單發(fā)引氣防冰構(gòu)型的適航影響分析

范志鵬*

（中國商飛民用飛機(jī)試飛中心，上海201323）

0 引言

正常飛行過程中當(dāng)飛機(jī)探測到結(jié)冰信號時，其防冰系統(tǒng)必須工作，以加熱各傳感器、探頭等保證總溫、靜壓、攻角等飛行數(shù)據(jù)的采集正確，同時飛機(jī)的機(jī)翼前緣、發(fā)動機(jī)短艙唇口等部位也需要加熱以防結(jié)冰凝聚影響飛行安全[1-3]。為了確保飛行過程中防冰系統(tǒng)的功能可靠，民機(jī)適航要求“必須通過分析確認(rèn)，飛機(jī)在各種運(yùn)行形態(tài)下其各種部件的防冰是足夠的”[4]，其中“各種運(yùn)行狀態(tài)”包括單發(fā)失效的情況，這意味著在民機(jī)飛行取證試驗中，不僅要驗證雙發(fā)正常工作時能夠防冰，還需要驗證只有一臺發(fā)動機(jī)正常工作時也能夠滿足防冰要求。本文將以某型號飛機(jī)（以下稱“A飛機(jī)”）為例，探討其兩種引氣防冰構(gòu)型的差異，以及在表明符合適航條款過程中所帶來的若干問題，以期對后續(xù)飛機(jī)型號的防冰系統(tǒng)設(shè)計起到一些借鑒和思考。

1 基本工作原理

1.1 防冰引氣原理

A飛機(jī)防冰引氣原理示意圖如圖1所示，除高壓地面氣源和輔助動力裝置（Auxiliary Power Unit，以下簡稱APU）引氣，防冰引氣來源于發(fā)動機(jī)高壓壓氣機(jī)的中間級和高壓級，經(jīng)預(yù)冷器（Pre-cooler，以下簡稱 PCE）冷卻至合適溫度供下游機(jī)翼防冰（Wing Anti-Ice，以下簡稱 WAI）、短艙防冰（Nacelle Anti-Ice，以下簡稱 NAI）、空調(diào)制冷包（Environmental Control System，以下簡稱ECS）等使用，控制器通過壓力調(diào)節(jié)關(guān)斷活門（Pressure Regulating and Shut Off Valve，以下簡稱PRSOV）和風(fēng)扇空氣活門（Fan Air Valve，以下簡稱FAV）分別控制進(jìn)入預(yù)冷器的熱端、冷端氣流，以實現(xiàn)對管路中防冰氣體溫度和壓力的調(diào)節(jié)。

圖1 A飛機(jī)防冰引氣原理示意圖

1.2 引氣切換邏輯

氣源從發(fā)動機(jī)高壓壓氣機(jī)中間級和高壓級的引氣，均是獨立引氣不混合，根據(jù)不同工作工況引氣相互切換。對起飛、爬升等大功率狀態(tài)，中間級引氣能提供足夠的引氣量，但隨著發(fā)動機(jī)功率狀態(tài)減小，以及引氣需求量的增多，當(dāng)管路壓力降低到設(shè)計的閥值時，中間級不能提供足夠壓力的引氣，此時高壓引氣關(guān)斷活門（High Pressure Valve，以下簡稱HPV）打開，中間級引氣的單向活門被抑制，引氣切換至高壓級引氣。隨著工況的變化，當(dāng)引氣需求壓力降低，中間級引氣能夠滿足需求時，HPV關(guān)閉，引氣切換至中間級引氣。

需要注意，當(dāng)發(fā)動機(jī)引氣由中間級向高壓級切換，PCE進(jìn)口熱氣溫度和壓力均突然增加，如果同時引氣需求量也大幅度增加，即使FAV全開（此時冷端氣體流量達(dá)到最大），PCE出口溫度也不能冷卻至合適范圍供下游使用，進(jìn)而引起預(yù)冷器的超溫告警。當(dāng)預(yù)冷器超溫告警后PRSOV將會自動關(guān)閉，防冰系統(tǒng)失去引氣氣源，飛機(jī)喪失機(jī)翼防冰及短艙防冰功能。

1.3 單發(fā)引氣防冰時構(gòu)型需求分析

根據(jù)FAA25部121修正案[5]，一側(cè)發(fā)動機(jī)工作異常時，飛機(jī)系統(tǒng)應(yīng)滿足：

1）“發(fā)動機(jī)失效”情況下，飛機(jī)需要具備工作側(cè)發(fā)動機(jī)的短艙防冰+兩側(cè)機(jī)翼防冰+單側(cè)空調(diào)制冷包工作的能力；

2）“發(fā)動機(jī)引氣失效”情況下，飛機(jī)需要具備兩側(cè)發(fā)動機(jī)的短艙防冰+兩側(cè)機(jī)翼防冰+單側(cè)空調(diào)制冷包工作的能力。

上述“發(fā)動機(jī)失效”是指工作異常發(fā)動機(jī)因故障停車或其他原因不能正常運(yùn)轉(zhuǎn)，“發(fā)動機(jī)引氣失效”是指該發(fā)動機(jī)能夠正常工作，但失去引氣功能（譬如PRSOV失效在關(guān)位），兩種失效情況下，飛機(jī)防冰均只能由工作正常側(cè)發(fā)動機(jī)進(jìn)行單發(fā)引氣防冰。從防冰角度來看，兩種工況的差異在于“失效”側(cè)發(fā)動機(jī)的短艙是否仍需要防冰：“發(fā)動機(jī)失效”時，失效側(cè)發(fā)動機(jī)不再正常運(yùn)轉(zhuǎn)，已失去對其短艙進(jìn)行防冰的意義，該失效工況的發(fā)動機(jī)不再需要短艙防冰，因此本節(jié)1）項中單發(fā)失效情況下，飛機(jī)只需具備工作側(cè)發(fā)動機(jī)的短艙防冰；“發(fā)動機(jī)引氣失效”時，雖然失效側(cè)發(fā)動機(jī)的引氣功能喪失，但該側(cè)發(fā)動機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)正常并為飛機(jī)提供正常推力，遇到結(jié)冰氣象時仍需要對短艙進(jìn)行防冰，以保證發(fā)動機(jī)的正常工作，也即對應(yīng)了本節(jié)2）項中引氣失效情況，飛機(jī)仍需要具備兩側(cè)發(fā)動機(jī)的短艙防冰。

2 A飛機(jī)引氣防冰構(gòu)型的分析

2.1 構(gòu)型一

A飛機(jī)引氣防冰構(gòu)型一示意圖如圖2所示。針對該引氣防冰構(gòu)型，一側(cè)引氣出現(xiàn)故障（假設(shè)故障“失效”均在右側(cè)）時，另一側(cè)引氣正常工作，對應(yīng)上文分析過程有以下兩種單發(fā)引氣構(gòu)型：

1）當(dāng)右發(fā)處于發(fā)動機(jī)失效時，左發(fā)不需要為右發(fā)短艙防冰供氣，此時左發(fā)最大引氣構(gòu)型為：1NAI+2WAI+1ECS；（1表示單側(cè)，2表示左右兩側(cè)）。

2）當(dāng)右發(fā)處于引氣失效時，左發(fā)仍需為右發(fā)短艙防冰供氣，此時左發(fā)最大引氣構(gòu)型為：2NAI+2WAI+1ECS。

圖2 構(gòu)型一示意圖

可以看出本節(jié)2）中引氣構(gòu)型引氣量最大，在A飛機(jī)試飛過程中需要驗證到該嚴(yán)酷的大引氣工況。而通過飛行試驗及數(shù)據(jù)分析表明A飛機(jī)在2NAI+2WAI+1ECS引氣構(gòu)型的大部分工況下，預(yù)冷器處于超溫狀態(tài)（原因見本文1.2章節(jié)），導(dǎo)致PRSOV引氣閥門關(guān)閉，飛機(jī)失去防冰引氣、喪失防冰能力。為避免出現(xiàn)結(jié)冰問題，A飛機(jī)在單側(cè)引氣失效、探測到結(jié)冰信號時，需要避開2NAI+2WAI+1ECS的大引氣構(gòu)型的飛行工況，在操作程序上應(yīng)采取以下措施：措施一，單側(cè)引氣失效、進(jìn)入結(jié)冰條件時，保持空調(diào)系統(tǒng)運(yùn)行、打開正常工作側(cè)發(fā)動機(jī)的短艙防冰系統(tǒng)、不開機(jī)翼防冰系統(tǒng)、應(yīng)急下降到10 000ft高度。到達(dá)10 000ft高度后，關(guān)閉空調(diào)系統(tǒng)、打開機(jī)翼防冰系統(tǒng)和應(yīng)急通風(fēng)系統(tǒng)。措施二，單側(cè)引氣失效、進(jìn)入結(jié)冰條件時，關(guān)閉空調(diào)系統(tǒng)、打開正常工作側(cè)發(fā)動機(jī)的短艙防冰系統(tǒng)、打開機(jī)翼防冰系統(tǒng)、應(yīng)急下降到10 000ft高度。到達(dá)10 000ft高度后，打開應(yīng)急通風(fēng)系統(tǒng)。

可以看出以上兩措施的關(guān)鍵是：在10 000ft以上遇結(jié)冰氣象時，空調(diào)包與機(jī)翼防冰不同時打開。對于高原航線飛行，若地形要求飛行無法下降至10 000ft，則A飛機(jī)在此種引氣防冰構(gòu)型下，受限于防冰條款要求，就不具備10 000ft以上的適航飛行。

2.2 構(gòu)型二

為了滿足適航條款及航線運(yùn)營對單發(fā)引氣防冰構(gòu)型的需求，A飛機(jī)設(shè)計了防冰引氣構(gòu)型二，如圖3所示。相對構(gòu)型一，構(gòu)型二的關(guān)鍵在于短艙防冰引氣由預(yù)冷器下游改至預(yù)冷器上游，即通過增加引氣管路直接從發(fā)動機(jī)高壓壓氣機(jī)中間級引氣。

圖3 構(gòu)型二示意圖

此構(gòu)型下單發(fā)引氣防冰的最大引氣構(gòu)型為1NAI+2WAI+1ECS（相對更改前減少了1NAI），原因分析如下：當(dāng)右發(fā)處于發(fā)動機(jī)失效時（仍假設(shè)發(fā)動機(jī)均“失效”在右發(fā)），右發(fā)短艙不需要防冰功能，此時左發(fā)最大引氣構(gòu)型為：1NAI+2WAI+1ECS；當(dāng)右發(fā)處于正常運(yùn)轉(zhuǎn)而引氣失效時，右發(fā)短艙也需要防冰功能，由于構(gòu)型二的短艙防冰由發(fā)動機(jī)中間級直接引氣，此時正常運(yùn)轉(zhuǎn)的右發(fā)能保證自身短艙的防冰功能，因此對左發(fā)而言其最大引氣構(gòu)型仍為：1NAI+2WAI+1ECS。故不論右發(fā)是何種失效形式，其最大引氣構(gòu)型均是：1NAI+2WAI+1ECS，由于最大引氣構(gòu)型減少了1NAI的引氣量，A飛機(jī)在單發(fā)引氣防冰構(gòu)型二狀態(tài)時基本能夠滿足適航條款及航線運(yùn)營的限制。

但也應(yīng)注意到，構(gòu)型二雖然降低了單發(fā)引氣的最大引氣量，但卻失去了工作正常側(cè)發(fā)動機(jī)為引氣失效發(fā)動機(jī)短艙進(jìn)行防冰供氣的裕度，針對這一問題討論如下：A飛機(jī)構(gòu)型二的短艙防冰引氣經(jīng)管路到達(dá)風(fēng)扇艙區(qū)域，后經(jīng)短艙防冰關(guān)斷活門到達(dá)笛形管。如果短艙防冰管路故障（關(guān)斷活門失效在開位），進(jìn)入結(jié)冰條件時仍可保證短艙防冰功能[6]。因此，在進(jìn)入結(jié)冰條件后，引氣失效發(fā)動機(jī)正常運(yùn)轉(zhuǎn)時，不論其短艙防冰管路是否故障，其短艙防冰功能都能夠得到保證，不需要考慮另外一側(cè)發(fā)動機(jī)為其提供短艙防冰供氣的裕度。對于非結(jié)冰狀態(tài)飛行時，短艙防冰關(guān)斷活門如果故障，則一直處于失效開位，意味著短艙防冰一直處于防冰工作狀態(tài)，有可能會燒傷短艙唇口蒙皮，而這部分內(nèi)容需要在“干空氣條件下短艙和機(jī)翼防冰飛行試驗”中進(jìn)行驗證，以確保該工況下不會造成發(fā)動機(jī)短艙唇口的損傷。

3 結(jié)論

本文從適航條款對民機(jī)試飛過程中單發(fā)引氣防冰的要求出發(fā)，以A飛機(jī)防冰引氣構(gòu)型為例，介紹了兩種不同防冰引氣構(gòu)型，基于兩構(gòu)型剖析了不同防冰引氣構(gòu)型在引氣失效情況下所需的最大引氣構(gòu)型，并分析了兩種引氣防冰構(gòu)型及其對適航條款驗證的影響：對于不同防冰引氣構(gòu)型的飛機(jī)，其為表明條款符合性所需要驗證的最大引氣構(gòu)型有明顯差異。這也說明了，在民機(jī)初始設(shè)計階段，應(yīng)充分考慮適航條款對單發(fā)引氣防冰最大引氣構(gòu)型的驗證要求，為飛機(jī)后續(xù)適航取證、順利進(jìn)入市場打好基礎(chǔ)。