燃?xì)鉁u輪輔助動(dòng)力裝置的適航管理初探

李永佳 黃大鵬 宮新華

摘 要：從民機(jī)機(jī)載設(shè)備的適航管理方式入手，從燃?xì)鉁u輪輔助動(dòng)力裝置這一典型、重要的機(jī)載設(shè)備的適航文件、適航證件、適航合格審定程序方面，介紹美國(guó)、歐洲和我國(guó)的輔助動(dòng)力裝置的適航管理。

關(guān)鍵詞：適航；輔助動(dòng)力裝置；管理

1 探究的意義

1.1 適航研究的重要意義

民用航空關(guān)系到公眾的安全和利益，各國(guó)政府都對(duì)本國(guó)和本國(guó)空域內(nèi)的民用航空進(jìn)行著嚴(yán)格的管理--適航管理。適航管理的核心是安全，我國(guó)民用航空適航管理制度和體系是參照美國(guó)的適航經(jīng)驗(yàn)建立的。但在國(guó)際上，美國(guó)聯(lián)邦航空安全局（FAA）的適航管理體系之外，還有歐洲航空安全局（EASA）建立的適航體系，這兩個(gè)體系直接既有聯(lián)系又有區(qū)別，因此，進(jìn)行深入研究對(duì)具體民用航空型號(hào)的適航工作的開展甚至研究開發(fā)都有其重要意義。

1.2 輔助動(dòng)力裝置的適航管理特點(diǎn)

民用航空器由機(jī)體和機(jī)載設(shè)備組成。適航管理需要覆蓋民用航空器每一個(gè)部分。而每一個(gè)部分的適航管理要求是不同的，如作為產(chǎn)生推力的重要設(shè)備——航空發(fā)動(dòng)機(jī)和螺旋槳，其安全性要求與機(jī)體的要求是等價(jià)的，F(xiàn)AR等適航規(guī)章都以專章提出了詳盡的要求；而對(duì)于燃?xì)鉁u輪輔助動(dòng)力裝置，其適航管理要求也是與其他機(jī)載設(shè)備大為不同的，燃?xì)鉁u輪輔助動(dòng)力裝置是結(jié)構(gòu)上近似于發(fā)動(dòng)機(jī)，但從屬于飛行器電源、空調(diào)和動(dòng)力系統(tǒng)的一種機(jī)載設(shè)備，燃?xì)鉁u輪輔助動(dòng)力裝置一般采用頒發(fā)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定項(xiàng)目批準(zhǔn)書（CTSOA）的方式進(jìn)行適航批準(zhǔn)。

2 燃?xì)廨o助動(dòng)力裝置的簡(jiǎn)要介紹

2.1 燃?xì)鉁u輪輔助動(dòng)力裝置簡(jiǎn)介

在大、中型飛機(jī)上和大型直升機(jī)上，為減少對(duì)地面（機(jī)場(chǎng)）供電設(shè)備的依賴，都裝有獨(dú)立的小型動(dòng)力裝置，這就是輔助動(dòng)力裝置（Auxiliary Power Unit，簡(jiǎn)稱APU）。APU和發(fā)動(dòng)機(jī)一樣，都是燃?xì)鉁u輪動(dòng)力裝置。但它們的目的不同，發(fā)動(dòng)機(jī)用于產(chǎn)生推力，而APU主要用來(lái)提供氣源和電源，氣源除用于發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)，還為飛機(jī)的空調(diào)系統(tǒng)供應(yīng)連續(xù)不斷的空氣。這個(gè)特點(diǎn)使APU不同于發(fā)動(dòng)機(jī)。它要求APU在設(shè)計(jì)時(shí)，使渦輪產(chǎn)生的機(jī)械能主要通過(guò)壓氣機(jī)轉(zhuǎn)換為空氣的壓力能，還有一部分機(jī)械能通過(guò)齒輪傳遞給發(fā)電機(jī)以產(chǎn)生電能，而不是向后噴出產(chǎn)生推力。所以，能量分配的不同是APU和發(fā)動(dòng)機(jī)的主要區(qū)別。有的APU還可輸出液壓能，早期的APU也有提供附加推力的。APU一般裝在機(jī)身最后段的尾錐之內(nèi)，在機(jī)身上方垂尾附近開有進(jìn)氣口，排氣直接由尾錐后端的排氣口排出。

在以前的小功率發(fā)動(dòng)機(jī)上，起動(dòng)主發(fā)動(dòng)機(jī)時(shí)一般采用起動(dòng)電機(jī)來(lái)帶動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)旋轉(zhuǎn)，但是隨著大推力發(fā)動(dòng)機(jī)的出現(xiàn)，用電動(dòng)機(jī)已無(wú)法提供如此大的能量來(lái)帶動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)，使發(fā)動(dòng)機(jī)達(dá)到點(diǎn)火燃燒時(shí)的轉(zhuǎn)速了，因此需要更大的能源來(lái)帶轉(zhuǎn)發(fā)動(dòng)機(jī)。這時(shí)，如果采用APU，從APU產(chǎn)生壓縮的空氣，吹轉(zhuǎn)裝在發(fā)動(dòng)機(jī)附件傳動(dòng)機(jī)匣上的空氣渦輪起動(dòng)機(jī)（ATS），從而起動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)，這種起動(dòng)方式成為了現(xiàn)在大功率發(fā)動(dòng)機(jī)通常選擇的工作模式。

圖1 典型的APU結(jié)構(gòu)示意圖

APU的提供的壓縮空氣和電能，使飛機(jī)在地面上起飛前，不需要起動(dòng)主發(fā)動(dòng)機(jī)就可保證客艙和駕駛艙內(nèi)的照明和空調(diào)正常工作。在飛機(jī)起飛時(shí)，有APU工作，可使發(fā)動(dòng)機(jī)功率全部用于地面加速和爬升，改善了起飛性能。飛機(jī)降落后，仍由APU供應(yīng)電力照明和空調(diào)用氣，可使主發(fā)動(dòng)機(jī)提早關(guān)閉。通常APU在飛機(jī)爬升到一定高度（5000米以下）關(guān)閉。但在飛行中當(dāng)主發(fā)動(dòng)機(jī)空中停車時(shí)，APU可在一定高度（一般為10000米）以下的高空中及時(shí)起動(dòng)，為發(fā)動(dòng)機(jī)重新起動(dòng)提供動(dòng)力。這種應(yīng)急情況下的APU工作能力，提高了飛機(jī)的安全性。在發(fā)動(dòng)機(jī)的適航規(guī)章中規(guī)定的“雙發(fā)延程飛行（ETOPS）”狀態(tài)中，就要求APU必須正常運(yùn)行[1]。

綜上，APU是結(jié)構(gòu)上近似于發(fā)動(dòng)機(jī)，但從屬于飛行器電源、空調(diào)和動(dòng)力系統(tǒng)的一種機(jī)載設(shè)備。

2.2 當(dāng)前民用APU的主要制造商及我國(guó)民用APU現(xiàn)狀

目前，國(guó)際上從事航空輔助動(dòng)力裝置研制生產(chǎn)的企業(yè)較少，主要有美國(guó)的霍尼韋爾、漢密爾頓·勝斯特蘭（簡(jiǎn)稱漢勝），法國(guó)的Microturbo（隸屬于透博梅卡），俄羅斯Aerosila（原烏法航空附件廠）。其中在民用客機(jī)市場(chǎng)上主要由霍尼韋爾和漢勝兩家公司壟斷。

由于國(guó)際航空運(yùn)輸業(yè)的快速發(fā)展，民用APU也面臨著具有巨大市場(chǎng)機(jī)會(huì)，在飛機(jī)機(jī)載設(shè)備中，APU的價(jià)值比較高，由于經(jīng)常使用，其售后市場(chǎng)的價(jià)值更為可觀，在APU上進(jìn)行投入，存在著巨大的商業(yè)機(jī)會(huì)。

我國(guó)航空發(fā)動(dòng)機(jī)的發(fā)展水平與國(guó)外先進(jìn)水平相比，存在較大的差距，APU也是同樣的狀態(tài)，尤其在民機(jī)方面，這種差距更為明顯。雖然，近年來(lái)，我們?cè)谲娪肁PU方面積累了一些經(jīng)驗(yàn)，但在民用APU方面，我們沒有任何的經(jīng)驗(yàn)可言。在民用APU的設(shè)計(jì)、制造、適航、組織管理和售后服務(wù)等方面，都在存在著巨大的差距。

3 APU的適航管理方式

3.1 民用航空機(jī)載設(shè)備的適航管理方式

按照中國(guó)民航適航規(guī)章CS-21[2]的規(guī)定，航空器的適航管理根據(jù)著眼點(diǎn)的不同，一般分為對(duì)民用航空器型號(hào)設(shè)計(jì)批準(zhǔn)的“型號(hào)合格證（Type Certification，TC）”、對(duì)型號(hào)生產(chǎn)批準(zhǔn)的“生產(chǎn)許可證（Production Certification，PC）”和投入運(yùn)行前表征單個(gè)航空產(chǎn)品具有設(shè)計(jì)符合性和制造符合性、用以證明其安全可用的“適航證（Airworthiness Certification，AC）”。上述三證均由適航當(dāng)局（或其授權(quán)代表）頒發(fā)，因此，適航管理也被稱為“三證管理”。但航空發(fā)動(dòng)機(jī)和螺旋槳確認(rèn)具有設(shè)計(jì)符合性和制造符合性的后只能獲頒“適航批準(zhǔn)標(biāo)簽”，與“適航證”相似“適航標(biāo)簽”也證明了發(fā)動(dòng)機(jī)或螺旋槳產(chǎn)品的安全可用性。在實(shí)踐中，三證齊全，且發(fā)動(dòng)機(jī)和螺旋槳（如有）三證齊全的航空器方可投入航線使用。

與民用航空器、發(fā)動(dòng)機(jī)和螺旋槳的適航管理方式不同，民用航空機(jī)載設(shè)備的適航可以按照“技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定（Technology Standard Order，簡(jiǎn)稱TSO）”進(jìn)行審定，取得“技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定項(xiàng)目批準(zhǔn)書（TSOA）”，或隨民用航空產(chǎn)品（裝有機(jī)載設(shè)備的航空器）的合格審定一同批準(zhǔn)，一般稱為隨機(jī)取證。TSOA與航空產(chǎn)品的型號(hào)合格證（TC）不同， TSOA將設(shè)計(jì)和生產(chǎn)一起批準(zhǔn)，而不分別頒發(fā)型號(hào)合格證和生產(chǎn)許可證，且不可以轉(zhuǎn)讓。與發(fā)動(dòng)機(jī)和螺旋槳類似，符合設(shè)計(jì)要求且安全可用的機(jī)載產(chǎn)品獲頒“適航標(biāo)準(zhǔn)標(biāo)簽”后才認(rèn)為是適航的。

3.2 FAA及EASA對(duì)APU的適航管理方式

FAA為了簡(jiǎn)化審查要求，早在20世紀(jì)80年代末就取消了機(jī)載設(shè)備技術(shù)要求的總綱文件FAR37部，取而代之的是大量采用專業(yè)技術(shù)協(xié)會(huì)的標(biāo)準(zhǔn)作為技術(shù)要求，如環(huán)境適應(yīng)性實(shí)驗(yàn)要求RTCA（無(wú)線電技術(shù)委員會(huì)標(biāo)準(zhǔn)）-160，計(jì)算機(jī)軟件標(biāo)準(zhǔn)RTCA-178等。但是，F(xiàn)AA還是為部分機(jī)載設(shè)備保留了自己制定的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。

作為一種重要的機(jī)載設(shè)備，F(xiàn)AA認(rèn)為APU的適航管理應(yīng)該與其他機(jī)載設(shè)備相類似，并為其單獨(dú)頒布了技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定FAA TSO C77《燃?xì)鉁u輪輔助動(dòng)力裝置》，目前，現(xiàn)行有效的版本為b版。考慮到作為高溫工作的渦輪機(jī)械，APU有結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性的特點(diǎn)，對(duì)安全性的要求已經(jīng)超出了一般的機(jī)載設(shè)備，因此，EASA已經(jīng)將APU的適航管理技術(shù)要求至與發(fā)動(dòng)機(jī)相同的層級(jí)，即頒布專門的適航規(guī)章CS-APU《輔助動(dòng)力裝置合格證規(guī)范》。可見作為特殊的、復(fù)雜的機(jī)載設(shè)備，作為世界范圍內(nèi)最有經(jīng)驗(yàn)的兩個(gè)局方對(duì)APU的重要性都有著深刻的認(rèn)識(shí)。

但遺憾的是，全球最主要的APU生產(chǎn)商霍尼韋爾和漢勝都位于美國(guó)，且EASA與FAA直接已經(jīng)簽署了雙邊協(xié)議。原則上，對(duì)方頒發(fā)的型號(hào)合格證和技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定項(xiàng)目批準(zhǔn)書都可以在對(duì)方獲得認(rèn)可，僅需要局方對(duì)其認(rèn)為有區(qū)別的項(xiàng)目進(jìn)行適航驗(yàn)證。在實(shí)際操作中，EASA往往補(bǔ)充審定FAA頒證的APU并頒發(fā)ETSOA（E即European，歐洲技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定項(xiàng)目批準(zhǔn)書），而對(duì)于EASA 頒發(fā)ETSOA的APU型號(hào)則由FAA進(jìn)行確認(rèn)。截至目前，雖然EASA為APU制定了專門的規(guī)章，但僅有法國(guó)Microturbo的Rubis系列和捷克První brněnská strojírna Velká Bíte， a.s.的Saphir 5系列等5個(gè)型號(hào)按CS-APU取得了ETSOA并由EASA負(fù)責(zé)持續(xù)適航管理，而且還有Microturbo的eAPU60還在適航審查過(guò)程中。

3.3 我國(guó)對(duì)APU的適航管理方式

我國(guó)適航主管部門沒有獨(dú)立審查APU的經(jīng)驗(yàn)，根據(jù)現(xiàn)行有效的CCAR37部的規(guī)定，APU也應(yīng)采用TSOA方式取證或采用隨機(jī)取證的方式[3]。

4 FAA TSO C77b與EASA CS-APU的異同

美國(guó)的FAA是世界上歷史最悠久、適航審查和處理事故經(jīng)驗(yàn)最豐富的適航管理機(jī)構(gòu)。在相當(dāng)長(zhǎng)的一段時(shí)間內(nèi)，其制定的FAR系列規(guī)范一直作為世界通行的適航文件使用。在歐洲，英法航空工業(yè)強(qiáng)國(guó)的適航規(guī)范也是源于FAR。同樣的，F(xiàn)AA制定的TSO標(biāo)準(zhǔn)也是各局方參考的重要文件之一。FAA于1981年7月20日首次頒布了TSO C77a作為APU的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。

隨著歐洲走向一體化，特別是為了推進(jìn)空中客車項(xiàng)目的合作，1988年歐洲共同體成立了聯(lián)合航空局（Joint Airworthiness Authorities，JAA），JAA在FAR系列規(guī)范的基礎(chǔ)上結(jié)合英、法、德、意、西等國(guó)的適航工作經(jīng)驗(yàn)，制定了更為詳細(xì)具體的JAR規(guī)范。在制定標(biāo)準(zhǔn)之初JAA選擇了TSO C77a的現(xiàn)行版本為藍(lán)本編制了輔助動(dòng)力裝置的規(guī)范，并且將該規(guī)范上升至與發(fā)動(dòng)機(jī)等重要機(jī)載設(shè)備的適航規(guī)范的高度，這就是JAR-APU《輔助動(dòng)力裝置許可證規(guī)范》。

隨著歐洲一體化進(jìn)程的推進(jìn)，在2004年在歐盟的授權(quán)下，旨在統(tǒng)一各國(guó)民航安全體系的歐洲航空安全局（European Aviation Safety Agency， EASA）正式成立了，并在2009年取代JAA成為歐盟各國(guó)唯一的適航管理機(jī)構(gòu)，在EASA正式成立之前，就已開始參考JAR系列適航規(guī)范進(jìn)行了適航文件的編制工作，現(xiàn)行的EASA CS-APU是其2003年10月編制完成并生效的。目前，EASA CS系列規(guī)范已經(jīng)發(fā)展成與FAR同等影響力的適航規(guī)范。

與CS系列標(biāo)準(zhǔn)相同，CS-APU《輔助動(dòng)力裝置許可證規(guī)范》分為2卷（book）。第一卷是適航標(biāo)準(zhǔn)，該卷共4個(gè)分部（Part A-D）。由于TSO C77a在2000年的更改中被換版，隨后JAR-APU也相應(yīng)做出了更改。因此，B分部至D分部與TSO C77b的附件1《燃?xì)鉁u輪輔助動(dòng)力裝置裝置最低可接受標(biāo)準(zhǔn)》的第5-7條基本對(duì)應(yīng)。A分部則涵蓋了附件1 前4條內(nèi)容及附件2《型號(hào)規(guī)范編制要求》、附件3《安裝操作說(shuō)明編制要求》、附件4《持續(xù)適航說(shuō)明編制要求》的大部分內(nèi)容[4][5]。

與其他EASA頒布的適航規(guī)范相似，CS-APU的第二卷的卷名為“可以接受的符合規(guī)范要求的方法”（AMC部分），EASA在制定標(biāo)適航規(guī)范時(shí)結(jié)合之前適航工作的經(jīng)驗(yàn)，在這部分加入了更多的指導(dǎo)意見和驗(yàn)收方法和標(biāo)準(zhǔn)。第二卷是對(duì)第一卷內(nèi)容的解說(shuō)、分析和對(duì)滿足規(guī)范的操作方法的具體規(guī)定。在AMC-APU主要的條目有AMC CS-APU210安全分析和AMC CS-APU220防火。AMC CS-APU210給出了確定關(guān)鍵件的原則及安全分析的方法和各等級(jí)風(fēng)險(xiǎn)的典型事故模式，為取證時(shí)完成安全分析帶來(lái)了便利。AMC CS-APU220則明確了具體零件發(fā)生火災(zāi)的后果、防火和耐火2個(gè)等級(jí)在耐火試驗(yàn)驗(yàn)證中的具體差別、各典型零件的耐火試驗(yàn)的典型方法等信息，極為有利于新申請(qǐng)人參考操作。此外，AMC CS-460超溫試驗(yàn)明確規(guī)定以渦輪后42℃超溫代替渦輪前42℃可以接受；CS-470包容性給出了關(guān)鍵轉(zhuǎn)子件的選取方法及可接受的替代分析方法。[5]

除此之外在具體條目、特別是具體試驗(yàn)要求上，EASA CS-APU與FAA TSO C77b基本一致，如持久試驗(yàn)的圖譜完全一致、超轉(zhuǎn)試驗(yàn)115%的最低超轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速、42℃的超溫要求均完全相同。兩者只存在一些表述上的區(qū)別，受篇幅所限不再一一贅述。

可見，EASA CS-APU與FAA TSO C77b在具體要求上沒有差別，可視為等效規(guī)章。

5 我國(guó)APU適航工作的開展原則與展望

長(zhǎng)期以來(lái)，我國(guó)航空工業(yè)在民用航空領(lǐng)域一直落后于世界先進(jìn)水平，在APU研制方面未能有型號(hào)開展適航工作。因此，我國(guó)的適航當(dāng)局中國(guó)民航局（CAAC）適航司一直未確定APU的適航規(guī)章或技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，且沒有相關(guān)的審查經(jīng)驗(yàn)。由于中美兩國(guó)曾簽署雙邊適航互認(rèn)協(xié)議，且有其他機(jī)載設(shè)備的先例，中國(guó)民航局適航司接受新APU型號(hào)CTSOA申請(qǐng)人選取TSO C77b（或后續(xù)有效版本）作為審定基礎(chǔ)的可能性較大。

而CS-APU的AMC部分對(duì)具體的分析和試驗(yàn)給出了操作性極強(qiáng)的指導(dǎo)意見，可以將其要求作為符合性驗(yàn)證方法進(jìn)行申報(bào)，或作為進(jìn)行具體試驗(yàn)、編制具體文件的重要依據(jù)。

綜上，選擇選取TSO C77b或后續(xù)有效版本作為輔助動(dòng)力裝置的CTSOA審定基礎(chǔ)，同時(shí)，研究借鑒CS-APU中的具體要求作為確定符合性驗(yàn)證方法的依據(jù)，可作為我國(guó)后續(xù)開展輔助動(dòng)力裝置適航的一條有效途徑。

參考文獻(xiàn)

[1]中國(guó)民用航空總局適航司.中國(guó)民用航空器適航規(guī)章CCAR-33R2：航空發(fā)動(dòng)機(jī)適航規(guī)定[Z].2011.

[2]中國(guó)民用航空總局適航司.中國(guó)民用航空器適航規(guī)章CCAR-21-R3：民用航空產(chǎn)品和零部件合格審定規(guī)定[Z].2007.

[3]中國(guó)民用航空局適航司.中國(guó)民用航空器適航規(guī)章CCAR-37：民用航空材料、零部件和機(jī)載設(shè)備技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定[Z].1992.

[4]Federal Aviation Administration. Technical Standard Order Subject： TSO-C77b， GAS TURBINE AUXILIARY POWER UNITS[Z].2000.

[5]European Aviation Safety Agency. Certification Specification for Auxiliary Power Unites CS-APU[Z].2003.