軍用渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)吞鳥適航符合性驗(yàn)證研究

晏祥斌，張 瓊，許 多

(中國(guó)航發(fā)四川燃?xì)鉁u輪研究院，成都610500)

軍用渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)吞鳥適航符合性驗(yàn)證研究

晏祥斌，張 瓊，許 多

(中國(guó)航發(fā)四川燃?xì)鉁u輪研究院，成都610500)

針對(duì)我國(guó)軍用渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)尚未形成吞鳥適航符合性驗(yàn)證要求及評(píng)價(jià)準(zhǔn)則的問題，在分析國(guó)家軍用標(biāo)準(zhǔn)與適航規(guī)章中有關(guān)渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)吞鳥驗(yàn)證要求異同的基礎(chǔ)上，明確了適用于軍用渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)吞鳥適航符合性驗(yàn)證的主要參數(shù)，并進(jìn)一步闡明了吞鳥適航符合性驗(yàn)證的程序及評(píng)價(jià)準(zhǔn)則。建議的吞鳥驗(yàn)證參數(shù)及試驗(yàn)程序以同時(shí)兼顧適航要求及國(guó)軍標(biāo)要求為前提，對(duì)我國(guó)軍用渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)吞鳥適航符合性驗(yàn)證具有積極的指導(dǎo)意義。所確定的軍用渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)吞鳥適航符合性驗(yàn)證評(píng)價(jià)準(zhǔn)則，能夠?yàn)橥跳B試驗(yàn)的符合性判定提供參考。

軍用渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)；吞鳥；適航；符合性驗(yàn)證；評(píng)價(jià)準(zhǔn)則

1 引言

隨著航空領(lǐng)域的快速發(fā)展，鳥類對(duì)飛行的危害不斷凸顯。據(jù)美國(guó)空軍統(tǒng)計(jì)，1956～1973年間發(fā)生航空發(fā)動(dòng)機(jī)吞鳥事件112次[1]，且在此之后發(fā)動(dòng)機(jī)吞鳥事件時(shí)有發(fā)生。2002年丹麥北方飛行航空公司一架飛機(jī)因遭遇鳥群在起飛后墜毀，2007年法航一架飛機(jī)因起飛吞鳥而失控，2009年全美航空一架飛機(jī)因發(fā)動(dòng)機(jī)吞鳥導(dǎo)致雙發(fā)失效而迫降。吞鳥已對(duì)航空發(fā)動(dòng)機(jī)的安全性構(gòu)成巨大威脅，為此適航規(guī)章中對(duì)航空發(fā)動(dòng)機(jī)吞鳥提出了具體的驗(yàn)證要求。

歐美國(guó)家于上世紀(jì)40年代開始進(jìn)行鳥撞擊飛機(jī)的研究，70年代初針對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)吞鳥問題提出了明確驗(yàn)證要求，并相繼在FAR-33部[2]及CS-E[3]中提出民用航空發(fā)動(dòng)機(jī)吞鳥適航要求。美國(guó)于上世紀(jì)80年代將適航理念引入軍用航空器研制[4]，適航吞鳥要求成為軍用航空發(fā)動(dòng)機(jī)研制必須考慮的問題。我國(guó)亦針對(duì)軍用航空發(fā)動(dòng)機(jī)吞鳥陸續(xù)開展了相關(guān)研究[5-10]，并制定了相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)。目前，我國(guó)軍用航空發(fā)動(dòng)機(jī)吞鳥 試驗(yàn)依據(jù) GJB 3727-1999[11]及 GJB 241A-2010[12]要求實(shí)施，適航吞鳥驗(yàn)證則依據(jù)CCAR-33R2[13]開展，尚未在考慮適航要求的基礎(chǔ)上對(duì)軍用渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)吞鳥的符合性驗(yàn)證進(jìn)行研究。為此，本文針對(duì)軍用渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)吞鳥問題，以適航要求為基礎(chǔ)，參考我國(guó)軍用航空發(fā)動(dòng)機(jī)吞鳥試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)，研究軍用渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)吞鳥適航符合性驗(yàn)證，以期獲得可同時(shí)滿足適航及國(guó)軍標(biāo)要求的吞鳥驗(yàn)證要求，為我國(guó)軍用渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)吞鳥的適航符合性驗(yàn)證提供參考。

2 軍用渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)吞鳥適航符合性要求的形成

我國(guó)軍用航空發(fā)動(dòng)機(jī)吞鳥研究始于20世紀(jì)80年代，并相繼在GJB 3727-1999及GJB 241A-2010中提出了吞鳥試驗(yàn)要求，其適航驗(yàn)證要求則依據(jù)借鑒于FAR-33部的CCAR-33R2第33.76條“吞鳥”執(zhí)行。FAR-33部“吞鳥”條款源于FAR-33部第6修正案33.77條“外物吸入”。因吞鳥危害的逐漸凸顯，美國(guó)民用航空局(FAA)將吞鳥對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的影響確定為研究項(xiàng)目，并與JAR-E《發(fā)動(dòng)機(jī)合格證規(guī)范》相協(xié)調(diào)，于FAR-33部第20號(hào)修正案中正式列入33.76條“吞鳥”條款。隨之，為幫助驗(yàn)證吞鳥對(duì)33.76條的符合性，相繼公布了咨詢通告AC33.76-1[14]及AC33.76-1A[15]。當(dāng)前，美國(guó)軍用規(guī)范MIL-E-5007D及其他各國(guó)適航規(guī)章的發(fā)動(dòng)機(jī)部分，如FAA的FAR-33部、歐洲航空安全局(EASA)的CS-E等，均對(duì)航空發(fā)動(dòng)機(jī)的吞鳥進(jìn)行了嚴(yán)格規(guī)定。而我國(guó)軍用渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)適航吞鳥符合性驗(yàn)證，則綜合參考了CCAR-33R2第33.76條、AC33.76-1A及GJB 3727-1999的要求，其驗(yàn)證要求的形成如圖1所示。

圖1 我國(guó)軍用渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)吞鳥適航驗(yàn)證要求的形成Fig.1 Shape of bird ingestion airworthiness verification demands for military turbofan of China

3 發(fā)動(dòng)機(jī)吞鳥軍用要求與適航標(biāo)準(zhǔn)的差異性分析

適航性被引入軍用渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)研制中，不但要求吞鳥試驗(yàn)符合國(guó)軍標(biāo)[11-12]要求，亦須滿足適航CCAR-33R2第33.76條要求。發(fā)動(dòng)機(jī)吞鳥的主要影響因素包括鳥的類型、鳥速、鳥的數(shù)量、轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速、撞擊密度及撞擊位置等。分析可知，針對(duì)試驗(yàn)類型，適航要求在標(biāo)準(zhǔn)天氣條件下產(chǎn)生100%(大型群鳥為至少90%)起飛推力(功率)條件下，按需進(jìn)行大鳥、大型群鳥、中鳥及小鳥的符合性驗(yàn)證。而GJB 3727-1999及GJB 241A-2010要求，按需進(jìn)行初始爬升、3 000 m高度內(nèi)巡航及1 000 m高度內(nèi)下滑3種條件下的小鳥和中鳥考核試驗(yàn)及最大狀態(tài)(或連續(xù)狀態(tài)轉(zhuǎn)速)下的大鳥吞入考核試驗(yàn)。針對(duì)吞入大鳥、中鳥及小鳥，兩類要求在鳥的質(zhì)量、鳥的數(shù)量、撞擊密度及撞擊位置上等效，但因使用環(huán)境的差異，國(guó)軍標(biāo)與適航要求在鳥速、轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速的選取上有差異，見表1。

表1 吞鳥適航要求與國(guó)軍標(biāo)要求主要影響因素的差異對(duì)比Table 1 Comparison of main influencing parameters between national military standards and airworthiness requirements of bird ingestion

4 軍用渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)吞鳥適航符合性驗(yàn)證要求

4.1 吞鳥適航符合性驗(yàn)證參數(shù)

為獲取建議的軍用渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)吞鳥適航符合性驗(yàn)證參數(shù)，確定以下基本原則：①考慮軍用渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)與民用航空發(fā)動(dòng)機(jī)在用途上的差異；②鑒于適航要求源于近一個(gè)世紀(jì)的經(jīng)驗(yàn)積累，以適航要求為基礎(chǔ)確定符合性驗(yàn)證參數(shù)；③所確定的驗(yàn)證參數(shù)及程序至少能滿足國(guó)軍標(biāo)要求及適航要求的最低標(biāo)準(zhǔn)。

基于以上原則可知，在鳥的質(zhì)量、鳥的數(shù)量、撞擊密度及撞擊位置的要求上，CCAR-33R2第33.76條與GJB 3727-1999及GJB 241A-2010基本等效，因此以適航要求為標(biāo)準(zhǔn)選取試驗(yàn)參數(shù)。對(duì)于鳥速，軍用航空發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)用于作戰(zhàn)環(huán)境，具有高于民機(jī)的速度要求，因此以GJB 3727-1999為基礎(chǔ)，選取較為苛刻的一個(gè)鳥速。對(duì)于轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速，因適航要求以標(biāo)準(zhǔn)天氣條件下產(chǎn)生100%的起飛推力為基準(zhǔn)進(jìn)行轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速選取，可操作性強(qiáng)，也較軍用吞鳥要求更為苛刻，所以參數(shù)選取以適航要求為基準(zhǔn)。同時(shí)，依據(jù)適航要求加入大型群鳥驗(yàn)證。確定的吞鳥適航符合性驗(yàn)證參數(shù)如表2所示。

表2 建議的吞鳥適航符合性驗(yàn)證參數(shù)[11-13]Table 2 The propositional parameters of airworthiness compliance verification

4.2 吞鳥適航符合性驗(yàn)證程序

以吞鳥適航符合性驗(yàn)證要求為基礎(chǔ)，以國(guó)軍標(biāo)作為補(bǔ)充，獲取的軍用渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)吞鳥適航符合性驗(yàn)證程序見圖2。

圖2 吞鳥適航符合性驗(yàn)證程序Fig.2 Airworthiness compliance verification flow of bird ingestion

吞鳥適航符合性驗(yàn)證程序的確定，考慮了驗(yàn)證項(xiàng)目的全面性、驗(yàn)證程序的合理性及驗(yàn)證是否考慮了較苛刻的吞鳥條件等因素。開展吞鳥試驗(yàn)過程中，依據(jù)進(jìn)氣道喉道面積確定開展的吞鳥試驗(yàn)類型。如有規(guī)定數(shù)量的中鳥通過了發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子葉片，則可不再進(jìn)行吞入小鳥試驗(yàn)[13]。根據(jù)驗(yàn)證程序可知，吞鳥試車為驗(yàn)證的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。以CCAR-33R2第33.76條要求的試車程序?yàn)榛A(chǔ)，以GJB 3727-1999為補(bǔ)充，獲得的運(yùn)用于不同吞鳥試驗(yàn)類型的試車程序如圖3所示。

5 軍用渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)吞鳥適航符合性驗(yàn)證評(píng)價(jià)準(zhǔn)則

吞鳥對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)造成的結(jié)構(gòu)損傷主要有風(fēng)扇損壞、風(fēng)扇葉片斷裂、壓氣機(jī)葉片損壞、葉片非包容等，性能影響則可能有推力(功率)損失、喘振、失速、起飛中斷等。確定結(jié)構(gòu)損傷及性能影響的依據(jù)主要通過以下手段獲?。孩偻跳B試車過程中所獲取的發(fā)動(dòng)機(jī)穩(wěn)態(tài)數(shù)據(jù)及瞬態(tài)數(shù)據(jù)；②試車過程中獲取的鳥的軌跡、撞擊姿態(tài)、撞擊部位、撞擊速度，及試驗(yàn)件的變形和破碎、喘振、尾噴口噴火等過程；③分解檢查中，以目視、磁力探傷、滲透檢查、X射線、超聲波等檢測(cè)到的發(fā)動(dòng)機(jī)損傷[12]。

圖3 建議的吞鳥符合性驗(yàn)證試車程序[11、13]Fig.3 The suggested running up program of the bird ingestion compliance verification

發(fā)動(dòng)機(jī)吞鳥試驗(yàn)的符合性評(píng)價(jià)通常從發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度及性能兩方面來判定是否達(dá)到考核標(biāo)準(zhǔn)[16]。結(jié)構(gòu)上主要關(guān)注吞鳥導(dǎo)致的發(fā)動(dòng)機(jī)及部件(如風(fēng)扇葉片、風(fēng)扇進(jìn)口導(dǎo)葉、前軸承機(jī)匣及發(fā)動(dòng)機(jī)安裝節(jié)等)的結(jié)構(gòu)是否完整、能否正常工作。性能上主要關(guān)注吞鳥后的推力損失、恢復(fù)情況及發(fā)動(dòng)機(jī)穩(wěn)定工作情況[17]。依據(jù)文獻(xiàn)[16]可知，吞入大鳥時(shí)，因其對(duì)結(jié)構(gòu)的影響較氣動(dòng)性能的影響大，側(cè)重關(guān)注其對(duì)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的影響；吞入中鳥及小鳥，則需要重點(diǎn)關(guān)注結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和性能兩方面的影響。符合性驗(yàn)證要求吞鳥后對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)和性能的影響不超過規(guī)定的限制，其評(píng)判準(zhǔn)則見圖4。

圖4 國(guó)軍標(biāo)與適航條款的驗(yàn)證評(píng)價(jià)準(zhǔn)則Fig.4 Verification evaluation criteria of national military standard and airworthiness clause

可見國(guó)軍標(biāo)的評(píng)價(jià)準(zhǔn)則與適航要求之間大同小異，其中適航的符合性評(píng)判更加關(guān)注試車過程中發(fā)動(dòng)機(jī)狀態(tài)的保持，而國(guó)軍標(biāo)更加注重吞鳥后發(fā)動(dòng)機(jī)的恢復(fù)情況。通常，吞鳥會(huì)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)造成嚴(yán)重危害，發(fā)動(dòng)機(jī)能夠恢復(fù)正常運(yùn)行狀態(tài)的概率較低。國(guó)軍標(biāo)要求發(fā)動(dòng)機(jī)吞入中/小鳥后能在規(guī)定時(shí)間內(nèi)恢復(fù)吞鳥前的工作狀態(tài)看似苛刻，實(shí)際上是要求發(fā)動(dòng)機(jī)吞鳥后具有繼續(xù)工作的能力，能夠續(xù)航使飛機(jī)安全降落[18]。通過分析國(guó)軍標(biāo)與適航符合性評(píng)價(jià)準(zhǔn)則，獲得的軍用渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)吞鳥符合性驗(yàn)證基本評(píng)價(jià)準(zhǔn)則見表3。

表3 軍用渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)吞鳥符合性驗(yàn)證評(píng)價(jià)準(zhǔn)則Table 3 The verification evaluation criteria for the bird ingestion of military turbofan

6 結(jié)論

通過對(duì)比我國(guó)航空發(fā)動(dòng)機(jī)吞鳥的適航標(biāo)準(zhǔn)與國(guó)軍標(biāo)要求之間的差異，在兼顧吞鳥適航要求與國(guó)軍標(biāo)要求的前提下，明確了軍用渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)吞鳥適航符合性驗(yàn)證的主要參數(shù)及基本驗(yàn)證程序，對(duì)軍用渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)吞鳥的符合性驗(yàn)證具有積極的指導(dǎo)作用。同時(shí)，本文確定的軍用渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)吞鳥適航符合性驗(yàn)證的符合性評(píng)價(jià)準(zhǔn)則，能為吞鳥試驗(yàn)的符合性判定提供指導(dǎo)。

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Airworthiness compliance verification of bird ingestion for military turbofan engine

YAN Xiang-bin，ZHANG Qiong，XU Duo
(AECC Sichuan gas turbine establishment，Chengdu 610500，China)

Aiming at the problem that there are no airworthiness regulation requirements and evaluation cri?teria for bird ingestion of national military turbofan engine,based on analysis of the differences between air?worthiness requirements and national military standard requirements about bird ingestion,the main parame?ters applied to the airworthiness compliance of bird ingestion in verification process of military turbofan en?gine were put forward,also the airworthiness compliance verification processes and evaluation criteria for military turbofan engine are expounded.Propositional bird ingestion parameters and the verification process?es were confirmed on the premise of satisfying the requirements from airworthiness minimum safety and na?tional military standard,which have positive guidance significance for bird ingestion airworthiness compli?ance verification of the military turbofan engine.And the defined evaluation criteria are referential for the judgment of bird ingestion compliance verification test.

military turbofan engine；bird ingestion；airworthiness；compliance verification；evaluation criteria

V23；V328

A

1672-2620(2017)04-0051-05

2016-08-16；

2017-07-30

晏祥斌(1988-)，男，云南宣威人，助理工程師，碩士，主要研究方向?yàn)檫m航技術(shù)與適航管理。