GJB 3971-2000和TSO-C77b的對(duì)比分析

唐正府 王 進(jìn) 高 宇 張新非

（裝備研究院總體所，北京 100076）

現(xiàn)代航空燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)和循環(huán)過程決定了它自主工作之前必須先由其他動(dòng)力源帶動(dòng)。最初帶動(dòng)主發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力源是電起動(dòng)機(jī)，隨著主發(fā)動(dòng)機(jī)所需的起動(dòng)功率越來越大，輔助動(dòng)力裝置（Auxiliary Power Unit，簡(jiǎn)稱APU）逐步取代了電起動(dòng)機(jī)成為現(xiàn)代起動(dòng)主發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力源，并與應(yīng)急動(dòng)力裝置（Emergency Power Unit，簡(jiǎn)稱EPU）、附件傳動(dòng)裝置和能量轉(zhuǎn)換附件（發(fā)電機(jī)、液壓泵）等共同組成了第二動(dòng)力系統(tǒng)，用于提供氣、電、液壓及軸功率，滿足飛機(jī)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)、應(yīng)急能源或其他輔助能源的不同需要。隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步，第二動(dòng)力系統(tǒng)又出現(xiàn)了綜合化的發(fā)展趨勢(shì)，即把APU、EPU等進(jìn)行綜合發(fā)展，高度集成為一套組合動(dòng)力裝置，已大大提高飛機(jī)本身的自主保障能力和安全性，不用開主發(fā)動(dòng)機(jī)或使用地面電源車、氣源車等龐大輔助設(shè)備，即可快捷地完成飛機(jī)大部分設(shè)備的檢查和維護(hù)，并逐步發(fā)展成為輔助動(dòng)力系統(tǒng)[1-2]。

適航性是指航空器的固有安全運(yùn)行特性，是航空器包括其部件及子系統(tǒng)整體性能和操縱特性在預(yù)期運(yùn)行環(huán)境和使用限制下的安全性和物理完整性的一種品質(zhì)。適航性要求飛行器應(yīng)始終保持符合其型號(hào)設(shè)計(jì)狀態(tài)和始終處于安全運(yùn)行狀態(tài)。適航性通過設(shè)計(jì)賦予、制造實(shí)現(xiàn)、驗(yàn)證表明、審定接受、維護(hù)保持產(chǎn)品的固有屬性。

安全是指航空器研制、生產(chǎn)、使用和保障的首要要求，定義為不發(fā)生可能造成人員傷亡、設(shè)備損壞、財(cái)產(chǎn)損失或環(huán)境損害的狀態(tài)；安全性是通過設(shè)計(jì)賦予的一種產(chǎn)品特性，定義為產(chǎn)品在規(guī)定的條件下，以可接受風(fēng)險(xiǎn)執(zhí)行其功能的能力；系統(tǒng)安全性是在全壽命周期所有階段內(nèi)，在使用效能和適用性、進(jìn)度和費(fèi)用的限制范圍內(nèi)，通過系統(tǒng)工程和管理的原則、標(biāo)準(zhǔn)和技術(shù)，達(dá)到可接受的事故風(fēng)險(xiǎn)。

適航的核心是安全性，而輔助動(dòng)力系統(tǒng)除了在地面起動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)和提供維護(hù)所需的輔助能源外，另外一個(gè)很重要的作用就是空中提供輔助動(dòng)力和應(yīng)急能源。隨著現(xiàn)代先進(jìn)戰(zhàn)斗機(jī)不斷追求高機(jī)動(dòng)性和高敏捷性作戰(zhàn)能力，進(jìn)一步放寬了靜不安定度，使得飛機(jī)一旦喪失電力和液壓助力，飛行員很難操縱飛機(jī)保持平飛，從而危及飛行安全。輔助動(dòng)力系統(tǒng)就是專門為飛機(jī)提供空中應(yīng)急功率、提高飛機(jī)作戰(zhàn)環(huán)境下的生存力而設(shè)計(jì)的，當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)空中停車或飛機(jī)主液壓系統(tǒng)和電源系統(tǒng)出現(xiàn)故障時(shí)，可為飛機(jī)提供應(yīng)急能源，必要時(shí)還可以輔助發(fā)動(dòng)機(jī)空中起動(dòng)，擴(kuò)展發(fā)動(dòng)機(jī)空中起動(dòng)包線，提高飛機(jī)的安全性。因此，輔助動(dòng)力系統(tǒng)對(duì)保障飛行安全至關(guān)重要，甚至可以認(rèn)為是飛行員在跳傘前飛行安全的最后一道屏障，因而要求輔助動(dòng)力系統(tǒng)自身必須安全可靠，與適航性強(qiáng)調(diào)安全正好不謀而合[3-4]。

我國(guó)輔助動(dòng)力系統(tǒng)的安全性水平不容樂觀，借鑒適航法規(guī)，切實(shí)開展安全性設(shè)計(jì)、試驗(yàn)、管理，促使輔助動(dòng)力系統(tǒng)達(dá)到更高的安全性水平，十分必要。

1 GJB 3971-2000和TSO-C77b簡(jiǎn)介

涉及輔助動(dòng)力系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)和法規(guī)主要有GJB 3971-2000《航空燃?xì)鉁u輪輔助動(dòng)力裝置通用規(guī)范》、MIL-P-85573《飛機(jī)輔助動(dòng)力裝置通用規(guī)范》、TSO-C77b《燃?xì)鉁u輪輔助動(dòng)力裝置技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定》和MIL-HDBK-516B《軍用飛機(jī)適航性審查準(zhǔn)則》等，其中MIL-P-85573《飛機(jī)輔助動(dòng)力裝置通用規(guī)范》是美國(guó)海軍和空軍在80年代，以MIL-P-8686為基礎(chǔ)發(fā)展起來的，具有較全面和詳細(xì)要求的通用規(guī)范，但對(duì)于現(xiàn)代研制輔助動(dòng)力裝置而言版本偏老；MIL-HDBK-516B雖然以第8章第6節(jié)單獨(dú)對(duì)輔助動(dòng)力系統(tǒng)提出了14條準(zhǔn)則要求，但與GJB 3971-2000和TSO-C77b相比內(nèi)容不完整，缺少引用標(biāo)準(zhǔn)，可操作性不強(qiáng)，僅能作為指南使用，因此本文不做贅述，僅對(duì)GJB 3971-2000和TSO-C77b兩項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行對(duì)比分析[5-6]。

1.1 GJB 3971-2000

GJB3971-2000《航空燃?xì)鉁u輪輔助動(dòng)力裝置通用規(guī)范》是由總裝備部批準(zhǔn)頒布的，以MIL-P-85573《飛機(jī)輔助動(dòng)力裝置通用規(guī)范》為藍(lán)本，參考美國(guó)聯(lián)邦航空局技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定TSO-C77a的部分內(nèi)容，用于指導(dǎo)我國(guó)輔助動(dòng)力系統(tǒng)研制和鑒定考核的頂層通用規(guī)范，總共分為6章22節(jié)內(nèi)容，主要從輔助動(dòng)力裝置性能、結(jié)構(gòu)完整性、環(huán)境適應(yīng)性、可靠性、維修性、測(cè)試性、安全性等方面提出了詳細(xì)的設(shè)計(jì)和驗(yàn)證要求，技術(shù)內(nèi)容主要適用于飛機(jī)燃?xì)鉁u輪輔助動(dòng)力裝置，以及隨其一起定型的進(jìn)氣段、動(dòng)力段、負(fù)載壓氣機(jī)、齒輪箱、控制系統(tǒng)、燃油系統(tǒng)、點(diǎn)火系統(tǒng)、滑油系統(tǒng)、起動(dòng)機(jī)和排氣管等部件[7]。

1.2 TSO-C77b

TSO-C77b《燃?xì)鉁u輪輔助動(dòng)力裝置技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定》是由美國(guó)聯(lián)邦航空局（FAA）頒布的，用于指導(dǎo)燃?xì)鉁u輪輔助動(dòng)力裝置開展研制和進(jìn)行鑒定的標(biāo)準(zhǔn)性要求和指令性文件，總共分為7章41節(jié)內(nèi)容，主要從輔助動(dòng)力裝置工作特性、結(jié)構(gòu)完整性、環(huán)境適應(yīng)性、安全性和適航性等方面提出了設(shè)計(jì)和驗(yàn)證要求，技術(shù)內(nèi)容主要適用于為飛機(jī)提供輔助能源的燃?xì)鉁u輪輔助動(dòng)力裝置，是向FAA申請(qǐng)TSO認(rèn)證和適航認(rèn)證所需的最低性能標(biāo)準(zhǔn)[8]。

2 主要技術(shù)要求對(duì)比分析

GJB 3971-2000是用于規(guī)范輔助動(dòng)力裝置研制的頂層要求，內(nèi)容豐富而具體；TSO-C77b是輔助動(dòng)力裝置申請(qǐng)鑒定程序認(rèn)證所需的最低性能標(biāo)準(zhǔn)，內(nèi)容側(cè)重于安全性和適航性的要求和驗(yàn)證，對(duì)性能要求偏少。下面就GJB 3971-2000和TSO-C77b中結(jié)構(gòu)完整性、包容性、環(huán)境適應(yīng)性和持久試驗(yàn)等典型技術(shù)差異進(jìn)行對(duì)比分析。

2.1 結(jié)構(gòu)完整性

對(duì)于超轉(zhuǎn)試驗(yàn)，GJB 3971-2000要求在115%最高允許轉(zhuǎn)速和最高排氣溫度下穩(wěn)定工作5分鐘以上；TSO-C77b要求在115%最高允許轉(zhuǎn)速和輔助動(dòng)力裝置控制系統(tǒng)故障時(shí)的最高轉(zhuǎn)速穩(wěn)定工作5分鐘以上；與GJB 3971-2000相比，TSO-C77b對(duì)超轉(zhuǎn)試驗(yàn)提出了更加具體的考核要求，充分考慮了故障模式下輔助動(dòng)力系統(tǒng)的安全性。

對(duì)于超溫試驗(yàn)，GJB 3971-2000要求用完成超轉(zhuǎn)試驗(yàn)的同一臺(tái)輔助動(dòng)力裝置在超過額定排氣溫度45℃以上至少穩(wěn)定工作5分鐘；TSO-C77b要求輔助動(dòng)力裝置在超過額定排氣溫度42℃以上至少穩(wěn)定工作5分鐘；GJB 3971-2000超溫試驗(yàn)要求比TSO-C77b要求更加苛刻，不但極限溫度要求高，而且還要求必須使用同一臺(tái)裝置進(jìn)行超溫和超轉(zhuǎn)試驗(yàn)。具體技術(shù)要求差異詳見表1所示。

表1 GJB3971-2000和TSO-C77b超轉(zhuǎn)/超溫試驗(yàn)技術(shù)要求對(duì)比

綜上所述，在超溫方面GJB 3971-2000要求具有較高的功率瞬變能力，出現(xiàn)超溫的概率和幅度較大；而TSO-C77b對(duì)可靠性、安全性和耐久性要求較高，對(duì)機(jī)動(dòng)性要求較低，故對(duì)超溫要求較GJB 3971-2000略低。在超轉(zhuǎn)方面，TSO-C77b要求輔助動(dòng)力系統(tǒng)能夠在多種故障模式下具有足夠的超轉(zhuǎn)強(qiáng)度，比GJB 3971-2000要求更加具體一些。

2.2 包容性

GJB 3971-2000第3.3.8.9.1條要求在瞬態(tài)最高允許轉(zhuǎn)速下，壓氣機(jī)和渦輪葉片在葉身與榫頭轉(zhuǎn)接部位斷裂時(shí)，輔助動(dòng)力裝置應(yīng)能完全包容，同時(shí)還要求包容由單個(gè)葉片損壞而被打壞以致飛出的全部零件；而TSO-C77b第6.8條要求在最大轉(zhuǎn)速運(yùn)轉(zhuǎn)期間，最危險(xiǎn)轉(zhuǎn)子的葉片在盤上最外層的固定榫槽處斷裂，或整體葉盤轉(zhuǎn)子的葉片至少損壞80%時(shí)，輔助動(dòng)力裝置能夠包容損壞件而不發(fā)生著火。由此可見，TSO-C77b比GJB 3971-2000包容性要求更加具體，不但對(duì)斷裂轉(zhuǎn)速提出要求，還對(duì)整體葉盤葉片斷裂位置提出了明確要求，不但要求能夠包容損壞件，而且還要求不能引發(fā)失火。

綜上所述，雖然GJB 3971-2000要求輔助動(dòng)力裝置對(duì)壓氣機(jī)和渦輪葉片斷裂能夠完全包容，表面看起來規(guī)定很高，但沒有對(duì)葉片斷裂程度做出具體要求，可操作性不強(qiáng)，而且還會(huì)增加研制難度和成本，反倒不如TSO-C77b要求更加具體、易操作。

2.3 環(huán)境適應(yīng)性

GJB 3971-2000第3.7.7.4.1條要求輔助動(dòng)力裝置滑油箱應(yīng)能承受油箱增壓和APU振動(dòng)產(chǎn)生的應(yīng)力，以及滑油箱內(nèi)外壓力和溫度變化產(chǎn)生的周期性交變應(yīng)力，而不發(fā)生永久變形。TSO-C77b第5.4條要求輔助動(dòng)力裝置滑油箱必須能夠承受正常工作范圍的壓差，以及大于最大飛行載荷35kPa壓力。具體要求差異詳見表2。

表2 GJB 3971-2000和TSO-C77b滑油箱環(huán)境適應(yīng)性要求對(duì)比

由表2可以看出，由于軍機(jī)在作機(jī)動(dòng)飛行時(shí)輔助動(dòng)力裝置承受的壓力可能較大，受載條件更嚴(yán)酷，因而對(duì)承載破壞的壓力要求更高，要求在2倍極限壓力以及長(zhǎng)期交變壓力下能夠不漏油或永久不變形；而TSO-C77b主要用于民用飛機(jī)輔助動(dòng)力系統(tǒng)申請(qǐng)適航認(rèn)證，而民航飛機(jī)由于不作機(jī)動(dòng)及大過載飛行，承受載荷也較戰(zhàn)斗機(jī)相比低很多，故滑油箱承載能力要求TSO-C77b要求比GJB 3971-2000低。

2.4 持久試車

目前大多數(shù)通用規(guī)范均采用了加速模擬任務(wù)試車（如GJB 3971-2000、JSSG-2007等），而適航條例基本都采用150h持久試車（如CCAR33、TSOC77b等）。加速模擬任務(wù)試車是在研制過程中考核發(fā)動(dòng)機(jī)可靠性和耐久性的有力手段，而150小時(shí)持久試車是發(fā)動(dòng)機(jī)可靠性和適航性的一種鑒定試車，不是模擬使用任務(wù)的試車，功率狀態(tài)的分配及狀態(tài)的變化與實(shí)際使用情況相差很遠(yuǎn)，不能用來確定發(fā)動(dòng)機(jī)的使用壽命。

按GJB 3971-2000規(guī)定，輔助動(dòng)力裝置在初始飛行前至少應(yīng)經(jīng)受50個(gè)循環(huán)，每個(gè)循環(huán)6小時(shí)構(gòu)成的300小時(shí)持久試車，以及最少800次起動(dòng)，10次假起動(dòng)，和20次再起動(dòng)，其中每個(gè)試車循環(huán)包括60min最大-空載運(yùn)轉(zhuǎn)、96min遞增載荷運(yùn)轉(zhuǎn)、20min慢瞬態(tài)運(yùn)轉(zhuǎn)、20min起動(dòng)-停車運(yùn)轉(zhuǎn)和164min隨機(jī)瞬態(tài)運(yùn)轉(zhuǎn)；對(duì)于設(shè)計(jì)定型的輔助動(dòng)力裝置，至少應(yīng)在2臺(tái)上進(jìn)行與飛行任務(wù)相關(guān)的1 000h持久試車或經(jīng)受167個(gè)循環(huán)，每個(gè)循環(huán)6h構(gòu)成的持久試車，以及最少2 672次起動(dòng)，10次假起動(dòng)，和20次再起動(dòng)；試車結(jié)束后重新校準(zhǔn)時(shí)性能衰減不超過2.5%。

按TSO-C77b規(guī)定，輔助動(dòng)力裝置必須完成20個(gè)循環(huán)，每個(gè)循環(huán)7.5h構(gòu)成的150h持久試車，以及最少100次起動(dòng)，其中每個(gè)循環(huán)按額定功率輸出、75%額定功率輸出、50%額定功率輸出、25%額定功率輸出交替布置；試驗(yàn)時(shí)要求轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速不小于額定轉(zhuǎn)速，在每個(gè)額定功率輸出段內(nèi)，零部件溫度其中包括渦輪前溫度或排氣溫度等，必須大于等于溫度極限值。具體差異詳見表3。

由表3可以看出，TSO-C77b要求的150小時(shí)持久試車僅僅是對(duì)輔助動(dòng)力裝置長(zhǎng)時(shí)間持續(xù)工作安全性和可靠性提出的最低要求，雖然不能準(zhǔn)確地反映飛行任務(wù)載荷給輔助動(dòng)力裝置帶來的損傷，但對(duì)試驗(yàn)條件（轉(zhuǎn)速、溫度和壓力等）要求更加嚴(yán)格，特別是要求在最低燃油和滑油壓力下進(jìn)行試驗(yàn)，目的是保證即使性能最差的輔助動(dòng)力裝置也要求能夠通過長(zhǎng)試考核；而GJB 3971-2000要求的加速模擬任務(wù)持久試車能夠提前暴露與輔助動(dòng)力裝置耐久性相關(guān)的大部分故障模式，并能確定零部件的承載能力和壽命極限，雖然GJB 3971-2000對(duì)試驗(yàn)條件沒有做出特殊規(guī)定，但對(duì)輔助動(dòng)力裝置試驗(yàn)狀態(tài)要求較多，在50%低轉(zhuǎn)速以下也要求進(jìn)行長(zhǎng)試考核，而輔助動(dòng)力裝置在實(shí)際工作中50%低轉(zhuǎn)速以下狀態(tài)工作應(yīng)用較少，可見要求比TSO-C77b要嚴(yán)格一些。

表3 GJB 3971-2000和TSO-C77b持久試驗(yàn)要求對(duì)比

總體看來，GJB 3971-2000是指導(dǎo)輔助動(dòng)力系統(tǒng)研制和鑒定考核的頂層規(guī)范，而TSO-C77b是申請(qǐng)適航認(rèn)證所需的最低性能標(biāo)準(zhǔn)，故GJB 3971-2000比TSO-C77b嚴(yán)格一些，特別是在承載能力、結(jié)構(gòu)完整性、耐久性等方面。這是因?yàn)?，輔助動(dòng)力裝置通常在飛機(jī)上只有一臺(tái)，在主動(dòng)力系統(tǒng)故障的條件下，一旦飛行中停車并再次起動(dòng)失敗，就可能使整個(gè)系統(tǒng)失靈而造成嚴(yán)重后果，對(duì)于軍用飛機(jī)而言由于需要進(jìn)行機(jī)動(dòng)飛行，其對(duì)承載能力要求比民用飛機(jī)要大很多，因此GJB 3971-2000要求輔助動(dòng)力裝置具有較高的結(jié)構(gòu)完整性和承載能力；另一方面，輔助動(dòng)力裝置一般較少在最大載荷狀態(tài)下工作，燃燒室出口溫度較低，因此要求輔助動(dòng)力裝置具有更高的耐久性和可靠性，而驗(yàn)證輔助動(dòng)力裝置是否具有較長(zhǎng)的工作壽命，GJB 3971-2000要求的300小時(shí)持久試車程序要比TSO-C77b要求的150小時(shí)持久試車程序更加具有說服力。

3 小結(jié)

經(jīng)過對(duì)GJB 3971-2000和TSO-C77b中輔助動(dòng)力裝置結(jié)構(gòu)完整性、包容性、環(huán)境適應(yīng)性和持久試車等技術(shù)要求的對(duì)比分析可知：

GJB 3971-2000基本涵蓋了TSO-C77b中相關(guān)技術(shù)要求，對(duì)于某些技術(shù)要素兩者存在一定差異，前者立足于綜合能力要求，對(duì)輔助動(dòng)力裝置功率瞬變能力要求較高，后者立足于最低適航性要求，主要針對(duì)民用飛機(jī)是否能夠安全和可靠地飛行。

GJB 3971-2000是輔助動(dòng)力裝置研制的通用規(guī)范，依據(jù)具體情況可以適當(dāng)進(jìn)行剪裁；而TSOC77b是輔助動(dòng)力裝置申請(qǐng)鑒定所必須滿足的最低性能標(biāo)準(zhǔn)，需要強(qiáng)制執(zhí)行，不能剪裁。

貫徹GJB 3971-2000與貫徹TSO-C77b并不矛盾，TSO-C77b是輔助動(dòng)力裝置必須達(dá)到的安全性規(guī)章；GJB 3971-2000是設(shè)計(jì)、試驗(yàn)和驗(yàn)收規(guī)范，是輔助動(dòng)力裝置實(shí)現(xiàn)綜合戰(zhàn)術(shù)技術(shù)指標(biāo)的保證；輔助動(dòng)力裝置要達(dá)到TSO-C77b的規(guī)定，在很大程度上要依賴于研制中嚴(yán)格貫徹GJB 3971-2000來實(shí)現(xiàn)。因此，貫徹TSO-C77b與貫徹GJB 3971-2000是相輔相成的，貫徹TSO-C77b時(shí)要將規(guī)章條款借助于GJB 3971-2000等標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范轉(zhuǎn)化為設(shè)計(jì)要求和驗(yàn)證方法，并納入到輔助動(dòng)力裝置研制的型號(hào)規(guī)范中去。

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[8]TSO-C77b.燃?xì)鉁u輪輔助動(dòng)力裝置技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定[S]，2000.