中國大涵道比渦扇發(fā)動機(jī)適航技術(shù)初步研究

張丹玲，郝 勇，王德友，李紅兵

（1.中航工業(yè)沈陽發(fā)動機(jī)設(shè)計研究所，沈陽 110015；2.空裝重點(diǎn)型號部試飛試航室，北京 110001）

0 引言

適航定義為航空器能在預(yù)期環(huán)境中安全飛行的固有品質(zhì)。大涵道比渦扇發(fā)動機(jī)不管是軍用還是民用，只要載人，就要求具備高安全性，就要滿足適航性要求。軍用發(fā)動機(jī)故障引起的飛機(jī)嚴(yán)重?fù)p失率為10-5次/發(fā)動機(jī)飛行小時，適航則要求所有危險性發(fā)動機(jī)影響故障模式發(fā)生的概率總和為10-7次/發(fā)動機(jī)飛行小時，或單項危險性故障模式發(fā)生的概率為10-8次/發(fā)動機(jī)飛行小時[1]。顯然適航技術(shù)研究與應(yīng)用，使得發(fā)動機(jī)在設(shè)計之初就要考慮其安全性。

中國在20世紀(jì)70年代末成立工程司，開始著手適航審定管理，并參照美國民用航空條例（FAR）制定了中國民用航空條例（CCAR）等適航標(biāo)準(zhǔn)；2003年開始對ARJ21飛機(jī)進(jìn)行適航審定；目前正在籌建發(fā)動機(jī)適航審定中心，但尚未建立完備的適航審定體系。從發(fā)動機(jī)設(shè)計角度出發(fā)，如何將適航技術(shù)轉(zhuǎn)化為設(shè)計經(jīng)驗，仍需要進(jìn)行大量創(chuàng)新，具有探索意義。

1 大涵道比渦扇發(fā)動機(jī)適航技術(shù)概述

目前國際上普遍采用的適航體系主要包括美國的 FAA（Federal Aviation Administration）和歐盟的EASA（European Aviation Safety Authority）。對航空發(fā)動機(jī)來說，2種適航體系對應(yīng)的適航規(guī)章分別為聯(lián)邦航空條例FAR-33以及發(fā)動機(jī)合格證規(guī)范CS-E（Certification Specifications-Engine）。二者在審定分析方法和驗證方法上大同小異，都是源于對安全分析的深入理解；不同之處在于FAA更強(qiáng)調(diào)分析文件的完備性和正確性，強(qiáng)調(diào)驗證試驗的現(xiàn)場目擊、替代性分析和驗證方法；而EASA則更強(qiáng)調(diào)質(zhì)量保證體系的完備性和邏輯支持關(guān)系。

民用航空發(fā)動機(jī)適航審定的內(nèi)容包括影響飛機(jī)動力裝置和輔助動力裝置相關(guān)系統(tǒng)的所有問題，以及動力裝置系統(tǒng)和部件的設(shè)計、制造、試驗、功能、可靠性是否符合規(guī)章的要求。在發(fā)動機(jī)研制過程中，申請者需要完成所有適航性驗證工作，以滿足該發(fā)動機(jī)性能規(guī)范和適航性審查準(zhǔn)則的要求。

軍用航空發(fā)動機(jī)適航性是保證軍用航空器在預(yù)期軍事用途和使用條件下安全地實現(xiàn)、保持和完成飛行和終止飛行的特性。軍用航空發(fā)動機(jī)的適航審查主體是使用方，依據(jù)適航審查基礎(chǔ)規(guī)定要求進(jìn)行適航審查。審查準(zhǔn)則的條款內(nèi)容，是以軍用標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范要求為基礎(chǔ)，適當(dāng)引用民用航空適航條款要求而制定。適航要求此時不再是法律法規(guī)，但要求承制方滿足用戶對安全的完整性需求。

中國大涵道比渦扇發(fā)動機(jī)在研制過程中借鑒以往渦扇發(fā)動機(jī)的研制經(jīng)驗，同時引進(jìn)適航技術(shù)及先進(jìn)理念。在設(shè)計上保持設(shè)計體系不變，同時參考CCAR-33部“航空發(fā)動機(jī)適航規(guī)定”，將適航要求加入到設(shè)計規(guī)范中，開展適航性設(shè)計。從驗證規(guī)劃和試驗項目上，綜合考慮國軍標(biāo)以及CCAR-33部規(guī)定的考核試驗和可靠性試驗，以及部分研究性、摸底性試驗等。在此過程中，由于引入適航要求，會沖擊原有設(shè)計體系。有些要求在國軍標(biāo)有相同規(guī)定，有些則不同，這不僅僅是指標(biāo)高低的區(qū)別，而是設(shè)計目的和側(cè)重點(diǎn)的差異。需要通過對比研究和深入理解，開展中國大涵道比渦扇發(fā)動機(jī)研制工作。

2 中國大涵道比渦扇發(fā)動機(jī)適航技術(shù)應(yīng)用

本文探討的是軍用大涵道比渦扇發(fā)動機(jī)的適航，不存在取證問題，將審定統(tǒng)稱為審查。適航審查是過程控制，對質(zhì)量體系起優(yōu)化作用。直接參與單位是軍方和承制方，同時需要不同領(lǐng)域的專家組成專家組，共同研究相關(guān)技術(shù)問題。在明確適航工作思路后，需要設(shè)定工作流程，分階段完成。民用航空器合格審定程序分5個階段：申請、受理、審查、頒證和證后管理。針對中國軍用發(fā)動機(jī)的研制情況，把發(fā)動機(jī)適航工作分為以下3個階段。

2.1 審查基礎(chǔ)和審查計劃階段

審查基礎(chǔ)和審查計劃是審查過程的核心，在發(fā)動機(jī)研制初期，開始制定審查計劃，并確定審查基礎(chǔ)。二者都由發(fā)動機(jī)研制方起草，由審查方進(jìn)行評審和確認(rèn)。

結(jié)合適航審查工作計劃，形成初步適航工作大綱，內(nèi)容包括適航工作的基本原則、適航設(shè)計要求、適航設(shè)計與驗證流程、審查基礎(chǔ)的制定原則和適航工作計劃等。

審查基礎(chǔ)作為頂層文件，是設(shè)計需要參考的標(biāo)準(zhǔn)，也是考核時的重要指標(biāo)。審查基礎(chǔ)的確定需經(jīng)過被審查方和審查方多次討論，每個細(xì)節(jié)都要明確嚴(yán)謹(jǐn)?，F(xiàn)以國內(nèi)現(xiàn)行適航標(biāo)準(zhǔn)CCAR33-R1為基礎(chǔ)制定審查基礎(chǔ)。CCAR33部中的條款不是都適用于在研發(fā)動機(jī)，也不是CCAR33部所有條款都能保證特定發(fā)動機(jī)的安全。因而在制定審查基礎(chǔ)時要充分考慮發(fā)動機(jī)的設(shè)計特點(diǎn)，對CCAR33部中的條款進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整、增減，形成特定發(fā)動機(jī)的審查基礎(chǔ)。

基于對條款和指導(dǎo)材料的深入分析和理解，確定適用和不適用條款以及條款中適用部分與不適用部分。例如某型發(fā)動機(jī)沒有加力裝置，那么“燃料燃燒加力裝置”這1條就不適用，在有些條款提到加力內(nèi)容的也不適用。某型發(fā)動機(jī)擁有某些新穎或獨(dú)特設(shè)計，需要補(bǔ)充安全要求，即所謂專用條件。例如，裝有該發(fā)動機(jī)的飛機(jī)需要在簡易跑道上起飛和降落，要求發(fā)動機(jī)具有吞咽砂塵的能力，于是加上此項要求作為專用條件，滿足發(fā)動機(jī)的安全需求。整個適航審查基礎(chǔ)需要專業(yè)內(nèi)部與審查方和專家方的多次溝通才能定稿，作為下一步工作的基礎(chǔ)。

2.2 符合性方法和驗證計劃階段

審查基礎(chǔ)確定后，需要明確滿足這些條款要求的符合性方法。符合性方法和審查基礎(chǔ)是密切聯(lián)系的，在制定審查基礎(chǔ)之前應(yīng)對如何滿足條款有所了解，才能確定條款的適用性；在審查基礎(chǔ)確定后，應(yīng)在工程經(jīng)驗的基礎(chǔ)上，討論符合性方法。對于CCAR33部的符合性方法，可以參考FAR33的咨詢通告（AC，AdvisoryCircular）。AC是對適航條款的指導(dǎo)性資料，有的很詳細(xì)，有幾十頁甚至上百頁，有的僅僅幾頁，其資料在不斷更新中。AC包含對條款進(jìn)一步解釋以及局方建議的符合性方法，但不是惟一方法。不過，并不是每一條款都有AC可以參考。由于不同發(fā)動機(jī)公司有各自的工程經(jīng)驗，所以符合性方法不盡相同。無論采用怎樣的符合性方法，只要得到審查方認(rèn)可就行。為了便于編制計劃和文件，賦予每種符合性方法相應(yīng)的代碼[2]，見表 1。

以上10種符合性方法是航空器審定中的常見方法，在特定用途發(fā)動機(jī)審查中，可以根據(jù)需要制定不同的符合性方法及其代碼。在審查中根據(jù)審查基礎(chǔ)條款的具體要求選取其中的1種或多種組合方式來滿足條款的要求，形成審查清單。例如，對于“吸雨和吸雹”這1條通過發(fā)動機(jī)整機(jī)試驗（ET）、分析（A）來滿足。在審查方進(jìn)行符合性審查時，則根據(jù)審查清單進(jìn)行檢查。

表1 10種符合性方法

對于中國大涵道比渦扇發(fā)動機(jī)而言，適航性是1個新理念，所以對于符合性方法的研究，需要研制方投入大量時間，才能確保具體實施方案符合條款要求。例如，“喘振與失速特性”條款是對發(fā)動機(jī)穩(wěn)定性的考察，為此要考慮整機(jī)和部件的穩(wěn)定性裕度等因素，除了穩(wěn)定性分析以外，要進(jìn)行進(jìn)氣畸變試驗和加、減速特性試車。而大涵道比渦扇發(fā)動機(jī)還從未進(jìn)行過進(jìn)氣畸變試驗，雖然如何進(jìn)行試驗不是適航工作的要求，但是對試驗方法要深入研究和梳理，試驗結(jié)束后要提供符合性驗證報告，表明此項試驗?zāi)軌驖M足條款要求，獲取發(fā)動機(jī)安全證明。

對符合性方法進(jìn)行確定后，要求制定符合性驗證計劃。符合性驗證計劃應(yīng)該能夠證實符合審查基礎(chǔ)中各項條款的要求，并充分考慮針對發(fā)動機(jī)新穎或復(fù)雜的設(shè)計特征的。在民用發(fā)動機(jī)審定程序中，符合性驗證計劃通常包括適航標(biāo)準(zhǔn)、專用條件、驗證方法及其名稱和編號，以及預(yù)計完成的日期。對于中國軍用大涵道比渦扇發(fā)動機(jī)，在第1階段制定的審查基礎(chǔ)已經(jīng)包含適用的適航標(biāo)準(zhǔn)和專用條件，第2階段的符合性方法包含了驗證方法及其說明，因此，驗證計劃需要對每1條款的試驗驗證和完成時間進(jìn)行清理和確定。

2.3 符合性驗證階段

對于發(fā)動機(jī)研制方，適航最終的目的就是根據(jù)符合性驗證計劃，結(jié)合發(fā)動機(jī)研制進(jìn)程，完成工程上的符合性驗證。在驗證過程中，除了分析計算外，最重要的方式就是試驗驗證。試驗驗證通常分為整機(jī)和零部件試驗，整機(jī)試驗包括持久試驗、校準(zhǔn)試驗、工作試驗，吞鳥、吞水和吞冰雹試驗，反推力試驗等；部件試驗包括部件低循環(huán)疲勞、超轉(zhuǎn)、燃油系統(tǒng)、滑油系統(tǒng)（33.71）、點(diǎn)火系統(tǒng)（33.69）等試驗。有些試驗是在引入適航之前從未做過或考慮的，試驗設(shè)施建設(shè)和試驗方法存在一定難度，但是按照驗證計劃需要完成的都要進(jìn)行。

以上3個階段不是完全獨(dú)立的，審查計劃和驗證計劃是隨著研制情況逐步細(xì)化的，為了指導(dǎo)實踐還要有切實可行的工作計劃；符合性方法不是惟一的，新方法、新技術(shù)需要1個探索過程；1個條款要求可能需要多個驗證，1個驗證可能支持多個條款，試驗也不是在1個周期中完成的，零部件試驗在整機(jī)前可能就開始了，發(fā)動機(jī)地面試車后還要進(jìn)行科研試飛。整個過程需要相互配合與統(tǒng)籌安排。

3 值得注意的幾個問題

在大涵道比渦扇發(fā)動機(jī)適航技術(shù)的探索和應(yīng)用中，不可避免遇到各種技術(shù)難點(diǎn)，從發(fā)動機(jī)設(shè)計角度出發(fā)，有以下問題值得注意。

3.1 設(shè)計體系的差異

可以將適航作為1種技術(shù)方法，指導(dǎo)發(fā)動機(jī)設(shè)計，提高發(fā)動機(jī)的安全性。但是適航性實際上自成體系，以產(chǎn)品自身安全以及對人和環(huán)境的安全負(fù)責(zé)為目的，是基于取證的設(shè)計控制。如果發(fā)動機(jī)按照這個流程進(jìn)行設(shè)計和管理，自然就滿足了最低安全要求，即適航要求，但是與發(fā)動機(jī)設(shè)計體系似乎存在矛盾。

為此，首先要完成對設(shè)計體系的研究和分析，找到1個適當(dāng)?shù)那腥朦c(diǎn)，提取適航性中值得借鑒的資源。適航工作伴隨發(fā)動機(jī)研制過程，其要求可納入發(fā)動機(jī)研制規(guī)范，在不產(chǎn)生沖突情況下，利用適航的完整性，確保發(fā)動機(jī)的安全，同時也優(yōu)化了發(fā)動機(jī)設(shè)計體系。

3.2 適航要求如何融入設(shè)計

如前所述，適航性設(shè)計過程是指發(fā)動機(jī)設(shè)計完成后自然地滿足適航規(guī)章要求。因此，直接參與發(fā)動機(jī)設(shè)計的設(shè)計人員不需要知道適航條款及相關(guān)程序，即適航要求已經(jīng)融入設(shè)計體系。但是在目前適航作為新增方法和條件，在不改變設(shè)計體系的情況下，設(shè)計員還必須理解相關(guān)條款。例如，在對發(fā)動機(jī)安裝系統(tǒng)的安全性分析中，不考慮適航要求，只對安裝系統(tǒng)的強(qiáng)度進(jìn)行要求，規(guī)定最大許可限制載荷和極限載荷；然而適航要求安裝系統(tǒng)的失效導(dǎo)致發(fā)動機(jī)危險性或重大危險性的概率，設(shè)計時要考慮的就不僅僅是最大限制載荷和極限載荷，其他失效也有可能導(dǎo)致發(fā)動機(jī)發(fā)生危險。所以相關(guān)專業(yè)的發(fā)動機(jī)設(shè)計人員也應(yīng)該理解其中的區(qū)別，才能使得最終設(shè)計符合相應(yīng)條款要求，對適航的深入解讀和應(yīng)用也可提升其設(shè)計能力。

3.3 適航性與可靠性、安全性的關(guān)系

眾所周知，適航標(biāo)準(zhǔn)是最低安全標(biāo)準(zhǔn)，其條款基于安全事故或產(chǎn)品故障，容易與發(fā)動機(jī)設(shè)計中的可靠性和安全性相混淆。

所有現(xiàn)存的和被研制出的客體、產(chǎn)品或裝置都用于完成一定的任務(wù)或功用，并且應(yīng)該滿足對其提出的要求，而與其復(fù)雜性、線路和結(jié)構(gòu)形式無關(guān)。所有產(chǎn)品都應(yīng)該具有必要的性質(zhì)組合，決定了按產(chǎn)品用途應(yīng)用時的適用性，即具有相應(yīng)的質(zhì)量，質(zhì)量這一術(shù)語表示出功能的、生產(chǎn)的、使用的、經(jīng)濟(jì)的、美學(xué)性質(zhì)和一系列構(gòu)成可靠性的諸性質(zhì)的共同組合。航空綜合體的質(zhì)量是由許多性質(zhì)相互結(jié)合來確定的。然而只注意表示產(chǎn)品使用質(zhì)量的那些性質(zhì)，也就是產(chǎn)品的適用性滿足與產(chǎn)品用途有關(guān)的各項要求，包括安全性、可靠性、操縱性等。

上述各種性質(zhì)都屬綜合性質(zhì)，由一系列單獨(dú)性質(zhì)組合來決定。所以適航性與4性之間不是獨(dú)立的，也不是對立的，會有交叉、覆蓋。

對于發(fā)動機(jī)來說，可靠性定義為產(chǎn)品在規(guī)定條件和時間內(nèi)，完成規(guī)定功能的能力；安全性是指系統(tǒng)在規(guī)定條件和時間內(nèi)，以可接受的風(fēng)險執(zhí)行規(guī)定功能的能力；側(cè)重整機(jī)危險性和重大發(fā)動機(jī)影響故障模式分析及其試驗驗證。

可靠性與故障是對立的2個方面，故障定義為“產(chǎn)品或產(chǎn)品的一部分不能或?qū)⒉荒芡瓿深A(yù)定功能的事件或狀態(tài)，即產(chǎn)品喪失其規(guī)定的功能?！笨煽啃灾笜?biāo)包括發(fā)動機(jī)故障率、故障間隔時間等。安全性與危險性是直接對立的，安全性的目的是預(yù)防事故發(fā)生的可能性。安全性的指標(biāo)為安全飛行概率，比如100000飛行小時的飛行事故數(shù)。二者在分析方法上有共同之處，例如都采用故障模式影響及危害性分析（FMECA），故障樹（FTA）等，但是分析內(nèi)容是有區(qū)別的。二者在某些故障上是有交叉的,但有些沒有交叉，例如發(fā)生的故障如果導(dǎo)致對人員和環(huán)境設(shè)施有危害，則不是可靠性問題，而是安全性問題；如果發(fā)生的故障對安全沒有影響，只影響發(fā)動機(jī)功能，則不是安全問題，而是可靠性問題。

適航規(guī)章要求的安全水平是最低安全水平，而現(xiàn)代航空實踐要求高于適航標(biāo)準(zhǔn)要求的最低安全水平。從要求角度看，適航性應(yīng)該是安全性的一部分，但是由于適航性體系的完備性，其內(nèi)涵相當(dāng)豐富。因此僅從要求上看，安全性、可靠性和適航性的關(guān)系如圖1所示。

圖1 安全性、可靠性、適航性要求的關(guān)系

3.4 安全性分析與評估

民用適航的安全性評估來源于飛機(jī)適航標(biāo)準(zhǔn)CCAR-25.1309，該條款規(guī)定了航空器設(shè)備和系統(tǒng)的安全性。在AC25.1309中對系統(tǒng)安全性評估進(jìn)行了詳細(xì)闡述，其中認(rèn)可了工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)SAEARP4754“關(guān)于高度綜合或復(fù)雜飛機(jī)系統(tǒng)合格審定的考慮”、SAE ARP4761“民用機(jī)載系統(tǒng)和設(shè)備安全性評估過程的指南和方法”、RTCADO-178B“機(jī)載系統(tǒng)和設(shè)備合格審定中的軟件考慮”、RTCADO-254“機(jī)載電子硬件的涉及保證指南”。發(fā)動機(jī)作為相對獨(dú)立的系統(tǒng)，在33部中對安全性有更直接的規(guī)定，即“安全分析”。

如前所述，發(fā)動機(jī)安全性的目的是故障調(diào)整不應(yīng)導(dǎo)致發(fā)動機(jī)破壞或失去控制。在適航過程中，安全性分析與評估尤為重要，并且貫穿于整個適航活動中。在發(fā)動機(jī)安全分析中，可把發(fā)動機(jī)作為復(fù)雜系統(tǒng)，采用SAE ARP4761中的流程和方法，利用FHA（功能危害分析）、FMECA、FTA等方法，對發(fā)動機(jī)整機(jī)、部件、系統(tǒng)和成附件進(jìn)行安全性分析，找出發(fā)動機(jī)的潛在危險。

發(fā)動機(jī)安全性分析對適航工作是個促進(jìn)。在對重大發(fā)動機(jī)安全隱患關(guān)注的同時，把分散的安全性要求聯(lián)系起來，使得發(fā)動機(jī)適航符合性更有條理，且更具備分析性。

3.5 與飛機(jī)的接口和對成附件的管理

雖然發(fā)動機(jī)研制是獨(dú)立行為，在適航取證中單獨(dú)進(jìn)行。但是在研制過程中，發(fā)動機(jī)方與飛機(jī)方和成附件方需進(jìn)行必要協(xié)調(diào)，才能完成發(fā)動機(jī)設(shè)計工作。CCAR-25部“運(yùn)輸類飛機(jī)適航標(biāo)準(zhǔn)”是對飛機(jī)的適航要求，其中E分部規(guī)定了動力裝置要求，涉及到發(fā)動機(jī)與飛機(jī)的搭接問題，比如進(jìn)氣系統(tǒng)與排氣系統(tǒng)的匹配，反推力系統(tǒng)要求等。在CCAR-33部中“進(jìn)氣系統(tǒng)的結(jié)冰”、“反推力裝置”，以及外物吞咽和機(jī)匣包容等問題也涉及與飛機(jī)的交聯(lián)。因此，二者都要對相應(yīng)要求進(jìn)行溝通和討論。

與民用不同，發(fā)動機(jī)方作為成附件的主機(jī)單位，應(yīng)提出技術(shù)要求作為成附件的輸入項，適航要求也可以作為輸入項之一，以完成成附件的適航管理。發(fā)動機(jī)成附件的適航要求可以參考飛機(jī)機(jī)載設(shè)備的，但沒有機(jī)載設(shè)備獨(dú)立性強(qiáng)，而主要依賴主機(jī)的設(shè)計要求。如果主機(jī)單位把適航條目從發(fā)動機(jī)角度簡單分解到各成附件單位，可能有分解不到位問題，難以了解成附件如何影響發(fā)動機(jī)安全。而成附件如果沒有輸入要求，同時與機(jī)載設(shè)備又不同，沒有單獨(dú)可參考的適航指南，則適航工作將無所適從。主機(jī)單位和成附件單位應(yīng)充分交換意見，自上而下的同時能夠自下而上，使發(fā)動機(jī)安全得以保障。

4 結(jié)束語

目前有關(guān)單位正在結(jié)合發(fā)動機(jī)設(shè)計和試驗驗證，著手制定1套適用于現(xiàn)階段大涵道比渦扇發(fā)動機(jī)研制狀況的適航程序和辦法。從發(fā)動機(jī)研制角度可把其適航工作分成幾個階段，每個階段都有里程碑式的結(jié)論性支撐。適航是個體系性問題，不可能一蹴而就，需要時間、人力、物力等支持。同時適航源于設(shè)計本身，需建立在發(fā)動機(jī)設(shè)計經(jīng)驗上。在學(xué)習(xí)國外適航技術(shù)的同時，也應(yīng)結(jié)合國內(nèi)情況實際靈活運(yùn)用。

中國于2002年當(dāng)選為國際民航組織（ICAO）A類理事國，是不折不扣的航空大國，其航空產(chǎn)品的目標(biāo)是走向國際市場。從ARJ21飛機(jī)取證來看，滿足適航要求是航空產(chǎn)品投入使用前的巨大挑戰(zhàn)，中國的適航管理和適航技術(shù)相對薄弱，在缺乏經(jīng)驗的情況下遭受了一定損失。因此可以說，適航條例是航空發(fā)達(dá)國家通過對航空不發(fā)達(dá)國家進(jìn)行技術(shù)封鎖的手段。雖然中國大涵道比渦扇發(fā)動機(jī)設(shè)計能力有限，但未來發(fā)動機(jī)必將實現(xiàn)產(chǎn)品化，適航是不得不修的科目，無論如何都要完成創(chuàng)新。這一過程可能有難度，需要反復(fù)修正，但是對航空發(fā)動機(jī)事業(yè)的發(fā)展是很好的經(jīng)驗累積。

[1]歐洲航空安全局.CS-E發(fā)動機(jī)合格證規(guī)范[S].2009.

[2]中國民用航空總局.ARP-21-03R3型號合格審定程序[S].2002.