民用支線飛機輔助動力裝置的適航要求分析

鮑夢瑤，李 果，徐 亮

(1.中國民航管理干部學院航空器適航審定系，北京100102；2.國際民航組織航行局運行安全科適航室，蒙特利爾H3C5H7；3.北京航空航天大學飛機/發(fā)動機綜合系統(tǒng)安全性北京市重點實驗室，北京100191；4.中國航空工業(yè)集團公司金城南京機電液壓工程研究中心，江蘇211106)

1 引言

輔助動力裝置(APU)是安裝在飛機上的一套不依賴機外任何能源、自成體系的小型發(fā)動機，其具有壓氣機、燃燒室、渦輪和控制等系統(tǒng)，且大都是從燃氣渦輪發(fā)動機直接衍生發(fā)展而來[1-3]。APU作為飛機輔助動力系統(tǒng)中最為核心的子系統(tǒng)，其進排氣裝置、發(fā)動機起動裝置、控制子系統(tǒng)及安裝子系統(tǒng)是圍繞APU建立并服務(wù)的。目前，面對我國MA700、C919和蛟龍600等民用飛機的適航取證及未來市場壓力，適航審定部門及工業(yè)部門按照國際和國內(nèi)的適航標準，從APU的初始設(shè)計到組裝生產(chǎn)實施全過程的質(zhì)量監(jiān)控；同時，從方案制定開始，適航標準應(yīng)貫穿到設(shè)計、工程、驗收和產(chǎn)業(yè)化等各個階段。

現(xiàn)階段我國輔助動力裝置的中國民用航空技術(shù)標準規(guī)定CTSO-C77b[4]及運輸類飛機適航規(guī)章CCAR-25-R4[5]，基本上是依據(jù)美國聯(lián)邦航空局(FAA)的技術(shù)標準規(guī)定 TSO-C77b[6]及 FAR-25[7]制定。但我國適航規(guī)章制定與美方適航規(guī)章制定航空技術(shù)和產(chǎn)品融合發(fā)展的歷程不同，我國CTSO-C77b和CCAR-25-R4很大程度上直接借鑒了美方適航規(guī)章和技術(shù)標準，缺少先期對于規(guī)章所覆蓋技術(shù)的專門性、系統(tǒng)性研究，且缺乏經(jīng)歷與工業(yè)實踐融合的過程。這種現(xiàn)狀導致各方在研究條款的符合性方法和驗證項目上存在資料缺乏、基礎(chǔ)薄弱的問題，這也是制約順利取證的關(guān)鍵。

基于此，本文從上述問題出發(fā)，針對輔助動力裝置的CTSO-C77b追溯產(chǎn)生及衍變歷史，并根據(jù)條款內(nèi)容和技術(shù)特點對條款分類；并在此基礎(chǔ)上，通過對比分析FAR-33/CCAR-33R2與CTSO-C77b條款要求的關(guān)聯(lián)性，提出一種借鑒FAR-33/CCAR-33R2技術(shù)資料及相關(guān)研究成果來分析APU輔助動力裝置的適航要求的方法，并對代表性適航條款進行實例分析，研究結(jié)果對我國輔助動力裝置適航體系建設(shè)提供一定的依據(jù)和參考。

2 APU適航要求的確定

在民用飛機的適航要求下，輔助動力裝置有著專門的技術(shù)標準規(guī)定CTSO-C77b[4]。該技術(shù)標準規(guī)定適用于燃氣渦輪輔助動力裝置申請技術(shù)標準規(guī)定項目批準書(CTSOA)，規(guī)定了APU為獲得適航批準和使用適用的最低性能標準，即主要對APU系統(tǒng)的適航要求做出了明確的規(guī)定。

此外，由于APU屬于航空器的子系統(tǒng)且需考慮其對航空器本身的影響，故APU同樣受到更高層級(飛機級)的CCAR-25-R4[5]的約束。如：CCAR-25-R4“G分部：使用限制和資料”中第25.1522“輔助動力裝置限制”條款，其原文要求是“如果飛機上裝有輔助動力裝置，必須將為輔助動力裝置制定的各項限制，包括使用類別，規(guī)定為飛機的使用限制”。對于該條款，要求輔助動力裝置的限制應(yīng)包含在飛機使用限制中，而對輔助動力裝置本身未涉及具體技術(shù)要求。再如：“C分部：結(jié)構(gòu)”中第25.363“發(fā)動機和輔助動力裝置支架的側(cè)向載荷”條款，其原文要求是“(a)發(fā)動機和輔助動力裝置支架及其支承結(jié)構(gòu)必須按橫向限制載荷系數(shù)(作為作用在發(fā)動機和輔助動力裝置支架上的側(cè)向載荷)進行設(shè)計，此系數(shù)至少等于由偏航情況得到的最大載荷系數(shù)，但不小于下列數(shù)值：(1)1.33；(2)第 25.333(b)條所述的飛行情況A的限制載荷系數(shù)的三分之一”。對于該條款，其明確給出了輔助動力裝置支架及其支承結(jié)構(gòu)在設(shè)計中應(yīng)考慮的所受載荷系數(shù)值，同樣對輔助動力裝置本身未涉及具體技術(shù)要求?？梢?，CCAR-25-R4部中有關(guān)APU的要求往往與飛機級的要求結(jié)合在一起，在具體要求的描述中并不是以APU為重點，而主要是飛機對輔助動力裝置的限制和安裝方面的規(guī)定。因此，本文主要圍繞CT?SO-C77b開展其適航要求和條款的研究。

3 CTSO-C77b的歷史衍變

如前所述，由于我國的CTSO-C77b很大程度上直接借鑒FAA的TSO-C77b，故對我國CTSO-C77b歷史衍變的分析，可通過梳理美國TSO-C77b的歷史衍變并結(jié)合美軍標中的APU要求進行。

FAA為簡化審定流程和要求，在20世紀80年代末徹底取消技術(shù)標準規(guī)定的總綱性文件FAR-37，改為采用專業(yè)技術(shù)協(xié)會的標準作為技術(shù)要求。由于APU是一種重要的機載設(shè)備，F(xiàn)AA一直為其單獨頒布技術(shù)標準規(guī)定TSO-C77，自1963年5月發(fā)布TSO-C77以來共修訂過2次，即1981年7月發(fā)布的TSO-C77a及2000年12月發(fā)布的TSO-C77b，現(xiàn)行有效版本為b版。兩次修訂的歷史背景主要是由于APU技術(shù)的發(fā)展帶來的APU標準的不斷修訂，展開而言：

第一階段：在20世紀50、60年代，APU結(jié)構(gòu)簡單，作用單一，主要是軸功率輸出型APU在軍用飛機上得到廣泛采用，與之對應(yīng)的MIL-P-8686《飛機輔助動力裝置通用規(guī)范》[8]的要求也比較少[1]。同時，對于民用飛機主要采用壓縮空氣輸出型APU，該階段APU的特點是：APU壓比小于4，渦輪前溫度為1 100～1 150 K，采用機械液壓式燃油控制器，功率在200 kW左右。所以，隨后產(chǎn)生的TSO-C77標準中的適航要求也比較簡單。

第二階段：20世紀80年代，由于壓縮空氣輸出型APU安裝位置靈活，有利于飛機系統(tǒng)布局，并能提供氣、電等多種能源，壓縮空氣輸出型APU成為主要發(fā)展方向，所以美國海軍和空軍分別相應(yīng)地制定出了更為全面詳細要求的MIL-P-85573《飛機輔助動力裝置通用規(guī)范》[9]和MIL-A-87229《機載輔助動力裝置通用規(guī)范》[10]，且美國汽車工程師協(xié)會(SAE)以美國Garrett公司的安裝手冊為藍本，制定出了AIR 4204《飛機輔助動力裝置安裝設(shè)計指南》[1，11]。同時，由于燃料價格飛漲，要求壓縮空氣輸出型APU向提高性能方向發(fā)展，在降低單位燃油消耗率的同時減少APU體積和質(zhì)量。在這種背景下，F(xiàn)AA發(fā)布了TSO-C77a，修訂對該型APU的最低性能標準以滿足適航要求。

第三階段：20世紀90年代末，為適應(yīng)電傳操縱對不間斷提供輔助能源的要求，在軍用戰(zhàn)斗機上APU開始與應(yīng)急動力裝置(EPU)進行組合和綜合。同時，為降低使用費用，更加注重提高APU的可靠性，相繼出現(xiàn)了一些壓比、渦輪前溫度和使用高度更高的APU新產(chǎn)品。因此，對APU需求的增加促進了APU技術(shù)的發(fā)展，也帶動了FAA針對新的APU技術(shù)和更高的安全性要求對TSO-C77a進行修訂并最終發(fā)布了TSO-C77b。

隨著我國軍民用飛機對APU需求的增加，APU標準的制定也日益迫切。為此，我國以MIL-P-85573為藍本，參考TSO-C77a中的部分內(nèi)容，制定了HB 7114-94《飛機燃氣渦輪輔助動力裝置通用規(guī)范》[12]，并以AIR 4204《飛機輔助動力裝置安裝設(shè)計指南》為藍本制定了HB/Z 312-98《飛機輔助動力裝置安裝設(shè)計指南》[13]。同時，在借鑒并翻譯TSO-C77b的基礎(chǔ)上，于2014年5月30日批準形成我國的CTSO-C77b。所以我國CTSO-C77b很大程度上直接借鑒了美方適航規(guī)章和技術(shù)標準，沒有經(jīng)歷與工業(yè)實踐融合的過程。

4 APU適航條款在CTSO-C77b中的分類要求

CTSO-C77b給出了輔助動力裝置詳細的適航條款要求，并包含了對進排氣裝置、發(fā)動機起動裝置、控制子系統(tǒng)的規(guī)定。其中，CTSO-C77b的附錄1中明確了APU的最低性能指標，并分為總則、所有APU的設(shè)計和構(gòu)造、所有APU的型號驗證、I類APU的附加要求4個大類；此外，包含附錄附加要求的為I類APU，不包含附錄附加要求的為II類APU，如表1所示。

表1 CTSO-C77b中的APU條款分類Table 1 The classification of APU provision in CTSO-C77b

需要指出：由于CTSO-C77b涉及到輔助動力系統(tǒng)相關(guān)的各類技術(shù)問題，如果按照技術(shù)標準原文分類，較不便于綜合分析研究。如：條款6.1“總則”僅是說明“所有APU的型號驗證”部分要求適用于I類APU和II類APU，所以本文按照各條款的內(nèi)容和技術(shù)特點重新進行分類。其中，將如條款6.1這類描述性條款和通用條款歸為“一般性要求”或“手冊和文件類要求”，如表2所示，并按表中分類對部分條款進行初步研究和解讀。

5 APU適航條款的技術(shù)內(nèi)涵研究方法

如上所述，我國的CTSO-C77b基本依據(jù)FAA的TSO-C77b制定，雖然FAA針對APU的技術(shù)標準規(guī)定進行了兩次修訂，但對上述修訂背后的具體技術(shù)內(nèi)涵沒有相關(guān)公開可查詢的咨詢通告(AC)或解釋說明性文件。傳統(tǒng)的中美適航規(guī)章對比分析研究，通常基于條款和咨詢通告的解讀。但由于TSO-C77b現(xiàn)狀和上述特點，直接分析其條款背后的技術(shù)內(nèi)涵存在一定困難。

值得注意的是，輔助動力系統(tǒng)的核心是APU，其他4個子系統(tǒng)(進排氣裝置、發(fā)動機起動裝置、控制子系統(tǒng)及安裝子系統(tǒng))是圍繞其服務(wù)的，而輔助動力裝置從本質(zhì)上來說可看成航空渦輪發(fā)動機的改進或改型。由此說明，該輔助動力裝置在設(shè)計和符合性說明及驗證時，可嘗試借鑒航空發(fā)動機適航規(guī)章FAR-33/CCAR-33R2[14-15]的條款要求。對此，特將FAR-33/CCAR-33R2條款與CTSO-C77b條款進行了對比，如表3所示?？梢姡耙话阈砸蟆焙汀笆謨院臀募愐蟆钡南嚓P(guān)條款(表中以刪除線表示)這類本身并無特別技術(shù)內(nèi)涵的敘述類條款外，絕大多數(shù)條款具有一一對應(yīng)或關(guān)聯(lián)的性質(zhì)。

表2 以技術(shù)和內(nèi)容特點為基礎(chǔ)的CTSO-C77b適航條款分類Table 2 The classification of airworthiness provision in CTSO-C77b based on technical and content characteristics

此外，從內(nèi)容上看，F(xiàn)AR-33/CCAR-33R2條款的要求和技術(shù)內(nèi)涵要高于CTSO-C77b條款要求，選擇CTSO-C77b部第5.11條“壽命限制”和CCAR-33R2中第33.70條“發(fā)動機限壽件”進行典型適航條款要求的關(guān)聯(lián)性對比，如表4所示?？梢?，嘗試借鑒FAR-33/CCAR-33R2條款的技術(shù)內(nèi)涵分析輔助動力系統(tǒng)的適航條款基本合理可行，并可保證分析的充分性。

表3 CTSO-C77b與FAR-33/CCAR-33R2適航條款的關(guān)聯(lián)性Table 3 The relevance of airworthiness provision between CTSO-C77b and FAR-33/CCAR-33R2

表4 CTSO-C77b部和CCAR-33R2部中典型適航條款要求的關(guān)聯(lián)性對比(壽命限制/發(fā)動機限壽件)Table 4 The relevance of typical airworthiness provision between CTSO-C77b and CCAR-33R2(Life limitations/Engine life-limited parts)

6 結(jié)論

本文針對民用支線飛機輔助動力裝置適航條款CTSO-C77b開展初步研究。首先從輔助動力裝置在航空器系統(tǒng)中的層級出發(fā)，結(jié)合FAA TSO-C77b分析其產(chǎn)生和衍變歷史；然后根據(jù)條款內(nèi)容和技術(shù)特點對條款重新分類。在上述基礎(chǔ)上，通過對比分析FAR-33/CCAR-33R2與CTSO-C77b條款要求的關(guān)聯(lián)性，提出可以借鑒航空發(fā)動機適航規(guī)章的技術(shù)資料及相關(guān)研究成果來分析研究APU輔助動力裝置的適航要求，并對以“CTSO-C77b：第5.11條壽命限制”為代表的典型條款進行實例分析。主要結(jié)論可概括如下：

(1)輔助動力裝置適航條款研究的重點是CTSO-C77b，而難點在于我國直接借鑒美方技術(shù)標準，缺乏與工業(yè)實踐的融合和經(jīng)驗積累。

(2)按照CTSO-C77b內(nèi)容和技術(shù)特點的條款重新分類方法，便于條款的技術(shù)解讀及分析工作。

(3)FAR-33/CCAR-33R2條款與CTSO-C77b條款存在對應(yīng)或關(guān)聯(lián)關(guān)系，且FAR-33/CCAR-33R2條款的要求和技術(shù)內(nèi)涵要高于CTSO-C77b條款，借鑒FAR-33/CCAR-33R2條款的技術(shù)內(nèi)涵有助于合理分析輔助動力系統(tǒng)的適航條款，也可在一定程度上保證分析的充分性。

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