運(yùn)輸類旋翼航空器火警探測(cè)系統(tǒng)適航要求研究

陳天杰，董宏清，王世杰

(中國(guó)直升機(jī)設(shè)計(jì)研究所，江西 景德鎮(zhèn) 333001)

0 引言

多年來(lái)，因發(fā)動(dòng)機(jī)起火引發(fā)的航空器事故在國(guó)內(nèi)外時(shí)有發(fā)生，嚴(yán)重威脅著航空器的安全運(yùn)行。對(duì)于在低空空域運(yùn)行的直升機(jī)而言，其發(fā)動(dòng)機(jī)長(zhǎng)期運(yùn)轉(zhuǎn)在十分惡劣的環(huán)境，由于機(jī)件嚴(yán)重磨損、燃油泄漏、電氣著火等原因，包括發(fā)動(dòng)機(jī)在內(nèi)的動(dòng)力裝置極有可能會(huì)出現(xiàn)著火風(fēng)險(xiǎn)。若火情不能被及時(shí)有效地控制住，不僅會(huì)嚴(yán)重?fù)p壞動(dòng)力裝置，還會(huì)導(dǎo)致整個(gè)直升機(jī)被燒毀，甚至爆炸解體。為了在動(dòng)力裝置起火時(shí)，飛行機(jī)組能夠及時(shí)知曉火情，并采取相應(yīng)措施迅速排險(xiǎn)以保障機(jī)上人員安全，現(xiàn)代直升機(jī)動(dòng)力裝置安裝有火警探測(cè)系統(tǒng)[1-3]?；鹁綔y(cè)系統(tǒng)一般由火警探測(cè)器、火警信號(hào)電氣處理電路及告警系統(tǒng)等三部分組成，其主要功能是及時(shí)有效地探測(cè)火警并發(fā)出告警信號(hào)[4-5]。目前，火警探測(cè)器類別眾多[6]，系統(tǒng)設(shè)計(jì)的可靠度也大大提高。為了確保民用航空器能以最低安全標(biāo)準(zhǔn)正常運(yùn)行[7]，火警探測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)必須滿足相應(yīng)的民用適航規(guī)章要求。

本文通過(guò)研究FAR 29.1203條款的具體內(nèi)容，參考該條款歷次修訂過(guò)程中FAA發(fā)布的擬定規(guī)章制定通告(NPRM)和最終規(guī)章法案(Final Rule)，分析了該條款歷次修訂的原因，并結(jié)合工程經(jīng)驗(yàn)對(duì)該條款的適航要求及技術(shù)內(nèi)涵進(jìn)行了深入解讀，提出了依據(jù)各火區(qū)著火概率來(lái)安裝布置火警探測(cè)器的方法，提煉出條款的適航設(shè)計(jì)要求，總結(jié)了適用于該條款的符合性驗(yàn)證思路，從而為運(yùn)輸類旋翼航空器動(dòng)力裝置火警探測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和適航驗(yàn)證提供參考依據(jù)。

1 條款修訂歷史及原因

1.1 修訂歷史

本條款FAR已歷經(jīng)2次修訂(表1)，現(xiàn)行有效版本是FAR修正案29-3。

表1 FAR 29.1203歷次修訂匯總

1.2 條款修訂原因分析

1.2.1 第1次修訂

1964年5月20日，F(xiàn)AA發(fā)布NPRM 64-30[8]，提出將民用航空條例(CAR 7)的部分條款要求重新編制成FAR 29(新)。1965年2月1日生效的Final Rule 5084[9]正式發(fā)布了FAR 29(新)，以替代CAR 7作為運(yùn)輸類旋翼航空器適航審定標(biāo)準(zhǔn)。首次發(fā)布的FAR 29(新)對(duì)原規(guī)章的語(yǔ)言進(jìn)行了簡(jiǎn)化，使得表述更加清楚，并刪除了過(guò)時(shí)或冗余的條款。同時(shí)，通過(guò)重新編排章節(jié)號(hào)，使得FAR 29(新)與FAR 23(新)、FAR 25(新)以及FAR 27(新)中的類似要求具有相同的編號(hào)，有助于各規(guī)章修訂時(shí)相互參考。其中，F(xiàn)AR 29.641 “火警探測(cè)系統(tǒng)”主要依據(jù)CAR 7.485的內(nèi)容編排而來(lái)，F(xiàn)AR 29(新)正式生效時(shí)，條款號(hào)最終被改為29.1203，但規(guī)章內(nèi)容并未有實(shí)質(zhì)性修改。

1.2.2 第2次修訂

為了明確無(wú)需在指定火區(qū)安裝經(jīng)批準(zhǔn)的火警探測(cè)器的旋翼航空器范圍僅限于安裝氣缸容量不大于0.0148m3的活塞式發(fā)動(dòng)機(jī)的B類旋翼航空器，不致使人誤解此豁免可以類推至具有等效功率級(jí)別的渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)，1965年12月21日，F(xiàn)AA發(fā)布NPRM 65-42[10]，擬對(duì)FAR 29.1203條(a)款進(jìn)行修訂。有反饋意見(jiàn)認(rèn)為，此豁免對(duì)于具有同等推力參數(shù)的渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)也是有效的。FAA起初也同意此豁免或許可以延伸至部分渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)，但在經(jīng)過(guò)研究后，F(xiàn)AA最終認(rèn)為此豁免延伸至部分渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)是不恰當(dāng)?shù)摹?/p>

因此，1968年2月25日生效的Final Rule 7087[11]中涵蓋的修正案29-3明確了FAR 29.1203(a)款的修訂：除了氣缸容量不大于0.0148m3的B類旋翼航空器外，其它運(yùn)輸類旋翼航空器在指定區(qū)域必須有經(jīng)批準(zhǔn)的火警探測(cè)器；此外，對(duì)于渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)的燃燒室、渦輪和尾噴管部分，不管其是否為指定火區(qū)，必須有火警探測(cè)系統(tǒng)。即將“除裝有氣缸容量不大于0.0148 m3的B類旋翼航空器之外的所有旋翼航空器，在指定火區(qū)必須有…”改為“裝有渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)的旋翼航空器和裝有活塞發(fā)動(dòng)機(jī)的A類旋翼航空器，以及裝有氣缸容量大于0.0148 m3的活塞發(fā)動(dòng)機(jī)的B類旋翼航空器，在指定火區(qū)和渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)安裝的燃燒室、渦輪和尾噴管部分(不管這部分是否指定火區(qū))，均必須有……”。

2 條款適航性設(shè)計(jì)解讀

2.1 條款原文

FAR修正案29-3與國(guó)內(nèi)現(xiàn)行有效的CCAR-29-R2中29.1203條內(nèi)容一致，條款原文如下[12]：

第 29.1203 條火警探測(cè)系統(tǒng)

(a)對(duì)裝有渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)的旋翼航空器和裝有活塞發(fā)動(dòng)機(jī)的A類旋翼航空器，以及裝有氣缸容量大于0.0148 m3的活塞發(fā)動(dòng)機(jī)的B類旋翼航空器，在指定火區(qū)和渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)安裝的燃燒室、渦輪和尾噴管部分(不管這部分是否指定火區(qū))，均必須有經(jīng)批準(zhǔn)的、快速動(dòng)作的火警探測(cè)器，其數(shù)量和位置要保證迅速探測(cè)這些區(qū)域內(nèi)的火警。

(b)每一火警探測(cè)器的構(gòu)造和安裝必須能承受運(yùn)行中可能遇到的任何振動(dòng)、慣性和其它載荷。

(c)火警探測(cè)器不得受到可能出現(xiàn)的任何油、水、其它液體或氣體的影響。

(d)必須有措施使機(jī)組成員在飛行中能檢查每個(gè)火警探測(cè)系統(tǒng)電路的功能。

(e)在發(fā)動(dòng)機(jī)艙內(nèi)的每個(gè)火警探測(cè)系統(tǒng)的導(dǎo)線和其它的部件必須至少是耐火的。

(f)任何火區(qū)的火警探測(cè)系統(tǒng)部件不得穿過(guò)另一火區(qū)，但具備下列條件之一者除外：

(1)能夠防止由于所穿過(guò)的火區(qū)著火而發(fā)生假火警的可能性；

(2)所涉及的火區(qū)是由同一探測(cè)系統(tǒng)和滅火系統(tǒng)同時(shí)防護(hù)的。

2.2 條款的適航性解讀

2.2.1 29.1203(a)款解讀

1)本款規(guī)定了必須安裝火警探測(cè)系統(tǒng)的旋翼航空器類型：以氣缸容量大于0.0148 m3的活塞式發(fā)動(dòng)機(jī)為動(dòng)力的B類旋翼航空器；以活塞式發(fā)動(dòng)機(jī)為動(dòng)力的A類旋翼航空器；以渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)為動(dòng)力的旋翼航空器。

2)本款明確了指定火區(qū)及無(wú)論是否在指定火區(qū)的渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力部分(燃燒室、渦輪和尾噴管)等區(qū)域必須安裝火警探測(cè)器。

3)旋翼航空器上安裝的任一火警探測(cè)器必須是經(jīng)過(guò)批準(zhǔn)的、快速響應(yīng)的，即火警探測(cè)器需要依據(jù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行鑒定，比如TSO-C11e[13]規(guī)定了熱敏和火焰接觸型火警探測(cè)器需要滿足的要求，TSO-C79[14]則規(guī)定了輻射敏感型火警探測(cè)器需滿足的要求。

4)火警探測(cè)器的安裝位置和安裝數(shù)量需合理選擇，以保證迅速準(zhǔn)確地探測(cè)到指定區(qū)域內(nèi)所發(fā)生的火災(zāi)。在工程中，通過(guò)分析火區(qū)著火概率，判定易著火區(qū)域，來(lái)確定火警探測(cè)器位置和數(shù)量是比較有效的方法。以某型發(fā)動(dòng)機(jī)為例，該方法具體實(shí)施步驟如下：

① 根據(jù)該型發(fā)動(dòng)機(jī)構(gòu)型將其細(xì)分為4個(gè)區(qū)域，如圖1所示；

② 發(fā)動(dòng)機(jī)艙發(fā)生火險(xiǎn)的前提是存在可燃物的泄漏，同時(shí)具備火源，據(jù)此可以確定發(fā)動(dòng)機(jī)艙發(fā)生火險(xiǎn)的具體區(qū)域?yàn)?區(qū)-附件齒輪箱(AGB)區(qū)域、2區(qū)-進(jìn)氣道區(qū)域及3區(qū)-燃油歧管/排氣管區(qū)域；

圖1 某型發(fā)動(dòng)機(jī)的區(qū)域劃分

③ 羅列1區(qū)所有可能的可燃物泄漏源以及每個(gè)泄漏源發(fā)生泄漏的概率，對(duì)列出的各項(xiàng)泄漏源泄漏概率進(jìn)行累加，得出該區(qū)發(fā)生可燃物泄漏的總概率λ1k，同理可分別得到2區(qū)、3區(qū)發(fā)生可燃物泄漏的總概率λ2k、λ3k；

(1)

④ 羅列1區(qū)所有可能的火源以及產(chǎn)生火花的故障概率，對(duì)列出的各項(xiàng)產(chǎn)生火花的故障概率進(jìn)行累加，得出該區(qū)產(chǎn)生火花的故障總概率λ1f，同理可分別得到2區(qū)、3區(qū)產(chǎn)生火花的故障總概率λ2f、λ3f；

(2)

⑤ 依據(jù)各區(qū)發(fā)生可燃物泄漏的總概率及對(duì)應(yīng)的火花的故障總概率，各區(qū)發(fā)生火險(xiǎn)的故障概率可由下列公式計(jì)算得出：

λ=λk×λf

(3)

⑥ 利用故障樹(shù)的方式(圖2所示)綜合分析以上計(jì)算過(guò)程及數(shù)據(jù)，直觀得出各層(1、2、3區(qū))及頂層(發(fā)動(dòng)機(jī)艙)的火情發(fā)生概率；

基于故障樹(shù)分析得出的各區(qū)火情發(fā)生概率，對(duì)于著火概率最高的區(qū)域優(yōu)先考慮安裝適當(dāng)數(shù)量的火警探測(cè)器，具體個(gè)數(shù)需由選用的火警探測(cè)器類型及探測(cè)范圍決定，對(duì)于著火概率極低的區(qū)域則可考慮不布置火警探測(cè)器。

2.2.2 29.1203(b)款解讀

本款規(guī)定了火警探測(cè)器的構(gòu)造和安裝要求，火警探測(cè)器組件及支撐結(jié)構(gòu)應(yīng)足夠牢固，經(jīng)得住維修裝卸，能承受運(yùn)行中可能遇到的任何振動(dòng)、慣性和其它載荷。

2.2.3 29.1203(c)款解讀

本款對(duì)火警探測(cè)器的抗干擾能力提出了要求，即火警探測(cè)器不得受到可能出現(xiàn)的任何油、水、其它液體或氣體的影響，通?？梢詫⒒鹁綔y(cè)器的敏感元件用防護(hù)罩密封起來(lái)以減少外界干擾。

2.2.4 29.1203(d)款解讀

本款要求必須提供措施使機(jī)組成員能在飛行中對(duì)每個(gè)火警探測(cè)系統(tǒng)電路的功能進(jìn)行檢查，通過(guò)完成電氣線路、火警探測(cè)器等器件的自檢過(guò)程，機(jī)組成員能夠更好地掌握火警探測(cè)系統(tǒng)的狀態(tài)(正常工作、故障等)。

圖2 某型發(fā)動(dòng)機(jī)艙火險(xiǎn)故障樹(shù)分析

2.2.5 29.1203(e)款解讀

本款要求處于發(fā)動(dòng)機(jī)艙內(nèi)的每個(gè)火警探測(cè)系統(tǒng)的導(dǎo)線和其它部件必須是滿足耐火要求的，即要能夠經(jīng)受1093.3±65.6℃火焰至少5 min而不喪失正常功能[15]，從而為機(jī)組人員判明著火情況，關(guān)閉相應(yīng)的發(fā)動(dòng)機(jī)，切斷相應(yīng)的切斷閥提供適當(dāng)?shù)臅r(shí)間。

2.2.6 29.1203(f)款解讀

為了能準(zhǔn)確探測(cè)到火警發(fā)生的位置，及時(shí)撲滅火情，本款要求任何火區(qū)的火警探測(cè)系統(tǒng)部件不得穿過(guò)另一火區(qū)，除非火警探測(cè)系統(tǒng)部件所穿過(guò)的火區(qū)的著火不會(huì)導(dǎo)致火警探測(cè)系統(tǒng)發(fā)生假火警，或者所穿過(guò)的火區(qū)與該探測(cè)系統(tǒng)自身負(fù)責(zé)探測(cè)的火區(qū)是由同一探測(cè)系統(tǒng)和滅火系統(tǒng)同時(shí)防護(hù)的。

2.3 條款的適航性設(shè)計(jì)要求

通過(guò)深入挖掘本條款的內(nèi)涵，可以從中進(jìn)一步梳理出火警探測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)需重點(diǎn)滿足的適航性要求，具體如下：

1)為迅速準(zhǔn)確地探測(cè)到指定區(qū)域內(nèi)所發(fā)生的火災(zāi)，火警探測(cè)器的安裝位置和安裝數(shù)量應(yīng)結(jié)合火區(qū)安全性分析來(lái)布置，著火概率最高的區(qū)域優(yōu)先布置，對(duì)于著火概率極低的區(qū)域則可考慮不布置；

2)火警探測(cè)系統(tǒng)最好由多種不同類型(輻射型、溫升比式、過(guò)熱式等)的火警探測(cè)器組成[16]，具體選型可結(jié)合各火區(qū)的火情發(fā)生特點(diǎn)來(lái)匹配，同時(shí)任一火警探測(cè)器必須是經(jīng)過(guò)適航批準(zhǔn)的；

3)火警探測(cè)系統(tǒng)應(yīng)設(shè)計(jì)成在探測(cè)火警方面具有最高的可靠度，探測(cè)系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間不超過(guò)5s[13-14]，并能表明著火區(qū)具體位置；

4)火警探測(cè)器組件及支撐結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)應(yīng)足夠牢靠，經(jīng)得住維修裝卸，能承受運(yùn)行中可能遇到的任何振動(dòng)、慣性和其它載荷；

5)火警探測(cè)器不得受到可能出現(xiàn)的任何油、水、其它液體或氣體的影響；

6)必須提供設(shè)計(jì)措施使機(jī)組成員能在飛行中檢查每個(gè)火警探測(cè)系統(tǒng)電路的功能；

7)位于火區(qū)內(nèi)的火警探測(cè)系統(tǒng)的線路及安裝組件必須能夠經(jīng)受1093.3±65.6℃火焰至少5 min而不喪失正常功能；

8)火警探測(cè)系統(tǒng)本身不助長(zhǎng)或增加任何其它潛在危險(xiǎn)，在整個(gè)著火期間能保持工作狀態(tài)，火焰熄滅時(shí)能給出指示，并能指示火焰的再次點(diǎn)燃；

9)兩臺(tái)或兩臺(tái)以上的發(fā)動(dòng)機(jī)不應(yīng)依賴于任何一套探測(cè)電路，安裝于公共區(qū)域的探測(cè)設(shè)備要防止探測(cè)系統(tǒng)在兩臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)安裝之間分辨不清，而迫使一臺(tái)以上發(fā)動(dòng)機(jī)停車。

3 條款符合性驗(yàn)證思路

通過(guò)對(duì)本條款內(nèi)容的深入解讀，同時(shí)結(jié)合已有的工程取證經(jīng)驗(yàn)，建議該條款的符合性驗(yàn)證思路按如下展開(kāi)：

1)通過(guò)火警探測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)描述文件和火區(qū)的著火概率分析，對(duì)火警探測(cè)器類型、數(shù)量、安裝位置等進(jìn)行分析說(shuō)明，從而表明各指定火區(qū)及渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力部分(燃燒室、渦輪和尾噴管)等區(qū)域均布置了適當(dāng)?shù)幕鹁綔y(cè)器，能夠快速探明各區(qū)域的火警，并及時(shí)報(bào)警，指明具體著火位置；

2)通過(guò)火警探測(cè)系統(tǒng)的概率估算和使用經(jīng)驗(yàn)，進(jìn)行安全性分析，說(shuō)明火警探測(cè)系統(tǒng)具有最高可靠度，不會(huì)發(fā)出假警報(bào)，如果不能表明火警探測(cè)系統(tǒng)出現(xiàn)虛假指示是極不可能的，則應(yīng)提供確定火警指示有效性的輔助措施；

3)通過(guò)隨機(jī)飛行考核，驗(yàn)證火警探測(cè)器的構(gòu)造和安裝在結(jié)構(gòu)上足夠牢固，能承受運(yùn)行中可能遇到的任何振動(dòng)、慣性和載荷；

4)通過(guò)機(jī)上檢查等手段，對(duì)火警探測(cè)系統(tǒng)的電路功能、火警檢查開(kāi)關(guān)等進(jìn)行機(jī)上地面測(cè)試，從而表明機(jī)上提供了措施使機(jī)組成員能在飛行中對(duì)各火警探測(cè)系統(tǒng)電路的功能進(jìn)行檢查，滿足設(shè)計(jì)要求；

5)通過(guò)火警探測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)描述文件和供應(yīng)商提供的設(shè)備合格性資料表明處于發(fā)動(dòng)機(jī)艙內(nèi)的每個(gè)火警探測(cè)系統(tǒng)的導(dǎo)線和其它部件至少是滿足耐火要求的；

6)通過(guò)火警探測(cè)器供應(yīng)商提供的設(shè)計(jì)文件和相關(guān)驗(yàn)證試驗(yàn)等設(shè)備合格性資料表明火警探測(cè)器是經(jīng)過(guò)適航批準(zhǔn)的，不會(huì)受到可能出現(xiàn)的任何油、水、其它液體或氣體的影響。

4 總 結(jié)

通過(guò)研究火警探測(cè)系統(tǒng)條款的歷史版本和現(xiàn)行版本，解析了該條款歷次修訂的原因，并結(jié)合工程經(jīng)驗(yàn)深入解讀了該條款的適航要求及技術(shù)內(nèi)涵，提出了依據(jù)各火區(qū)著火概率分析來(lái)確定高效的火警探測(cè)器安裝布置方案，提煉出條款的適航性設(shè)計(jì)要求，總結(jié)了適用于該條款的符合性驗(yàn)證思路，為運(yùn)輸類旋翼航空器動(dòng)力裝置火警探測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和適航驗(yàn)證提供有益的參考依據(jù)。