，结合飞机舱门实际尺寸，以及地面试验情况，可适当减小应急离机舱门的尺寸要求。
b）离机通道
离机通道是保证机组人员能迅速顺利到达应急离机开口的重要通道。试飞机组人员通常包括试飞员和试飞工程师，应急离机通道的选择需有利于试飞员和试飞工程师共同离机，离机通道的宽度不小于500 mm[3]，通道上不应有障碍物。
3.3 应急离机指示子系统
应急离机指示系统包含语音指示系统和指示灯系统。
语音提示系统包括旅客广播话筒、飞行员手持话筒、悬臂式话筒耳机组、氧气面罩麦克风、音频控制板和客舱扬声器。试飞过程中飞机出现不可操纵或其它原因引起的必须让试飞组人员跳伞离机时，语音提示系统能够按照飞行员的操作及时进行应急广播，以便及时有效的通知试飞机组人员进行应急撤离，从而保障试飞人员的安全。该系统需要在空中应急泄压和舱门打开的情况下仍能让客舱内成员比较清楚地听见飞行员的指令。
指示灯系统包括：指示灯控制板和指示灯信号牌。该系统能够按照飞行员的操作及时进行灯光信号指示，有效指示试飞人员及时安全地跳伞离机，从而保障试飞人员的安全。指示灯由红、黄、绿三种颜色组成分别代表禁止跳伞、准备跳伞、可以跳伞三种状态。信号牌需安装在机上工作人员在整个离机过程中均可清晰看到的醒目位置，并且不易受损。
3.4 应急离机辅助设备
应急离机辅助设备包括；系统电源、机长离机提示按钮、辅助扶手。
应急离机系统使用独立的电源，保证在苛刻的条件下，系统仍能正常工作。机长离机提示按钮需安装在正副驾驶员均能方便控制的位置，保证可达性好。由于应急撤离时飞机姿态不稳定，辅助扶手能保证机组人员顺利到达逃生位置。
4 应急离机程序
应急离机需要机组人员在短时间内迅速逃离飞机，机组成员需按离机程序有序离机。在试飞过程中由机长判断是否需要空中应急离机，并启动应急离机程序，离机程序如图3所示。
a）机长
1）首先发出“紧急情况，准备离机”口令，并将接通“准备跳伞”信号灯，4000 m以上飞行时戴上氧气面罩，尽量控制飞机的高度和速度，保持平稳飞行；
2）发出“应急泄压”口令，关闭空调开关，按下应急卸压启动按钮，解除客舱气密，并打开应急离机出口；
3）确认其他人员到达应急离机出口，发出“准备跳伞”口令，把应急撤离跳伞指示灯接通为“跳伞”信号灯；
4）当操纵飞机，判断飞机恢复正常时，及时发出“停止跳伞”口令，并把应急撤离跳伞指示灯接通“禁止跳伞”信号；
5）在其他人员离机后，飞机仍无法挽救时，解开安全带-肩带、到应急离机出口处跳伞。
b）副驾驶
1）当机长发出“紧急情况，准备离机”口令后，4000 m以上飞行时打开空勤氧气面罩箱，戴上氧气面罩，同时通知客舱的机上工程技术人员戴上氧气面罩，并向地面指挥员报告飞机位置和飞行遇险情况；
2）在机长解除客舱气密后，向客舱内广播飞行高度和速度；
3）当机长发出“开始跳伞”口令后，解开安全带-肩带，离位到应急离机出口，确认其他人员是否到位并通知机长；
4）待试飞工程师全部离机后，跳伞逃生。
c）试飞工程师
1）当见到黄色“准备跳伞”信号灯亮或听到机长发出的“紧急情况，准备离机”口令后关闭仪器总电门；
2）解开安全带-肩带，4000 m以上飞行时听驾驶舱指挥戴上降落伞氧气面罩；
3）通过应急离机通道，到达应急离机出口等待开口打开，将降落伞拉绳挂钩挂上钢缆；
4）应急离机开口打开后，等待跳伞指令；
5）当见到绿色“跳伞”信号灯亮或听到机长发出的“开始跳伞”口令后，按离机动作要领跳伞；
6）当见到红色“停止跳伞”信号灯亮或听到机长发出的“停止跳伞”口令后，立即停止跳伞并等待命令，在获得机长同意后返回座位。
5 结语
本文介绍了一些国外成熟机型的空中应急离机系统，并探讨了空中应急离机系统各子系统的设计经验和应急离机程序，对试飞机组成员的职责进行了划分，为国内应急离机系统设计提供一定的借鉴。
参考文献
[1] 陈增江.民用飞机试飞安全要求[J].飞行试验，1993，9（3）：37-42.
[2] Luft UC，Bancroft RW. Transthoracic pressure in man during rapid decompression[J].The Journal of aviation medicine.1956；27（3）：208.
[3] 孙庆元.军用运输机空中应急离机试验验证方案探讨[J].飞行试验，2004，20（1）：25-29.