民機(jī)燃油系統(tǒng)結(jié)冰威脅適航要求及符合性驗(yàn)證試驗(yàn)研究

劉春陽(yáng) 李新

摘要：民用飛機(jī)燃油系統(tǒng)結(jié)冰威脅是型號(hào)設(shè)計(jì)審定過(guò)程中的重點(diǎn)和難點(diǎn)。通過(guò)分析適航局方及工業(yè)界對(duì)民用飛機(jī)燃油系統(tǒng)結(jié)冰威脅適航要求認(rèn)知的變遷，嘗試給出一種合理的符合性驗(yàn)證試驗(yàn)方法，即獲得供油系統(tǒng)內(nèi)的最大結(jié)冰量并驗(yàn)證用戶系統(tǒng)（發(fā)動(dòng)機(jī)/輔助動(dòng)力裝置）對(duì)該最大結(jié)冰量瞬間脫落造成的推力損失的容忍度，并指出了符合性驗(yàn)證活動(dòng)中需要重點(diǎn)考慮的因素，為民用飛機(jī)申請(qǐng)型號(hào)合格證提供一定的適航技術(shù)支持。

關(guān)鍵詞：燃油系統(tǒng)；結(jié)冰威脅；適航；驗(yàn)證試驗(yàn)

0 引言

民用飛機(jī)燃油系統(tǒng)結(jié)冰威脅適航要求早在1974年即由美國(guó)聯(lián)邦航空局（FAA）提出，隨后適航局方及工業(yè)界便在型號(hào)合格審定過(guò)程中開(kāi)始關(guān)注該適航要求的符合性方法。但是，早期普遍采用的符合性方法基于的假設(shè)之一是燃油中的水和冰晶總是均勻地分布在燃油中，忽視了冰晶在供油系統(tǒng)內(nèi)壁面聚積，及其隨后由于可能的振動(dòng)、溫升等因素造成瞬間脫落，并導(dǎo)致下游流道阻塞的不安全狀況，而這正是目前適航條款符合性研究的重中之重。目前，關(guān)于這種需考慮由冰在供油系統(tǒng)內(nèi)壁積聚并瞬間脫落帶來(lái)的威脅的符合性驗(yàn)證方法，在國(guó)內(nèi)外適航指導(dǎo)文獻(xiàn)中均尚未給出明確的規(guī)范。本文將闡述民用飛機(jī)燃油系統(tǒng)結(jié)冰威脅適航要求的認(rèn)知變遷，并嘗試對(duì)由供油系統(tǒng)內(nèi)壁冰積聚并瞬間脫落造成威脅的驗(yàn)證試驗(yàn)方法提出合理的推薦及重點(diǎn)考慮因素。

1 適航要求變遷及解讀

FAA在早期調(diào)查多起因燃油系統(tǒng)部件結(jié)冰造成的非指令性燃油傳輸事件后（如單向閥等被冰卡在開(kāi)位等），意識(shí)到有必要制定條款要求民用飛機(jī)燃油系統(tǒng)具備容忍含有一定量水的燃油的能力。因此，1974年10月31日，F(xiàn)AA對(duì)其14CFR25.951進(jìn)行了第36修正案的修訂，增加了（c）款要求，即用于渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)的燃油系統(tǒng)在使用下述狀態(tài)的燃油時(shí)，必須能在其整個(gè)流量和壓力范圍內(nèi)持續(xù)工作：燃油先在27℃（80T）時(shí)用水飽和，并且每10升燃油含有所添加的2毫升游離水（每1加侖含0.75毫升），然后冷卻到在運(yùn)行中很可能遇到的最臨界結(jié)冰條件。該條款自1974年頒發(fā)至今保持有效且未再次修訂。在此條款修訂后相當(dāng)長(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi)，新申請(qǐng)的機(jī)型在表明該條款符合性時(shí)，通常采用的符合性方法包括：在發(fā)動(dòng)機(jī)端設(shè)置燃油加溫器、在燃油中添加防冰添加劑、設(shè)計(jì)評(píng)估、將燃油系統(tǒng)部件與先前獲得型號(hào)合格證的機(jī)型進(jìn)行相似性分析、審定試飛并結(jié)合計(jì)算分析以表明發(fā)動(dòng)機(jī)和輔助動(dòng)力系統(tǒng)的燃油系統(tǒng)內(nèi)的燃油溫度不會(huì)長(zhǎng)時(shí)間低于0℃，以及進(jìn)行燃油系統(tǒng)部件結(jié)冰試驗(yàn)或這些符合性方法的組合，所開(kāi)展的符合性驗(yàn)證試驗(yàn)主要參照SAE ARP1401“飛機(jī)燃油系統(tǒng)和部件結(jié)冰試驗(yàn)州”[1]，其基于的一個(gè)基本假設(shè)即是燃油中的水總是均勻分布的。在這一時(shí)期，適航局方及工業(yè)界也基本認(rèn)為該符合性驗(yàn)證方法是充分的。

2008年1月17日，一架安裝了羅羅公司RB211 Trent895-17型渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)的波音777-200型飛機(jī)在倫敦希斯羅機(jī)場(chǎng)著陸時(shí)沖出跑道而損毀，事故現(xiàn)場(chǎng)及起落架損傷情如圖1所示。對(duì)于此事件，英國(guó)空難調(diào)查處（AAIB）和美國(guó)國(guó)家運(yùn)輸安全委員會(huì)（NTSB）對(duì)此事件展開(kāi)了聯(lián)合調(diào)查。調(diào)查結(jié)果表明，該事件是由進(jìn)近過(guò)程中燃油供油系統(tǒng)中的冰晶堵塞燃油濾網(wǎng)造成燃油流量降低進(jìn)而導(dǎo)致雙發(fā)非指令性推力下降所致，同時(shí)反映出之前采用的適航符合性驗(yàn)證方法并不能完全充分地表明不存在由燃油系統(tǒng)結(jié)冰引起的不安全狀態(tài)。隨后，AAIB和NTSB給出了一系列安全建議，要求對(duì)當(dāng)時(shí)的適航審定要求進(jìn)行重新評(píng)估以確保飛機(jī)和發(fā)動(dòng)機(jī)供油系統(tǒng)均能夠容忍潛在的結(jié)冰和/或供油系統(tǒng)內(nèi)突發(fā)的冰脫落[2]。與此同時(shí)，適航局方及工業(yè)界也認(rèn)識(shí)到，除燃油中可能夾雜的冰晶外，可能影響正常供油功能的燃油管路內(nèi)壁上積聚的危險(xiǎn)量的冰的瞬間脫落才是更大的威脅和挑戰(zhàn)。因此，如何表明所評(píng)估機(jī)型在供油系統(tǒng)內(nèi)壁上積聚最大量的冰以及瞬態(tài)冰脫落后的影響，成為了目前表明滿足25.951（c）款和25.952 （a）款適航要求的重點(diǎn)。

中國(guó)民用航空局（CAAC）規(guī)章體系建立較FAA晚，但對(duì)于燃油系統(tǒng)結(jié)冰威脅適航要求的認(rèn)知變遷基本與FAA保持一致。前期，國(guó)內(nèi)局方及工業(yè)界針對(duì)燃油系統(tǒng)結(jié)冰威脅方面的研究主要圍繞SAEARP1401“飛機(jī)燃油系統(tǒng)和部件結(jié)冰試驗(yàn)”開(kāi)展，如中國(guó)民用航空上海航空器適航審定中心主要起草的民航標(biāo)準(zhǔn)MH/T9004-2013“機(jī)燃油系統(tǒng)和部件結(jié)冰試驗(yàn)”[3]等。目前，由于認(rèn)知的變遷，各方均在重點(diǎn)圍繞瞬態(tài)冰脫落的情景開(kāi)展試驗(yàn)和驗(yàn)證技術(shù)研究。

2 符合性驗(yàn)證活動(dòng)推薦

對(duì)于表明供油系統(tǒng)部件結(jié)冰符合性所采用的傳統(tǒng)符合性方法，如設(shè)計(jì)說(shuō)明、計(jì)算分析、參照SAE AEP1401“飛機(jī)燃油系統(tǒng)和部件結(jié)冰試驗(yàn)”開(kāi)展實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)等，這些方法相對(duì)比較成熟，參考文獻(xiàn)及資料較多，本文不再贅述。以下將重點(diǎn)對(duì)供油系統(tǒng)內(nèi)冰積聚及瞬間脫落的威脅進(jìn)行符合性驗(yàn)證活動(dòng)闡述。

目前，針對(duì)25.951（c）款和25.952（a）款關(guān)于燃油供油系統(tǒng)內(nèi)冰積聚并瞬態(tài)脫落的威脅，適航局方考慮的適航要求可表述如下。

飛機(jī)/發(fā)動(dòng)機(jī)供油系統(tǒng)和飛機(jī)/APU供油系統(tǒng)均必須滿足：

·要么設(shè)計(jì)成能夠阻止在燃油箱內(nèi)以及供油系統(tǒng)內(nèi)的任何地方積聚的冰脫落進(jìn)入發(fā)動(dòng)機(jī)和APU供油系統(tǒng)；

·要么設(shè)計(jì)成在飛機(jī)/發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行包線內(nèi)所有點(diǎn)上積聚的冰的脫落不會(huì)造成發(fā)動(dòng)機(jī)推力/功率損失。

對(duì)于上文所提議的符合性方案，由于冰通常伴隨著燃油向下游流動(dòng)，主機(jī)廠往往難以設(shè)計(jì)出既能阻止脫落冰進(jìn)入用戶系統(tǒng)（發(fā)動(dòng)機(jī)/APU）又能確保正常供油的供油系統(tǒng)方案。因此，通常主機(jī)廠將選擇通過(guò)表明用戶系統(tǒng)（發(fā)動(dòng)機(jī)/APU）具備要求的燃油夾雜冰的容忍度來(lái)表明適航要求的符合性。以下給出通常推薦的試驗(yàn)科目要素描述。

2.1 供油系統(tǒng)內(nèi)最大結(jié)冰量試驗(yàn)

1）試驗(yàn)?zāi)康?/p>

獲得飛機(jī)供油系統(tǒng)內(nèi)的最大結(jié)冰量，為用戶系統(tǒng)（發(fā)動(dòng)機(jī)/APU）提供最嚴(yán)酷的瞬態(tài)冰脫落輸入。

2）試驗(yàn)對(duì)象

飛機(jī)燃油系統(tǒng)，包含燃油箱、供油泵、供油管路、切斷閥、單向閥、接頭等所有不能表明對(duì)冰積聚無(wú)益的飛機(jī)燃油系統(tǒng)部件，不包含發(fā)動(dòng)機(jī)和APU燃油系統(tǒng)。

3）試驗(yàn)設(shè)施及程序

試驗(yàn)設(shè)施可參考SAE ARP1401“飛機(jī)燃油系統(tǒng)和部件結(jié)冰試驗(yàn)”給出的試驗(yàn)平臺(tái)，試驗(yàn)程序亦可在SAE ARP1401基礎(chǔ)上進(jìn)行裁剪。需要注意的是，本試驗(yàn)需在SAE ARP1401基礎(chǔ)上做必要的試驗(yàn)條件更改，以便于觀察供油系統(tǒng)（管路）內(nèi)的結(jié)冰情況，并測(cè)量最臨界試驗(yàn)構(gòu)型及條件設(shè)置情況下的最大結(jié)冰量。

4）試驗(yàn)狀態(tài)及環(huán)境因素

影響試驗(yàn)有效性的關(guān)鍵影響因素除上述試驗(yàn)對(duì)象、試驗(yàn)設(shè)施及程序外，還包括試驗(yàn)燃油含水量、冷卻速率、燃油流速、試驗(yàn)持續(xù)時(shí)間、燃油溫度、試驗(yàn)燃油選取等[4]。為達(dá)到試驗(yàn)?zāi)康?，必須通過(guò)大量的文獻(xiàn)資料研究或工程試驗(yàn)積累，將這些影響因素以最合理的方式組合，從而獲取驗(yàn)證機(jī)型最可能遇到的最臨界的結(jié)冰量。

2.2 發(fā)動(dòng)機(jī)/APU供油系統(tǒng)夾雜冰濃度容忍試驗(yàn)

1）試驗(yàn)?zāi)康?/p>

確認(rèn)在2.1節(jié)所獲得的最大結(jié)冰量瞬間脫落并隨燃油進(jìn)入發(fā)動(dòng)機(jī)/APU燃油系統(tǒng)后不會(huì)造成發(fā)動(dòng)機(jī)/APU的推力/功率損失。

2）試驗(yàn)對(duì)象

被試系統(tǒng)及設(shè)備（發(fā)動(dòng)機(jī)/APU）。

3）試驗(yàn)設(shè)施

試驗(yàn)臺(tái)架應(yīng)具備向發(fā)動(dòng)機(jī)/APU供油系統(tǒng)入口短時(shí)間內(nèi)注入2.1節(jié)得出的最大結(jié)冰量當(dāng)量的水且使得水在注入后的瞬間能夠冷卻結(jié)為冰晶的功能，此外，還應(yīng)具備監(jiān)測(cè)發(fā)動(dòng)機(jī)/APU的推力/功率功能。

4）試驗(yàn)程序

控制燃油溫度及環(huán)境溫度在最臨界溫度，將2.1節(jié)獲得的最大結(jié)冰量的冰換算成當(dāng)量的含水量（水濃度），并以此作為試驗(yàn)輸入，分別向發(fā)動(dòng)機(jī)、APU的供油系統(tǒng)入口瞬間注入（注水時(shí)間由機(jī)型供油管路長(zhǎng)度、供油流速確定）當(dāng)量的水，監(jiān)測(cè)發(fā)動(dòng)機(jī)/APU的推力/功率波動(dòng)情況。

5）試驗(yàn)判據(jù)

試驗(yàn)過(guò)程中發(fā)動(dòng)機(jī)/APU推力/功率波動(dòng)在可接受范圍內(nèi)。

3 符合性驗(yàn)證活動(dòng)重點(diǎn)考慮

3.1 燃油臨界含水量

在開(kāi)展2.1節(jié)試驗(yàn)之前，必須首先確定臨界溫度下的臨界含水量（燃油臨界含水量），以確保2.1節(jié)驗(yàn)證試驗(yàn)獲得的最大結(jié)冰量為該型飛機(jī)燃油供油系統(tǒng)內(nèi)可能積聚的最臨界結(jié)冰量。為此，主機(jī)廠往往需要結(jié)合燃油系統(tǒng)設(shè)計(jì)特征開(kāi)展大量的分析與工程/驗(yàn)證試驗(yàn)，來(lái)獲得該機(jī)型可能存在的能夠造成供油系統(tǒng)內(nèi)最大結(jié)冰量的臨界燃油含水量。

這里需要指出的是，25.951（c）款明確給出的燃油含水量[5]是通常情況下考慮工業(yè)界常規(guī)的飛機(jī)燃油除水、排水系統(tǒng)設(shè)計(jì)特征，未按照工業(yè)界燃油質(zhì)量保證程序生產(chǎn)、運(yùn)輸、存儲(chǔ)、加油等操作導(dǎo)致的燃油含水量。在規(guī)劃表明符合性試驗(yàn)時(shí)，主機(jī)廠需通過(guò)分析及必要的試驗(yàn)表明該含水量是否覆蓋其飛機(jī)型號(hào)燃油箱內(nèi)可能的最大含水量（常溫狀態(tài)），如果已經(jīng)覆蓋，則該含水量可作為研究本節(jié)提到的燃油臨界含水量的初始含水量。

3.2 冷卻速率

冷卻速率是25.951（c）條要求的過(guò)飽和水冷卻到臨界溫度過(guò)程中影響燃油臨界含水量的重要因素之一。SAEARP1401指出，在配置一定含水量的燃油（常溫過(guò)飽和燃油）通過(guò)熱交換器冷卻的過(guò)程中，冷卻介質(zhì)與燃油之間的溫差一般不要超過(guò)13℃，否則將可能造成燃油中的水在熱交換器壁面上結(jié)冰[1]，影響燃油冷卻到最臨界結(jié)冰溫度時(shí)的非溶解水含水量，從而影響試驗(yàn)結(jié)果。

此外，相同含水量配置的燃油（常溫過(guò)飽和燃油）通過(guò)不同的冷卻速率冷卻到最臨界結(jié)冰溫度時(shí)燃油中的非溶解水含水量也不相同，這將直接影響形成的最大結(jié)冰量，因此，這里推薦在驗(yàn)證試驗(yàn)時(shí)采取所驗(yàn)證機(jī)型典型的冷卻速率。

3.3 燃油流速與試驗(yàn)持續(xù)時(shí)間

燃油中的水在低溫環(huán)境下形成的冰晶隨燃油流經(jīng)供油系統(tǒng)過(guò)程中，可能由于供油系統(tǒng)管路流道變化等影響在流道壁面積聚形成冰層，冰層厚度的增長(zhǎng)造成的流道幾何形狀的變化反過(guò)來(lái)會(huì)影響局部的燃油流速。流動(dòng)的燃油對(duì)壁面的冰積聚有一定的沖刷作用，不利于冰在流道壁面積聚，而這種對(duì)冰積聚的不利影響直接與燃油流速相關(guān)。當(dāng)這種沖刷作用與冰積聚的粘滯作用達(dá)到平衡時(shí)，供油系統(tǒng)流道壁面上積聚的冰層的厚度將不再增長(zhǎng)。

由此可見(jiàn)，燃油流速直接影響積聚冰層理論上能夠達(dá)到的最大厚度（假設(shè)試驗(yàn)持續(xù)時(shí)間足夠長(zhǎng)），而試驗(yàn)持續(xù)時(shí)間則直接關(guān)系到所驗(yàn)證機(jī)型實(shí)際能夠達(dá)到的冰層厚度（最大結(jié)冰量）。因此，2.1節(jié)試驗(yàn)時(shí)推薦選取所驗(yàn)證機(jī)型典型燃油流速與典型的低溫暴露時(shí)間（試驗(yàn)持續(xù)時(shí)間）。

4 總結(jié)

現(xiàn)階段國(guó)際上尚無(wú)針對(duì)民用飛機(jī)燃油供油系統(tǒng)內(nèi)冰積聚并瞬間脫落造成的威脅的符合性驗(yàn)證試驗(yàn)規(guī)范，國(guó)內(nèi)主機(jī)廠也尚無(wú)符合性驗(yàn)證試驗(yàn)先例，主機(jī)廠需開(kāi)展大量的理論研究、工程試驗(yàn)來(lái)研究各項(xiàng)試驗(yàn)影響因素的影響規(guī)律，從而確定合理的試驗(yàn)方案。因此，本文在研究大量文獻(xiàn)資料的基礎(chǔ)上，闡述了適航要求的變遷，給出了推薦的試驗(yàn)方法，在綜合分析的基礎(chǔ)上嘗試推薦了試驗(yàn)中需要重點(diǎn)考慮的影響因素的選取，一定程度上為民機(jī)燃油系統(tǒng)結(jié)冰威脅適航驗(yàn)證活動(dòng)提供了適航技術(shù)支持。

參考文獻(xiàn)

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