民用航空發(fā)動機新技術(shù)應(yīng)用與適航策略

■ 單曉明 周淳/中國航發(fā)動研所

新技術(shù)的應(yīng)用極大地推動了民用航空發(fā)動機的發(fā)展，同時也是適航審查的關(guān)注重點:一方面,新技術(shù)推動了適航規(guī)章的發(fā)展完善;另一方面,適航規(guī)章的修訂也引發(fā)了新的技術(shù)研究熱點，促進(jìn)了適航驗證技術(shù)的發(fā)展。

進(jìn)入21世紀(jì)以來，民用航空發(fā)動機呈現(xiàn)加速發(fā)展態(tài)勢，歐美幾大航空發(fā)動機生產(chǎn)巨頭在占領(lǐng)全球絕大多數(shù)市場的同時，依然持續(xù)投入巨額研發(fā)資金，推動大量新技術(shù)的研發(fā)和應(yīng)用，引領(lǐng)發(fā)動機行業(yè)的技術(shù)發(fā)展方向。在氣動熱力、結(jié)構(gòu)強度、控制和診斷、新材料和新工藝等方面，涌現(xiàn)出全三維氣動設(shè)計技術(shù)、高度集成的高轉(zhuǎn)速小型附件設(shè)計技術(shù)、雙層機匣包容性設(shè)計技術(shù)、低污染排放燃燒室設(shè)計技術(shù)、金屬基/樹脂基復(fù)合材料設(shè)計及制備技術(shù)、增材制造（3D打?。┘夹g(shù)、分布式控制技術(shù)等一系列新技術(shù)。這些新技術(shù)的應(yīng)用使新一代民用航空發(fā)動機性能更好，結(jié)構(gòu)更緊湊，安全水平更高，運營和維修工作更簡單，噪聲及污染物排放水平更低?？梢哉f，未來民用航空發(fā)動機更安全、更可靠、更經(jīng)濟(jì)、更環(huán)保的發(fā)展趨勢是依靠不斷涌現(xiàn)的新技術(shù)推動的。

新技術(shù)應(yīng)用與適航的關(guān)系

民用航空發(fā)動機，須接受適航管理部門的適航審查，表明產(chǎn)品符合適航法規(guī)要求，通過適航認(rèn)證并取得型號合格證是其進(jìn)入民機市場的必要條件。適航管理的本質(zhì)是國家適航管理部門代表公眾對民用航空的安全性進(jìn)行監(jiān)管；適航規(guī)章實質(zhì)上是由管理部門制定的航空產(chǎn)品市場準(zhǔn)入的最低安全標(biāo)準(zhǔn)，是航空工業(yè)多年經(jīng)驗教訓(xùn)的總結(jié)。從安全性評估角度，可以認(rèn)為采用已經(jīng)過實踐檢驗的成熟技術(shù)更容易通過適航審查。然而，民用航空發(fā)動機的發(fā)展離不開新技術(shù)應(yīng)用，而新技術(shù)應(yīng)用勢必會超出現(xiàn)有適航規(guī)章要求，帶來新的安全課題。因此各國適航法規(guī)中都明確規(guī)定審查方需將新技術(shù)作為審查重點，例如，在我國AP-21-AA-2011-03-R4《航空器型號合格審定程序》4.2.2“必要的信息”中，要求工業(yè)方必須提交“新設(shè)計、新技術(shù)、新材料、新工藝等有關(guān)說明或報告”，將其作為重要問題進(jìn)行識別和計劃。對新技術(shù)的審查實際上也是度量新技術(shù)與適航規(guī)章要求之間差距的過程，無疑會推動適航規(guī)章的修訂和完善。另一方面，由于適航規(guī)章對安全的關(guān)注，基于事故總結(jié)而新增或修訂的條款要求，也會牽引新技術(shù)的發(fā)展方向，開辟新的研究領(lǐng)域?？梢哉f，新技術(shù)的發(fā)展是與適航規(guī)章的完善相輔相成的。

新技術(shù)應(yīng)用推動適航規(guī)章的修訂

新技術(shù)應(yīng)用推動適航規(guī)章要求的不斷完善

新技術(shù)雖然是適航審查的重點，但并不會導(dǎo)致適航規(guī)章的立即修訂。一般來說，采用了新技術(shù)，工業(yè)方須向適航審查方提交相關(guān)符合性驗證的說明文件。如果審查方判斷新技術(shù)未能被現(xiàn)有適航法規(guī)要求覆蓋，最初均會采用制定專用條件的方式進(jìn)行審查控制。只有新技術(shù)被廣泛使用，才會逐步轉(zhuǎn)為適航規(guī)章，提出相應(yīng)的驗證方法要求。

控制系統(tǒng)適航條款的修訂就是典型的由新技術(shù)發(fā)展引發(fā)適航規(guī)章修訂的案例。航空發(fā)動機控制經(jīng)歷了液壓機械式控制、機械和模擬/數(shù)字電子控制并存、全權(quán)限數(shù)字式電子控制（FADEC）幾個階段。20世紀(jì)70年代初期，模擬和數(shù)字電子控制系統(tǒng)進(jìn)入應(yīng)用階段并得到迅速發(fā)展。美國聯(lián)邦航空局（FAA）從1977年即開始關(guān)注數(shù)字式電子控制系統(tǒng)相關(guān)適航條款的制定，多次征求工業(yè)方的意見和建議。在1984年推出了發(fā)動機電子控制系統(tǒng)的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)草案，針對電子控制系統(tǒng)的設(shè)計與構(gòu)造、環(huán)境限制、軟件等提出要求。在1993年8月16日正式新增第33.28條“發(fā)動機電器和電子控制系統(tǒng)”。在此之前，有多款配裝FADEC系統(tǒng)的飛機在取證時制定了專用條件。例如，F(xiàn)AA針對配裝波音747-400飛機的FADEC系統(tǒng)的發(fā)動機，在1987年發(fā)布專用條件 No.25-ANM-24，明確要求工業(yè)方必須證實電子控制系統(tǒng)的完整性和可靠性與機械液壓系統(tǒng)相當(dāng)。第33.28條推出后，隨著FADEC技術(shù)的不斷推廣，不再局限于GE、普惠和羅羅等幾大制造商使用時，F(xiàn)AA在2001年推出了輔助條款解讀的咨詢通告AC28-1，給出了建議的符合性驗證指南。

新技術(shù)應(yīng)用逐步提高適航規(guī)章要求

新技術(shù)在推動適航規(guī)章修訂的同時，實質(zhì)上也逐漸抬高了民用航空發(fā)動機的市場準(zhǔn)入門檻。環(huán)保相關(guān)的適航要求很明顯地反映出這一趨勢。隨著航空運輸活動的急劇增長以及公眾環(huán)保意識的不斷提升，環(huán)保相關(guān)的污染排放和噪聲已納入適航法規(guī)要求。歐美主要航空工業(yè)巨頭在不斷加強低污染和低噪聲設(shè)計技術(shù)發(fā)展的同時，也不斷推動相關(guān)環(huán)保適航規(guī)章的修訂，環(huán)保要求日趨嚴(yán)苛。

以污染排放要求為例，國際民航組織（ICAO）于1983年成立了航空環(huán)境保護(hù)委員會（CAEP），負(fù)責(zé)研究并提出旨在最大化減少航空業(yè)對環(huán)境產(chǎn)生影響的方法，包括制定航空器噪聲和排放的標(biāo)準(zhǔn)。1986—2010年，共有5個標(biāo)準(zhǔn)先后制定和實行，分別是CAEP/1、CAEP/2、CAEP/4、CAEP/6和CAEP/8。從CAEP/1到CAEP/8，對氮氧化物NOx的排放要求日趨嚴(yán)格，后一個標(biāo)準(zhǔn)與前一個標(biāo)準(zhǔn)相比，后者分別降低了20%、16.5%、12%和15%。

CAEP在NOx排放方面標(biāo)準(zhǔn)的制定原則是緊跟航空發(fā)動機燃燒室技術(shù)成果。在制定NOx限值標(biāo)準(zhǔn)的時候，將參考近幾年來通過驗證的新型發(fā)動機排放指標(biāo)。美國和歐洲針對低污染燃燒技術(shù)的研究制訂了一系列研究計劃，例如，美國國家航空航天局（NASA）/GE 實驗清潔燃燒室項目（ECCP）、NASA/GE節(jié)能高效發(fā)動機項目（E3）、NASA先進(jìn)亞聲速飛機技術(shù)（AST）、超高效發(fā)動機技術(shù)（UEET）以及歐洲的清潔天空計劃等。在這些計劃的支持下，GE、普惠和羅羅公司新一代發(fā)動機的污染排放水平進(jìn)一步降低。GE公司2009年認(rèn)證的GEnx系列發(fā)動機采用了雙環(huán)預(yù)混旋流（TAPS）低污染燃燒室，NOx排放相比CAEP/6標(biāo)準(zhǔn)降低了50%～65.8%。普惠公司在2000年左右推出應(yīng)用先進(jìn)低氮氧化物排放（TALON） II燃燒室的發(fā)動機，NOx排放相比CAEP/6標(biāo)準(zhǔn)降低了15%以上。羅羅公司2006年通過驗證的遄達(dá) 970-84和遄達(dá)972-84的NOx排放相比CAEP/ 6標(biāo)準(zhǔn)降低了25%左右。在上述航空發(fā)動機巨頭的技術(shù)支持下，ICAO針對未來的NOx排放水平提出的遠(yuǎn)期目標(biāo)（2026年）比CAEP/6標(biāo)準(zhǔn)低60%?？梢哉f，未來對于民用航空發(fā)動機新入場者，環(huán)保的要求已成為一道越來越高的門檻。

TAPS低污染燃燒室

適航規(guī)章促進(jìn)新技術(shù)發(fā)展

適航規(guī)章修訂引發(fā)技術(shù)研發(fā)熱點

由于適航主要關(guān)注安全，因此事故的經(jīng)驗教訓(xùn)也是適航規(guī)章條款制定或修訂的一個重要推手。如果在排故過程中發(fā)現(xiàn)有可能導(dǎo)致機毀人亡災(zāi)難性事故的因素，適航管理部門將會及時推出適航指令，并規(guī)劃條款修訂。這樣的例子很多，例如，F(xiàn)AR-33部中新增的33.70條限壽件要求、33.76條吸鳥的大型群鳥驗證要求、25部附錄C過冷大粒徑水滴（SLD）環(huán)境要求，以及歐洲航空安全局（EASA）在2015年CS-E第4號修正案中，針對1050條新增要求考慮發(fā)動機暴露在危險火山灰中所受的影響等。

歐美適航當(dāng)局在規(guī)劃這些條款修訂的同時，會牽頭組織幾大主要發(fā)動機制造商開展一系列的研究工作，這些信息同樣也會在其他國家激起相關(guān)領(lǐng)域的研發(fā)熱潮。以新增的33.70條“發(fā)動機限壽件”為例，條款推出的動因起源于美國1989年蘇城空難和1996年潘城空難。蘇城空難是由含有鈦合金低密度夾雜的材料缺陷導(dǎo)致發(fā)動機風(fēng)扇盤失效引發(fā)，而潘城空難是由于螺栓孔加工缺陷導(dǎo)致盤失效，造成第一級風(fēng)扇盤解體誘發(fā)的。兩次空難暴露出，以往壽命分析采用的完美材料假設(shè)，無法對由于材料誘發(fā)缺陷所導(dǎo)致的潛在失效進(jìn)行有效評估。

在FAA的倡導(dǎo)下，美國各大高校和研究所從初始損傷、裂紋擴展、斷裂條件、隨機變量分布等方面開展了大量概率損傷容限設(shè)計研究。美國西南研究院聯(lián)合GE、普惠等航空發(fā)動機制造商開發(fā)了基于概率的損傷容限設(shè)計分析軟件DARWIN。我國學(xué)者從20世紀(jì)末開始也進(jìn)行了相關(guān)研究，例如，針對渦輪盤的裂紋擴展分析、概率損傷容限風(fēng)險評定程序研究、多裂紋結(jié)構(gòu)的概率損傷容限分析方法研究等。

航空發(fā)動機吸鳥試驗

新技術(shù)與適航規(guī)章要求共同促進(jìn)新的適航驗證技術(shù)發(fā)展

一些適航條款要求實質(zhì)是立足安全目的的原則要求，對于很多新技術(shù)仍然適用。為了表明這些新技術(shù)的安全水平符合適航要求，需要探索新的驗證思路和方法，從而推動適航驗證技術(shù)的發(fā)展。

多功能集成導(dǎo)致符合性驗證的復(fù)雜化 由于新一代發(fā)動機的結(jié)構(gòu)日趨緊湊，高度集成化設(shè)計使很多部件或附件集成了多項功能，由此帶來符合性驗證的復(fù)雜化。例如，中法合作正在研制的第四代先進(jìn)渦軸發(fā)動機WZ16的附件傳動機匣集成了傳動、滑油箱、功率輸出、滑油系統(tǒng)等多方面的功能，大量集成了內(nèi)部油路、氣路，使附件之間全部采用機匣內(nèi)部油路連接，大大減少了零件數(shù)量，相對以往的發(fā)動機，外部管路數(shù)量減少了25%～30%。

與之相對應(yīng)的，附件傳動機匣需要驗證的適航條款也必須覆蓋上述功能相關(guān)的所有適用條款，例如33.17條“防火”、33.71條“潤滑系統(tǒng)”等，因此在安排驗證試驗時需要統(tǒng)籌考慮，盡可能地降低驗證成本。此外，高度的集成也為單個試驗的規(guī)劃增加了難度，以防火驗證為例，附件傳動機匣中既有滑油箱也包含多條可燃液體管路，按照咨詢通告AC33.17-1A，防火試驗的火焰沖擊位置應(yīng)該通過試驗件對火的影響最臨界的特征進(jìn)行分析或試驗確定。顯而易見，高度集成的油箱和可燃液體管路增加了分析難度和試驗的復(fù)雜性。

新材料、新工藝的驗證新思路新材料、新工藝是航空發(fā)動機技術(shù)進(jìn)步的重要基礎(chǔ)，也是適航審查的重中之重。為確保發(fā)動機所用材料的適用性和耐用性，33.15條“材料”要求新材料新工藝的驗證建立在充分試驗的基礎(chǔ)上，通過對大量試驗數(shù)據(jù)的統(tǒng)計分析來表明材料標(biāo)準(zhǔn)和相關(guān)工藝規(guī)范科學(xué)合理，整個加工過程可控，設(shè)計中使用的材料性能數(shù)據(jù)可靠。由于新材料、新工藝往往具有獨特的特性，可能與常規(guī)金屬材料的鑒定方法不同，還需要針對其具體特點規(guī)劃驗證方案。

WZ16發(fā)動機附件傳動前機匣組合（含滑油箱）

例如，應(yīng)用于航空發(fā)動機冷端的樹脂基復(fù)合材料，具有設(shè)計、制造、評估一體的特性，每一種新的復(fù)合材料都應(yīng)規(guī)劃其適用的鑒定程序。鑒定需要以零部件工程化應(yīng)用為需求，按照積木式驗證步驟，逐級開展試樣和元件級別試驗，用于材料和工藝的選擇與驗證，并建立材料數(shù)據(jù)庫，然后進(jìn)行典型結(jié)構(gòu)件、組合件、部件級別的試驗，用于結(jié)構(gòu)設(shè)計、工藝設(shè)計的選擇與驗證。整個材料的鑒定過程需要適航審查方介入見證。目前比較熱門的3D打印技術(shù)也存在類似問題，雖然國際上已經(jīng)有3D打印的部件進(jìn)入型號服役，但其鑒定思路尚未像復(fù)合材料一樣形成業(yè)內(nèi)較為統(tǒng)一的方案。

數(shù)值仿真驗證技術(shù) 隨著數(shù)值仿真技術(shù)在航空發(fā)動機領(lǐng)域的飛速發(fā)展，經(jīng)試驗數(shù)據(jù)校核的數(shù)值仿真分析逐步成為符合性驗證不可缺少的組成部分。例如，在進(jìn)行33.68 條“進(jìn)氣系統(tǒng)的結(jié)冰”符合性驗證時，可以通過數(shù)值仿真分析確定關(guān)鍵試驗點，結(jié)冰的數(shù)值模擬用于說明結(jié)冰系數(shù)和相關(guān)空氣動力學(xué)影響，例如，風(fēng)扇入口和核心機入口的水收集系數(shù)、關(guān)鍵表面的水撞擊率、空速影響、發(fā)動機結(jié)構(gòu)影響和飛行高度影響等。此外，歐洲的一些公司正推動適航當(dāng)局接受一些強度方面的試驗可用數(shù)值仿真驗證的方法表明符合性。例如，歐洲賽峰直升機發(fā)動機公司已經(jīng)采用數(shù)值仿真分析的方法替代轉(zhuǎn)子件的低循環(huán)疲勞壽命驗證試驗。

GE公司3D打印的薄壁燃燒室火焰筒

新技術(shù)應(yīng)用的適航策略考慮

對于民用航空發(fā)動機，新技術(shù)的應(yīng)用是不可避免的。因此，為確保新技術(shù)順利通過適航審查，有必要針對新技術(shù)制定合適的適航策略。

追蹤新技術(shù)的發(fā)展并適時采用

在民用航空發(fā)動機市場中，新技術(shù)的應(yīng)用是競爭取勝的重要籌碼。歐美各大航空發(fā)動機制造商一直持續(xù)投入巨資進(jìn)行新技術(shù)研發(fā)，不斷加大技術(shù)領(lǐng)先優(yōu)勢，在引領(lǐng)民用航空發(fā)動機發(fā)展方向的同時，也推動適航規(guī)章要求的不斷完善和提升。毫無疑問，對于民用航空發(fā)動機市場的新入場者，要獲得市場的準(zhǔn)入資格，搶占屬于自己的市場份額，更應(yīng)該及時追蹤新技術(shù)的發(fā)展方向，加大新技術(shù)的研發(fā)力度并適時在產(chǎn)品上應(yīng)用。

追蹤適航規(guī)章的修訂趨勢

我國航空發(fā)動機的研制周期通常較長，從研制立項到申請取證往往歷時5～10年，在此期間適航規(guī)章可能經(jīng)過多次修訂。為確保規(guī)章的修訂不會影響型號研制進(jìn)展，在型號研制初期就應(yīng)該對規(guī)章的修訂趨勢進(jìn)行追蹤。FAA和EASA是世界適航規(guī)章編制和修訂的引領(lǐng)者，因此工業(yè)方可以通過分析FAA和EASA發(fā)布的規(guī)章修訂提案、專用條件、事故調(diào)查報告、咨詢通告等相關(guān)文件，及時掌握適航規(guī)章的修訂進(jìn)展，了解適航規(guī)章可能的修訂方向。

新技術(shù)的驗證方案應(yīng)與研制同步規(guī)劃

由于新技術(shù)是適航管理部門的審查重點，局方不僅關(guān)注新技術(shù)最終的應(yīng)用結(jié)果，還關(guān)注整個新技術(shù)的研發(fā)過程，以確保新技術(shù)具有足夠的成熟度。例如，新材料和新工藝，通常要求提供從原材料制備到最終產(chǎn)品相關(guān)的一系列規(guī)范及過程控制記錄，這些程序復(fù)雜且時間跨度大。因此，在民用航空發(fā)動機的型號研發(fā)中，工業(yè)方應(yīng)在研制初期盡早識別新技術(shù)，在研發(fā)階段加大驗證力度，努力提升新技術(shù)的成熟度，同時及早與局方進(jìn)行溝通，討論新技術(shù)專用條件的制定及驗證方法，以降低研制和取證風(fēng)險。

結(jié)束語

航空發(fā)動機能力的提升依賴航空發(fā)動機各方面新技術(shù)的發(fā)展。新技術(shù)的應(yīng)用在不斷提升發(fā)動機性能、可靠性、經(jīng)濟(jì)性等的同時，也為航空發(fā)動機整體的安全性引入了新的不確定因素，為適航認(rèn)證帶來了新的課題。

總之，新技術(shù)的發(fā)展促進(jìn)了適航規(guī)章的修訂完善，而適航規(guī)章的更新也促進(jìn)了新技術(shù)在整個行業(yè)內(nèi)的推廣，實質(zhì)上提高了整個民用航空發(fā)動機產(chǎn)業(yè)的安全水平。對于有意角逐民機市場的新入場者，既需要不斷追蹤新技術(shù)的發(fā)展，規(guī)避未來適航認(rèn)證中因規(guī)章修訂導(dǎo)致的潛在風(fēng)險，也需要關(guān)注適航規(guī)章的修訂趨勢，及時把握新技術(shù)的發(fā)展方向。在項目研制初期，盡早規(guī)劃新技術(shù)相關(guān)的適航策略，加大適航驗證相關(guān)技術(shù)、設(shè)備的研發(fā)投入，確保最終產(chǎn)品適航認(rèn)證的順利開展。