運輸類旋翼航空器潤滑系統(tǒng)失效試驗適航條款研究

陳兆晨 尹星研

（中國航發(fā)湖南動力機械研究所，湖南 株洲 412002）

運輸類旋翼航空器潤滑系統(tǒng)失效試驗適航條款研究

陳兆晨 尹星研

（中國航發(fā)湖南動力機械研究所，湖南 株洲 412002）

對運輸類旋翼航空器傳動潤滑系統(tǒng)失效試驗適航條款進行追蹤分析，研究該條款的衍變歷程和最新發(fā)展動態(tài)，詮釋該條款的技術(shù)內(nèi)涵，明確了條款的適用范圍及可能的失效模式，列舉出適航條款符合性驗證方法。

旋翼航空器； 減速器； 潤滑系統(tǒng)失效； 適航條款分析

直升機傳動系統(tǒng)是直升機的3大關(guān)鍵部件之一，潤滑系統(tǒng)是直升機傳動系統(tǒng)的重要組成部分。直升機旋翼傳動系統(tǒng)潤滑系統(tǒng)發(fā)生失效的概率雖然較小，但一旦潤滑系統(tǒng)失效，對減速器是最嚴酷的考驗。當潤滑系統(tǒng)失效，潤滑與冷卻條件惡化，主要轉(zhuǎn)動零件的工作溫度急劇升高，減速器便迅速進入干運轉(zhuǎn)狀態(tài)，可能使減速器在短時間內(nèi)破壞，完全失去功率傳遞的功能，造成災(zāi)難性事故。為保證直升機安全，旋翼航空器適航規(guī)章要求當旋翼傳動系統(tǒng)潤滑系統(tǒng)失效后，仍能在規(guī)定條件下工作一定時間（30min或15min）。因此，旋翼傳動系統(tǒng)潤滑系統(tǒng)失效適航要求及符合性驗證方法方面的研究倍受關(guān)注。

本文主要對運輸類旋翼航空器適用的潤滑系統(tǒng)失效試驗條款進行追蹤解析，并對適航當局就該問題的適航條款修訂工作進行分析，解讀條款的技術(shù)內(nèi)涵，分析符合性驗證方法，并結(jié)合具體民機型號的工程應(yīng)用進行簡要分析。從加強適航要求和標準發(fā)展角度為民用旋翼航空器傳動系統(tǒng)設(shè)計提出建議。

1 適航條款衍變歷程、內(nèi)容及最新發(fā)展動態(tài)

1.1 相關(guān)適航條款衍變歷程

美國聯(lián)邦航空局（FAA）于1964 年11月24日頒布的首版FAR29《運輸類旋翼航空器適航標準》。其后對FAR29中與潤滑系統(tǒng)失效相關(guān)的條款29.927有3次修訂，修訂情況見表1。

表1 FAR29.927修訂歷程

從2002年7月至今，F(xiàn)AA又發(fā)布了FAR29的第29-25至29-55共18個修正案，并未涉及29.927內(nèi)容的修訂。

歐洲航空安全局（EASA）于2003年基于歐洲聯(lián)合航空局（JAA）2002年發(fā)布的JAR-29 “Large Rotorcraft”第三修正案發(fā)布了CS-29《大型旋翼航空器審定規(guī)范》的首版。為實現(xiàn)與FAR29適應(yīng)性，在規(guī)章中刪除了與FAR29不同的條款要求，并且在CS-29可接受的符合性方法部分提出參考FAA的咨詢通告（AC）。其后，EASA發(fā)布CS-29的2個修正案也未對潤滑系統(tǒng)失效試驗要求進行修改。目前CS29.927與FAR29.927對滑油系統(tǒng)失效的要求一致。

中國民航總局（CAAC）所頒布的航空器適航規(guī)章體系主要是以FAA適航規(guī)章體系為藍本加以翻譯后頒布實施，并對FAA適航規(guī)章的變化進行跟進。CAAC于1988年4月21日首次發(fā)布實施CCAR-29《運輸類旋翼航空器適航標準》，對應(yīng)FAA FAR29的29-24號修正案。CAAC于2002年7月2日對規(guī)章進行了第一次修訂，新修訂的CCAR-29-R1《運輸類旋翼航空器適航規(guī)定》相當于FAR29第29-47修正案。目前CCAR29.927與FAR29.927對滑油系統(tǒng)失效的要求一致。CCAR29.927具體修訂情況見表2。

表2 CCAR29.927修訂歷程

基于以上分析可知，中、美、歐三方適航當局所發(fā)布的運輸類旋翼航空器適航規(guī)定對傳動潤滑系統(tǒng)失效試驗的要求是一致的。

1.2 適航條款內(nèi)容

目前，F(xiàn)AA、EASA和CAAC對旋翼傳動系統(tǒng)的潤滑系統(tǒng)失效試驗制定的適航條款為FAR/CS/CCAR 29.927“附加試驗”的（c）款“潤滑系統(tǒng)失效試驗”，內(nèi)容為：“對旋翼傳動系統(tǒng)正常工作所需的潤滑系統(tǒng)，必須滿足下列要求：（1）A類 除非這種失效的可能性極小，否則，必須用試驗表明在飛行機組覺察到潤滑系統(tǒng)失效或潤滑劑損失后的至少30min內(nèi)，在申請人所規(guī)定的繼續(xù)飛行用的扭矩和轉(zhuǎn)速下，在任何正常使用的潤滑系統(tǒng)內(nèi)造成滑油損失的任何損壞不會阻止繼續(xù)安全飛行，雖然不一定不造成損傷。（2）B類 適用與A類相同的要求，但旋翼傳動系統(tǒng)在自轉(zhuǎn)情況下只需要工作至少15min。”

1.3 最新發(fā)展動態(tài)

隨著直升機的廣泛應(yīng)用，各種航空事故及事故征候不斷出現(xiàn)，基于安全的考慮，這些事故及事故征候必然會影響適航規(guī)章的發(fā)展。

2009年3月12日，加拿大Cougar直升機公司的S-92A“Jeanne D’Arc Breeze”直升機在執(zhí)行去Hibernia海上采油平臺的飛行任務(wù)中主減失去滑油，低壓報警，遂向St. John's基地返航。10min后，在距基地35海里處迫降時因速度過大墜入大西洋中。S-92直升機事故相關(guān)圖片如圖1所示。

該類事故進一步引起了各適航當局對旋翼傳動潤滑系統(tǒng)失效的關(guān)注。通過對FAA和EASA對該問題所發(fā)布文件分析可知，F(xiàn)AA和EASA認為目前FAR/CS 29.927（c）存在以下不足：

● 由于潛在的不可預(yù)見性和旋翼系統(tǒng)的復(fù)雜性，“可能性極小”這一描述是不夠準確的。難以確認可能性是否是“極小”的；

● 飛行員在感知直升機傳動系統(tǒng)潤滑系統(tǒng)失效的時間上也存在不確定性，因此CS 29.927（c）的試驗要求的“飛行機組覺察到潤滑系統(tǒng)失效或潤滑劑損失后的至少30min內(nèi)”本身就是不正確的；

● 潤滑系統(tǒng)是旋翼傳動系統(tǒng)的一個組成部分，是實現(xiàn)旋翼傳動系統(tǒng)持續(xù)安全工作的重要部件之一。然而，目前潤滑系統(tǒng)在CS29.917（b）規(guī)定的旋翼傳動系統(tǒng)設(shè)計評估之外，這也從側(cè)面造成了直升機潤滑系統(tǒng)的失效。

為保證安全并正確傳達適航要求的技術(shù)內(nèi)涵及審定意圖，在條款修訂之前，F(xiàn)AA于2012年7月6日對AC 29.927（c）進行了更改。EASA也基于FAA對AC29.927（c）的更改相應(yīng)地于2013年11月11日發(fā)布審定備忘錄CM-RTS-001 Issue: 01。

EA SA于2 0 1 4年5月通過規(guī)章制訂計劃RMT.0608宣布將開啟直升機減速器潤滑系統(tǒng)的規(guī)章（CS29.927（c））修訂工作，參加修訂任務(wù)的相關(guān)方包括加拿大民航局（TCCA）、美國聯(lián)邦航空局（FAA）、歐洲航空安全局（EASA）以及阿古斯塔·維斯蘭特、空客、西科斯基、貝爾、C-NLOPB 等直升機公司的技術(shù)專家。該項任務(wù)計劃修訂CS-29，特別是29.917（b）、29.927（c）條款和相關(guān)的指導(dǎo)材料。屆時，主要運輸類旋翼航空器制造商及EASA以外的國外適航當局也將接受該條款的修訂。

EA SA制定的解決方案包括修訂加拿大AWM29.927（c）和EASA CS29.927（c）試驗要求部分、針對AC29.927編制指南材料（GM）以及修訂AC29.917（將潤滑系統(tǒng)歸入旋翼傳動系統(tǒng)之中進行設(shè)計評估）等幾個方面。

為了解決現(xiàn)行要求存在的問題，EASA將通過修訂以上條款及其可接受的符合性方法（AMC）和指導(dǎo)材料（GM），進一步明確條款的意圖，修改試驗要求，以滿足預(yù)期的安全要求。這將有助于降低潤滑系統(tǒng)失效概率，降低任何可能出現(xiàn)的潤滑失效的后果。EASA還將要求在編制旋翼航空器飛行手冊的潤滑系統(tǒng)失效應(yīng)急程序時應(yīng)考慮到潤滑試驗的試驗結(jié)果，來提升直升機的干運轉(zhuǎn)能力，這將增加飛行機組安全降落的機會。

2 條款解析

FAA發(fā)布了咨詢通告AC29-2C《運輸類旋翼航空器適航規(guī)定咨詢通告》，用以指導(dǎo)適航審定人員和申請人更好地理解條款內(nèi)容，并準確地表明其符合性。對潤滑系統(tǒng)失效適航條款的理解，可充分參考AC29-2C及其更改文件中所包含的說明和程序建議。

2.1 適用性

29.927 （c）潤滑系統(tǒng)失效試驗條款適用于壓力潤滑系統(tǒng)，而尚未應(yīng)用于飛濺潤滑的減速器，因為從歷史上看它們的設(shè)計與壓力潤滑系統(tǒng)相比，并不關(guān)鍵或復(fù)雜。對于使用壓力潤滑和外部冷卻的傳動系統(tǒng)失去潤滑的可能性明顯更大一些。這是由于壓力潤滑系統(tǒng)和循環(huán)減速器外部滑油的附件日益增加的復(fù)雜性導(dǎo)致的。壓力潤滑系統(tǒng)常用于旋翼航空器主減速器，但也可用于輔助傳動或減速器。

2.2 失效模式

2.2.1 潤滑失效的原因

潤滑失效可能來自內(nèi)部和外部故障原因。故障包括但不限于滑油管路、連接緊固件、密封堵頭、密封墊圈、閥、泵、滑油濾、滑油冷卻裝置、附件安裝墊等的故障。如果傳動外部件（如主減機匣）已經(jīng)按照29.307、29.923（m）和29.571等適航條款進行結(jié)構(gòu)性驗證，傳動外部件裂紋所導(dǎo)致的泄露不需要作為滑油損失源考慮。

2.2.2 潤滑失效的后果

潤滑系統(tǒng)有兩個主要功能。首先是向接觸或摩擦副表面提供潤滑油，從而降低摩擦損失。二是散發(fā)齒輪嚙合和軸承摩擦所產(chǎn)生的熱能，從而保持結(jié)構(gòu)表面和材料的溫度。因此，潤滑損失導(dǎo)致部件間摩擦加劇，并使部件表面溫度升高。隨著部件表面溫度升高，元件表面硬度可降低，進一步導(dǎo)致構(gòu)件不能承載或傳遞荷載。傳動部件的熱膨脹會最終導(dǎo)致承受高載荷和轉(zhuǎn)速的軸承、軸頸、齒輪、軸和離合器等傳動件的機械失效。

2.3 對潤滑系統(tǒng)失效問題的處理方法

2.3.1 保證潤滑系統(tǒng)不失效或失效的可能性極小

在現(xiàn)有規(guī)章下，如果故障導(dǎo)致潤滑系統(tǒng)失效的可能性極小，則通過試驗驗證A類旋翼航空器具有至少30min的干運轉(zhuǎn)能力并非是必須的。但FAA和EASA認為由于潛在的不可預(yù)見性和旋翼系統(tǒng)的復(fù)雜性，甚至需要考慮可能由于傳動維護和使用不當導(dǎo)致的潤滑失效，“可能性極小”這一描述是不夠準確的。即難以確認可能性是否是“極小”的。

AC29-2C Change4明確指出輔助潤滑系統(tǒng)也應(yīng)該進行設(shè)計、構(gòu)造和功能性試驗方面的驗證工作，表明它可以完成其預(yù)期的功能，并符合§29.1309可能只適用于正常和輔助潤滑系統(tǒng)的任何電子軟件設(shè)計方面。但在AC29-2C （2003年2月12日以后的版本）的AC29.1309部分中有明確提出“29.1309不適用于旋翼傳動系統(tǒng)（參見29.917（b））”。

EASA 也認為潤滑系統(tǒng)是旋翼傳動系統(tǒng)的一個組成部分，是實現(xiàn)旋翼傳動系統(tǒng)持續(xù)安全工作的重要部件之一。然而，目前潤滑系統(tǒng)在CS29.917（b）規(guī)定的旋翼傳動系統(tǒng)設(shè)計評估之外，這也從側(cè)面造成了直升機潤滑系統(tǒng)的失效。EASA規(guī)章修訂文件 RMT.0608中也包含了對29.917（b）條款和相關(guān)的指導(dǎo)材料的修訂，計劃將潤滑系統(tǒng)歸入旋翼傳動系統(tǒng)之中進行設(shè)計評估。

因此，筆者認為通過對包含潤滑系統(tǒng)的傳動系統(tǒng)進行設(shè)計評估，特別是對設(shè)計有應(yīng)急或輔助潤滑系統(tǒng)的旋翼傳動系統(tǒng)進行設(shè)計評估，以確定整個潤滑系統(tǒng)失效的可能性極小，也是可以接受的符合性驗證方法，但該驗證方法要得到適航當局的認可方為有效。

2.3.2 滑油系統(tǒng)失效試驗

AC29.927 中指出29.927（c）款規(guī)定的試驗，是為了演示不考慮輔助潤滑系統(tǒng)和自潤滑軸承的前提下，旋翼傳動系統(tǒng)使用的潤滑系統(tǒng)萬一出現(xiàn)較大故障時，旋翼傳動系統(tǒng)將不會出現(xiàn)削弱機組人員完成應(yīng)急著陸和著陸能力的故障或失效。A類旋翼航空器應(yīng)具有故障后重要的連續(xù)飛行能力，以便選擇最后的最佳著陸時機，不要求在滑油系統(tǒng)故障后進行無限期飛行。29.927（c）的潤滑系統(tǒng)故障試驗結(jié)束時不要求試驗件處于可使用（恢復(fù)到使用）狀態(tài)。典型試驗的試驗細節(jié)參見表4與圖2。

值得注意的是，F(xiàn)AA和EASA 都認為飛行員在感知直升機傳動系統(tǒng)潤滑系統(tǒng)失效的時間上存在不確定性，因此29.927（c）的試驗要求的“飛行機組覺察到潤滑系統(tǒng)失效或潤滑劑損失后的至少30min內(nèi)”本身就是存在質(zhì)疑的。由于潤滑系統(tǒng)失效在飛行任務(wù)中的具有不確定性，那么在應(yīng)急程序中包括一個時間間隔或許是可以接受的。應(yīng)急程序中的時間間隔與經(jīng)臺架試驗驗證的延長時間相比應(yīng)充分的短，這一點應(yīng)該進行驗證。因此，延長臺架測試超過30min，雖然不是必須的，但卻是非常可取的做法。這將進一步提高旋翼航空器在惡劣環(huán)境的偏遠地域運行過程中到達一個合適的著陸條件位置能力，從而提高乘員安全性。

舉例來說，如果通過臺架試驗驗證主減速器達到45min的干運轉(zhuǎn)性能，超出適航條款要求的15min應(yīng)該大于失效報警的反應(yīng)時間，并對此進行相應(yīng)驗證，在一定程度上能夠滿足適航條款內(nèi)涵要求，最終保證潤滑系統(tǒng)失效條件的飛行安全。

表4 A、B類旋翼航空器潤滑系統(tǒng)失效試驗細節(jié)對比

3 符合性驗證方法

基于上文條款解析內(nèi)容可知，建議本條采用以下的符合性驗證方法：

● 結(jié)合29.927條款，對包含壓力潤滑系統(tǒng)的旋翼傳動系統(tǒng)進行設(shè)計評估，評估的方法主要是故障樹分析（FTA）和故障模式及影響分析（FMECA），從而確定壓力潤滑系統(tǒng)的失效概率和影響；

● 對壓力潤滑系統(tǒng)開展?jié)櫥到y(tǒng)失效試驗，即干運轉(zhuǎn)試驗，干運轉(zhuǎn)試驗時間應(yīng)大于30min，超過30min的時間應(yīng)被證明大于從系統(tǒng)失效到報警時間的反應(yīng)時間。

4 總結(jié)

目前，CAAC所發(fā)布的CCAR-29.927（c）的內(nèi)容與FAA和EASA的要求一致。2015年3月25日CAAC所發(fā)布的“十三五”適航審定專項規(guī)劃（草案）中明確要求“做好旋翼航空器適航標準的持續(xù)跟蹤研究和修訂工作。追蹤美歐旋翼航空器適航標準的修訂發(fā)展，適時修訂我國旋翼航空器適航標準。全面梳理旋翼航空器適航標準相關(guān)的咨詢通告等技術(shù)指導(dǎo)材料，建立制定我國自主技術(shù)指導(dǎo)材料和吸納國際技術(shù)指導(dǎo)材料的機制，形成完整的旋翼航空器適航標準的符合性驗證方法的指導(dǎo)材料”。CAAC必然會密切關(guān)注EASA和FAA對該條款的修訂情況，跟進技術(shù)先進國家的規(guī)章修訂情況。作為工業(yè)方，更需要關(guān)注國外適航標準的修訂情況，盡早將之納入到型號研制要求中考慮，才能掌握主動，做到主動適航，最終贏得市場。■

T-65

C

1003-6660（2017）03-0036-05

10.13237/j.cnki.asq.2017.03.009

[收修訂稿日期] 2017-02-22

（編輯：雨晴）