某型四座电动飞机除雾系统设计与适航验证

Design and airworthiness verification of the defogging system for a certain type of four-seat electric aircraft

摘要

为了使某型四座电动飞机驾驶舱除雾系统满足适航要求，依据CCAR23.773（b）条款，给出了驾驶舱除雾系统的初始设计方案。根据条款的符合性验证思路，设计了除雾地面试验方法和试验步骤。通过开展除雾系统的符合性验证工作，依据试验结果对除雾系统的初始方案进行改进，并对除雾系统的试验方案进行优化，最终得到满足适航要求的验证结果，完成了适航验证工作。该驾驶舱除雾系统和验证过程不仅为后续其他型号的设计和适航提供了参考，还为从事相关工作的设计人员和适航审查人员提供借鉴。

Abstract

To enable the cockpit defogging system of a certain type of four-seater electric aircraft to meet the airworthiness requirements.According to CCAR23.773（b）， the initial design scheme of the cockpit defogging system was given.According to the idea of compliance verification of the provisions， method and steps of the ground test for defogging were designed. By carrying out the compliance verification of the defogging system， the initial scheme of the defogging system was improved based on the test results， and the test scheme of the defogging system was optimized. Finally， the verification results of meeting the airworthiness requirements were obtained， and the airworthiness verification work was completed. The cockpit defogging system and verification process studied can not only provide references for the subsequent design and airworthiness of other models， but also play a certain reference role for designers and airworthiness inspectors engaged in related work.

Graphical abstract

关键词

四座电动飞机 / 除雾系统 / 驾驶舱 / CCAR23.773（b） / 适航验证

Key words

four-seater electric aircraft / defogging system / cockpit / CCAR23.773（b） / airworthiness verification

民用飞机的适航性是指在预期运行环境和使用限制下， 航空器各部件及子系统的整体性能和操纵特性满足安全性和物理完整性的一种品质^［1］。适航标准是保证民用飞机适航性的最低安全标准。因此，民用飞机的设计是否满足适航要求，必须验证其是否满足所采用适航标准中的每一条款要求。

近年来，国内外学者已对飞机风挡除雾系统设计与验证进行了相关研究。在防雾设计与验证方面，白斌等^［2］分析了民机风挡防雾试飞环境，明确了温度、湿度等关键影响参数。瑚洋等^［3］基于适航标准研究了风挡加温系统控制方式，提出了满足适航要求的加热控制策略。赵利利等^［4］借助模拟器试验开展了驾驶舱排烟的飞行试验验证，其验证思路可用于除雾效果评估。柯梦圆^［5］和胥晶晶^［6］分别对热气除雾及挡风玻璃除雾机理进行了深入分析，揭示了结雾形成的热湿耦合机理。在驾驶舱通风与除雾的耦合关系方面，陈燮阳等^［7］研究了不同送风方式对舱内气流分布的影响，指出送风角度和风量分配是影响环境均匀性的重要因素。还有学者通过数值方法分析了驾驶舱微环境^［8］及非稳态供气下的瞬态流场特性^［9］，揭示了气流组织与湿空气扩散的关联规律。Nagano等^［10］提出了基于湿度分布控制的双层通风器除雾方法，通过优化气流组织在降低通风负荷的同时保证了除雾效果。Ong等^［11］探索了低功耗声表面波除雾新技术，为电动飞机除雾设计提供了新思路。Shi等^［12］针对极地航行器驾驶舱，采用计算流体力学与逼近理想解排序算法优化了兼顾舒适与除雾的通风参数。在座舱湿度建模与节能通风策略方面也取得了新进展，Teleszewski等^［13］基于飞行测试建立了客机座舱湿度一维模型，为除雾工况边界设定提供了依据。Wei等^［14］采用本征正交分解方法快速优化了座舱水蒸气加湿参数，计算效率提升95%以上。Liu等^［15］发现脉冲混合通风可降低呼吸区空气龄48.5%，同时节能15%~20%，为电动飞机低功耗通风除雾设计提供了新思路。总体来看，现有的研究覆盖了除雾机理、通风设计及部分适航验证方法，但针对四座电动飞机的低功耗除雾系统设计及其适航符合性验证流程仍缺少系统性研究。

因此，本文重点开展某型四座电动飞机除雾系统设计与适航验证工作。以某型四座电动飞机的驾驶舱除雾系统为例，阐述了CCAR23.773（b）条款的内容和采用地面试验的方法验证其对条款的符合性验证思路，并给出了驾驶舱除雾系统的初始设计方案和除雾地面试验的设计方案，基于此开展了除雾系统的符合性验证工作，并依据验证结果改进除雾系统的构型，优化试验方法，最终得到了满足适航要求的验证结果。

1 驾驶舱除雾的适航要求

1.1 适航条款内容

CCAR23（R4）《正常类、实用类、特技类和通勤类飞机适航规定》^［16］是国产通航飞机研制过程中必须遵守的适航规章，其第23.773条驾驶舱视界（b）条款对飞机驾驶舱内除雾能力提出了要求，具体条款内容如下：每个驾驶舱必须有措施清除风挡和侧窗内侧上的雾或霜，或有措施防止雾或霜的形成，以提供足够大、符合本条（a）（1）规定的视界。必须表明在所有预期的外部和内部使用环境条件下都能符合该要求，除非表明驾驶员能够很容易地将风挡和侧窗清除干净而不影响正常飞行。

1.2 符合性验证思路

在符合性验证中，为了提供足够的证据资料以表明条款的符合性，通常选取一种或多种方法的组合方式来满足条款的要求，这些方法统称为符合性方法，并赋予相应的代码MOC0— MOC9^［17］。飞机驾驶舱除雾功能的符合性验证方法采用MOC5地面试验的方法表明对适航条款的符合性，通过地面除雾试验，验证驾驶舱除雾系统能够在较短的时间内除去风挡和侧窗上形成的雾，并且在起雾条件下可以防止雾的形成，不影响飞行员视野。

2 驾驶舱除雾系统初始设计

本文所述飞机的驾驶舱除雾系统示意图如图1所示。空气通过机身底部进风口将气流吸入，气流通过阻燃通风管引向除雾出风盒，引入的气流使风挡表面内外温度保持一致，避免雾气凝结，实现驾驶舱除雾功能。

3 符合性验证试验设计

3.1 试验方法

为了模拟风挡和侧窗起雾的情况，设计了一套蒸气发生装置，将装有电水壶的封闭箱体放置在飞机左驾驶位上，把电水壶内的水烧开并产生水蒸气，水蒸气通过蒸气导管的出气孔引至风挡表面，使风挡和窗产生雾气并达到试验要求，蒸气发生装置示意图如图2所示。

试验过程中，为了判断风挡表面的雾气情况，在飞机正前方10 m处设置标志图板，飞行员通过目视标志图板的清晰度判断风挡表面雾气是否达到试验要求，标志图板如图3所示。标志图板宽440 mm，高355 mm，图3中跑道宽度为150 mm，模拟飞机在距离跑道2 km处，下滑对准30 m宽的机场跑道。

驾驶舱内顶部安装运动摄像机，记录风挡和侧窗产生雾气和去除雾气的过程，标志图板和运动摄像机布置示意图如图4所示。

3.2 试验测量设备

试验中使用的测量设备如表1所示，所有设备需要进行校准且日期在有效期内。

3.3 试验步骤

试验步骤如下：

1）将飞机停放至室外停机坪，刹车处于驻留位置，轮胎前后放置轮挡；

2）将标志图板放置在机头前方；

3）用清水清洁风挡玻璃，并用棉布擦干；

4）电水壶中准备约1.5 L清水，并连接好电源；

5）记录员用数字温湿度计读取机场温、湿度，用大气数据测试仪测量机场场压，并记录；

6）操作员进入驾驶舱右驾驶位，确认飞机接电正常，具备地面开车条件；

7）记录员进入飞机后排座位，准备计时、记录数据、摄像和拍照记录；

8）操作员关闭全部舱门，打开电水壶开关，待水壶烧开后，水蒸气从蒸气导管出气孔喷出，水蒸气在风挡凝结成雾；

9）操作员观察到风挡被雾布满后，向驾驶舱正前方观察，当无法分辨出前方标志图板的跑道编号和跑道边界时，关闭水壶开关；

10）操作员开启飞机动力开关，按照动力仪表转速显示，保持螺旋桨转速至1 900±20 r/min；

11）记录员用秒表开始计时，并记录当前动力仪表转速；

12）当风挡雾气逐渐减少到刚好可以分辨出前方标志图板的跑道编号和跑道边界后，记录员记录秒表时间；

13）当风挡全部恢复透明时，记录员停表并记录时间；

14）操作员打开电水壶开关，在开车条件下观察风挡上雾情况，持续10 min，每隔2 min记录风挡上雾情况；

15）记录员用相机拍照记录，摄像机持续录像；

16）操作员关闭飞机动力开关，试验结束。

3.4 试验成功判据

1）从开车通风到雾除尽耗时不超过6 min；

2）持续10 min起雾条件下，操作员始终可以分辨出标志图板的跑道编号和跑道边界。

4 符合性验证试验实施

4.1 第一次试验

试验前，制造检查代表对飞机除雾通风相关的零部件、试验人员资质、试验测量设备等进行了制造符合性检查，检查结果均满足试验大纲要求。根据经审查代表批准的试验大纲，以初始的设计状态和试验方法进行第一次试验，试验时的环境温度为21.1 ℃、湿度为50.7％、场压为100.56 kPa，均满足大纲要求。

图5为除雾试验时风挡的雾气情况，试验开始后，风挡开始凝结雾气，但风挡上部两侧始终有未上雾区域，如图5a所示，并且在此状态下6 min后，风挡下部仍有部分区域雾未除尽。进行第二阶段持续除雾试验时，在10 min持续除雾试验中，风挡下部靠近蒸气导管的附近始终有雾存在，如图5b所示。以上试验结果不满足试验合格判据，此次试验失败。

根据试验现象和试验结果，此次试验失败的主要原因为环境温度过高（21 ℃），同时蒸气导管布置不合理，风挡无法较均匀地上雾，局部雾气过于集中形成水珠，致使由除雾出风口吹出的气流不能使其蒸发。

根据失败原因对除雾试验进行在不同环境温度下的摸底试验，图6为除雾通风口调整情况，试验中发现如下问题：1）环境温度在12 ℃以下时风挡可以均匀上雾，且可以不通过导管来输送蒸气；2）风挡中间区域除雾较快，但两侧除雾所需时间较长，主要原因是两侧的除雾出风口出风量比中间的出风口小。为了确定出风口尺寸，在摸底试验中重新调整除雾出风口尺寸，并在除雾出风口增加可调节的挡板，通过调节挡板开合的大小，调节出风口的大小，观察风挡不同区域的除雾速度，如图6a所示；3）在关闭第二、四出风口后，如图6b所示，两侧出风口的出风速度得到了明显提高，风挡两侧的除雾速度能达到试验要求。

根据以上摸底试验的结果，确定整改措施如下：

1）选择合适的起雾环境条件，设置试验环境温度低于12 ℃，使风挡可以较均匀地上满雾；

2）改进蒸气发生装置，取消电水壶封闭箱体和蒸气导管，使蒸气能更均匀地扩散形成雾，避免出现水蒸气聚集；

3）电水壶放置在飞机中控台上；

4）更改除雾出风口形式，封闭第二、四出风口，优化出风口出风速度；

5）两名飞行员分别坐在飞机左、右驾驶位，分别记录试验过程。

4.2 第二次试验

根据改进措施，对试验件进行设计更改、制造和安装，并修改试验大纲。审查代表批准了修改后的试验大纲，制造检查代表依据新版大纲进行试验前的制造符合性检查。

根据批准的试验大纲，对实施更改状态的除雾系统，按照优化的试验方法进行了第二次试验，试验时的环境温度为-4.6 ℃、湿度为28.7％、场压为101.553 kPa，均满足大纲要求。

试验开始后，电水壶通电加热约3 min后热水沸腾，打开水壶盖开始上雾，1 min 10 s后风挡满雾，飞行员无法分辨标志图板的信息，达到大纲要求。

第一阶段除雾试验开始后，风挡上的雾由通风口附近往周边扩散逐渐消失；0 min 56 s后，跑道编号、边界清晰可见，不影响前方观察视野；1 min 49 s后，1/2风挡表面的雾完全除尽，大致呈圆弧状；2 min 20 s后，仅风挡上沿、两侧靠近边缘8 mm范围内还有残留雾；3 min 20 s后，仅风挡上沿右侧局部有残留雾，约10 mm×40 mm；3 min 45 s后，风挡和侧窗玻璃表面恢复透明，风挡和侧窗玻璃表面雾气恢复情况如图7所示，标志图板信息清晰可见，完全不影响飞行。第二阶段持续除雾试验，10 min连续起雾后，风挡和侧窗玻璃全程清晰可见，飞行员视野良好。

试验过程中风挡附近的温度变化如表2所示，温差变化在1.4~4.7 ℃，温度变化平缓，因此，试验过程中电水壶蒸气不会使风挡附近的温度明显升高，不会对除雾试验产生不利影响。

综上所述，试验结果满足试验判据，驾驶舱除雾试验成功。

5 结论

本文通过某型电动飞机的驾驶舱地面除雾试验对CCAR23.773（b）条款的符合性进行了验证，表明了该飞机除雾系统设计构型的有效性和该试验方法的合理性。通过本文的研究，得到了以下结论：

1）在驾驶舱内采用独立的电水壶加热方式，可以在驾驶舱风挡上产生均匀扩散的雾气，而且不会出现水蒸气聚集现象，可以为驾驶舱除雾试验提供产生雾气的条件；电水壶蒸气不会使风挡附近的温度明显升高，对驾驶舱除雾试验结果不产生影响。

2）优化后的除雾系统能够在较短的时间内除去风挡和侧窗上的雾，并且在起雾条件下可以预防雾的形成，为飞行员提供足够大的飞行视界，符合CCAR23.773条款的要求，最终通过适航验证。

3）本文设计的驾驶舱除雾系统和驾驶舱除雾试验可以为通用航空飞机在驾驶舱除雾系统上的设计、验证和适航审查等方面提供参考。

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基金资助

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