直升機進氣系統(tǒng)雪天運行適航要求和符合性驗證研究

董宏清，陳天杰，高占平

(中國直升機設計研究所，江西 景德鎮(zhèn) 333001)

0 引言

在空氣空間運行的任何航空器，其運行必須面臨各種不同的氣象條件，如晴天、雷電、雨天和雪天等，而一些特殊的氣象條件是誘發(fā)飛行事故的重要因素。因此，世界各主要民航局發(fā)布的航空器適航規(guī)章中，均對不同氣象條件提出了適航防護要求。其中，2729.1093“進氣系統(tǒng)的防冰”，針對采用渦輪發(fā)動機的旋翼航空器，提出了進氣系統(tǒng)雪天運行的適航要求。

1 2729.1093條款原文及修訂背景

1.1 條款原文

2729.1093規(guī)定了旋翼航空器進氣系統(tǒng)雪天運行的適航要求，由其中(b)(1)(ⅱ)項作了闡述，其條款原文如下(以下省略了與本研究內容無關的條款原文)：

2729.1093 進氣系統(tǒng)的防冰[1]

(b)渦輪發(fā)動機

(1)必須表明每臺渦輪發(fā)動機及其進氣系統(tǒng)能在發(fā)動機整個飛行功率范圍(包括慢車)內工作。

(ⅱ)在規(guī)定的旋翼航空器限制范圍內，在降雪和揚雪時沒有不利于發(fā)動機運轉的影響。

1.2 修訂背景

美國聯(lián)邦航空適航規(guī)章FAR-2729部發(fā)布于1965年，其中包括2729.1093條“進氣系統(tǒng)的防冰”。其后該條款共進行了5次修訂，其中關于雪天防護要求的修訂共2次。

FAR-2729.1093首次發(fā)布時，僅針對活塞發(fā)動機提出了進氣系統(tǒng)防冰的要求，沒有提出針對渦輪發(fā)動機的相關要求。1969年6月3日至6日，F(xiàn)AA召開了局方-工業(yè)界會議來對飛機發(fā)動機型號合格審定的有關規(guī)章進行評審，提出了修訂29.1093條，增加渦輪發(fā)動機的進氣系統(tǒng)雪天運行的適航要求。經過征詢公眾意見后，1974年10月1日，F(xiàn)AA正式發(fā)布修正案(29-10)，對FAR29.1093條進行了修訂，明確規(guī)定了渦輪發(fā)動機在降雪和揚雪條件下沒有不利于發(fā)動機運轉的現(xiàn)象。

1975年5月13日，F(xiàn)AA發(fā)布規(guī)章制定建議公告(75-19)，對29.1093條再次提出修訂，要求發(fā)動機和進氣系統(tǒng)部件的雪聚積必須不會影響發(fā)動機正常運行，以防人們忽視發(fā)動機進氣系統(tǒng)部件上雪的聚積。

經過2次修訂，適航規(guī)章中對于進氣系統(tǒng)雪天條件運行的適航要求基本形成，其后的歷次修訂沒有提出實質的修改。

2 直升機雪天運行適航要求概要

直升機進氣系統(tǒng)雪天運行適航要求，是2729.1093條“進氣系統(tǒng)的防冰”的一部分。直升機進氣系統(tǒng)雪天運行的危害，主要是降雪或揚雪環(huán)境下，雪或由雪凝結而成的冰在發(fā)動機進氣系統(tǒng)部件上堆積，從而影響發(fā)動機進氣，當達到一定程度時將對發(fā)動機運轉產生不利影響。

2729.1093(b)要求必須表明每臺發(fā)動機及其進氣系統(tǒng)能在發(fā)動機整個飛行功率范圍(包括慢車)內工作，包括在旋翼航空器限制范圍的降雪和揚雪條件下，均沒有不利于發(fā)動機運轉或引起功率嚴重損失的冰聚積。其中，功率嚴重損失，是指要求駕駛員立即采取動作的任何功率喪失；對發(fā)動機運轉的不利影響，是指妨礙發(fā)動機達到旋翼航空器飛行手冊性能額定值的影響。

對于活塞式發(fā)動機，2729.1093(a)、(c)規(guī)定了進氣系統(tǒng)的溫升要求，而沒有具體規(guī)定雪天運行的相關驗證要求，即滿足條款規(guī)定的溫升要求則符合雪天運行要求。

3 直升機雪天運行合格審定類別

2729.1093條規(guī)定渦輪發(fā)動機及其進氣系統(tǒng)應在降雪和揚雪條件下，在所制定的旋翼航空器限制內能滿意地工作。條款規(guī)定在“在所制定的旋翼航空器限制內”進行合格審定，即表示可以采用飛行手冊限制章節(jié)中對雪中飛行的限制，代替降雪和揚雪條件的符合性演示。“在所制定的旋翼航空器限制內”，并不適用于對于雪況和雪天運行時間等的限制，因為這些限制是難以確定、驗證以及由飛行員準確判斷、把握的。

一直以來，在直升機研制和適航取證過程中，直升機雪天運行審定方式普遍分為2類：允許雪天運行和限制雪天運行。如果飛行手冊中沒有雪中飛行的限制，即表示允許直升機在雪天運行，則需要進行雪天飛行的符合性驗證。按照限制雪天運行進行合格審定，則需要在飛行手冊中給出明確限制[2]。

然而在實際型號合格審定過程中，由于進行雪天飛行的符合性驗證條件極為嚴酷，通常很難滿足該條件，而按照限制雪天運行方式進行合格審定，很難完全避免實際運行過程中偶遇降雪條件，因此，傳統(tǒng)的合格審定方式存在著一些實際操作性差和不完全適航的問題。為此， FAA經過研究提出對直升機雪天運行合格審定類進行調整，并修訂了正常類和運輸類旋翼航空器適航規(guī)定的咨詢通告AC27-1B change4(第四次修訂)、AC29-2C change4(第四次修訂)，對雪天運行合格審定的類別和驗證方法重新進行了闡述。

根據最新的咨詢通告，直升機進氣系統(tǒng)雪天運行合格審定方式分為三類：

1)完全雪天運行：須進行完全降雪和揚雪條件運行演示；

2)限制雪天運行：須進行偶遇降雪和揚雪條件運行演示，同時手冊中限制直升機在已知的降雪和揚雪條件運行；

3)禁止雪天運行：在手冊中限制最低運行溫度為5℃[3]。

上述修訂后的合格審定分類中，較此前的要求有以下2方面變化：

1)將降雪和揚雪條件分為完全和偶遇的降雪與揚雪條件，正常不限制雪天運行合格審定需按照完全降雪和揚雪條件進行試驗演示，而限制雪天運行合格審定需按照偶遇降雪和揚雪條件進行試驗演示。完全降雪和揚雪條件與偶遇降雪和揚雪條件的差別在于降雪量大小的不同。降雪量大小通過雪天能見度表示，該降雪量大小僅用于區(qū)分不同合格審定類別下的演示試驗的條件，而不能以降雪量(或能見度)作為實際運行的限制要求。

2)將有關雪天運行的限制分為限制雪天運行和禁止雪天運行：限制雪天運行，即限制進入已知的降雪和揚雪條件環(huán)境，需要進行偶遇降雪和揚雪條件演示，以確保能夠在實際運行中偶遇降雪和揚雪時能正常運轉；而禁止雪天飛行，則要求限制最低運行溫度為5℃，以有效避免實際運行中偶遇降雪和揚雪條件。如采取禁止雪天運行的限制，那么將嚴重影響直升機的使用范圍和出勤率，直升機的市場需求將大打折扣。

4 降雪和揚雪條件試驗要求

根據上述分析，除非按照完全禁止雪天運行，否則必須進行降雪和揚雪條件的運行演示，以下對降雪和揚雪條件試驗要求進行分析研究。

4.1 總體試驗要求

針對完全雪天運行和限制雪天運行兩類合格審定方式，降雪和揚雪條件分為完全降雪和揚雪條件、偶遇降雪和揚雪條件，試驗條件具體如下：

1)完全降雪和揚雪條件，適用于完全雪天運行合格審定，具體要求如下：

能見度：402m或更少；

溫 度：-4℃至1℃，最好能在-2℃至1℃范圍內，除非認為其它溫度是臨界的；

運 行：地面運行—20 min，

有地效懸?！? min，

水平飛行—1 h，

下降和著陸。

2)偶遇降雪和揚雪條件，適用于限制雪天運行合格審定，具體要求如下：

能見度： 1609m或更少；

溫 度：-4℃至1℃，最好能在-2℃至 1℃范圍內，除非認為其它溫度是臨界的；

運 行：地面運行—20 min，

有地效懸?！? min，

水平飛行—1 h，

下降和著陸。

上述兩者差異為：完全降雪和揚雪條件要求試驗能見度為402m，而偶遇降雪和揚雪條件，為1609m。

4.2 試驗要求說明

上述試驗條件—能見度、溫度和運行狀態(tài)都是FAA根據以往的合格審定試驗計劃、適航當局指南以及FAA 技術中心和其它部門的研究成果制定的。

1)能見度

即代表著雪密度。根據加拿大國家研究委員會的J．R．斯多拉伯雷斯先生的研究，對于各種類型的雪花，能見度與雪密度之間的關系式為V=374.9/C0.7734，其中C是雪密度(g/m3)，V是能見度(m)[2]。

能見度的測量，應在沒有霧或重復循環(huán)雪的下雪天氣中，由一位觀察者站在試驗旋翼航空器的影響區(qū)之外的試驗地點做目視測量。即要求測量的能見度是因為自然降雪的原因，而不能受光線或旋翼航空器旋翼氣流等導致的重復循環(huán)雪等因素影響[2]。

此處規(guī)定的試驗能見度402m，表示旋翼空器服役使用中最有可能遇到的嚴重暴風雪。根據FAA的調查研究，已按402m能見度試驗標準進行合格審定的旋翼航空器，沒有出現(xiàn)過發(fā)動機進氣口有雪而造成使用困難[2]。需要注意，此規(guī)定的能見度是一個試驗參數(shù)，而不是在試驗完成后對旋翼航空器的運行限制。

規(guī)定的能見度(402m或更近)相對應的雪密度在自然界中極為困難。加拿大渥太華的研究資料表明，在那里遇到的只有不足4%的暴風雪能滿足與402m能見度相應的0.91 g/m3雪密度要求，而且，在試驗期間出現(xiàn)所希望的雪密度的可能性更是極小[2]。鑒于這種試驗的現(xiàn)實性，實際很可能不能達到試驗條件的嚴格指標。因此在合格審定中，對這種情況是否采用替代方法，必須進行準確的判斷。

2)溫度

規(guī)定的環(huán)境溫度有助于產生濕雪條件。制造公司的研制試驗或非常相似型號的進氣系統(tǒng)經驗，足可用來確定合格審定試驗的臨界環(huán)境條件。

3)試驗環(huán)境

通常要求在自然的降雪條件下進行演示。人工降雪是一種極好的研究方法，并且已成功地用來指示進氣系統(tǒng)中的潛在問題，但這些設備通常限于懸停和地面評定使用，并且由這些設備制造的雪片與自然雪花并不十分相似，因此，通常不推薦使用人造雪進行驗證，除非有必要的理由。

4)試驗狀態(tài)和時間

地面運轉及懸停試驗時間為25min，這是根據在極端條件下，從駕駛員的工作強度和實際運行中起飛前最長滑行時間而確定的一個較為合理的時間。

水平飛行1h，為出現(xiàn)危險的雪積聚提供充分的時間和機會。

下降和著陸會引起發(fā)動機功率、進氣系統(tǒng)氣流以及進氣系統(tǒng)入口附近的外部氣流流線圖發(fā)生變化。下降和著陸最后拉平也會產生傳給進氣系統(tǒng)的附加機體振動。這些功率、氣流和振動變化都會對任何水平飛行下積雪被吸入發(fā)動機造成機會。在任何試驗期間或試驗之后產生危險量的積雪都是不可接受的。

5)平飛速度

對于按目視飛行規(guī)則飛行的旋翼航空器，水平飛行試驗狀態(tài)的空速應為符合能見度條件的最大空速。對于儀表飛行規(guī)則的運行，空速應是最大巡航速度或飛行手冊限制中對雪天飛行規(guī)定的最大速度，除非其它的空速被認為更臨界。按目視飛行規(guī)則合格審定的許多旋翼航空器，如果后來申請按儀表飛行規(guī)則進行合格審定，可能會增加雪中水平飛行的空速。因此，如果預計將來采用儀表飛行規(guī)則合格審定，那么應提前考慮這個因素。

6)等效的試驗程序

① 可考慮在重復循環(huán)的雪中的地面運行和有地效懸停時間限制不超過25 min。時間結束后停車，并檢查進氣系統(tǒng)或轉換到一個安全的飛行狀態(tài)。在這個狀態(tài)下，演示表明水汽的積聚不會加劇或散發(fā)，也不會引起發(fā)動機工作問題。

② 對于某些發(fā)動機進氣系統(tǒng)，通過檢查水分的積聚，可能發(fā)現(xiàn)以下明顯情況，即在重復循環(huán)的雪中地面運行和有地效懸停時的水分積聚比水平飛行試驗時嚴重得多。在這種情況下，可延長重復循環(huán)的雪中有地效懸停時間，同時減少平飛時間，但應保證應至少進行一定時間的402m(或更小)能見度下的水平飛行，以保證試驗覆蓋全部各個運行階段。

7)揚雪試驗

上述規(guī)定的試驗是演示在自然降雪條件的飛行，地面運行和有地效懸停試驗條件假定是在重復循環(huán)雪中運行。如果旋翼航空器在剛下的雪上空緩慢地持續(xù)飛行，則因旋翼氣流重復循環(huán)造成的揚雪，預計可能比自然揚雪更嚴重。因此，揚雪飛行能力，通常采用在重復雪中滑行和懸停來飛行演示。應通過在重復雪中滑行和懸停來飛行演示揚雪飛行能力。

8)試驗合格判定要求

在該條件下的試驗演示，發(fā)動機、進氣系統(tǒng)和附近的整流罩表面應沒有過量的雪、冰和水積聚。過量的積聚定義為它可能引起發(fā)動機不穩(wěn)定、損壞或發(fā)動機功率嚴重喪失。如果對進氣口中積聚的雪或水氣量有疑問，則申請人可選用這個量的雪或水和冰(根據適用性)進行演示，讓其由發(fā)動機吸入而不造成發(fā)動機喘振、熄火或損壞。

5 型號案例綜合分析

根據相關資料，收集到國內外幾個型號的關于進氣系統(tǒng)雪天運行的合格審定方式和驗證方法，具體如下：

1) SA365N直升機，即海豚直升機，由原法國航宇工業(yè)公司于20世紀70年代研制，兩臺發(fā)動機，單旋翼+涵道式尾槳構型，最大起飛重量為4300kg。該直升機按完全雪天運行進行合格審定，驗證情況如下：

① 風雪地飛行(揚雪試驗)

試飛條件：直升機在野外小雪中過夜(外界溫度為-11℃)，進氣口、旋翼槳轂、涵道尾槳有保護罩。

試飛內容：發(fā)動機開車，在低空以低速飛行，將雪揚起。

試飛結果：進氣系統(tǒng)沒有發(fā)生積雪，吸入雪量很小，發(fā)動機工作正常，沒有運轉故障。

② 降雪中飛行(2次試驗)—第1次

試飛條件：外界大氣溫度-4℃，能見度估計低于450m。

試飛內容：指示空速以204km/h飛行6min，148km/h飛行14min。

試飛結果：進氣網格上有少量溶雪，發(fā)動機工作正常(除在地面階段曾發(fā)生因直徑80mm雪球射向進氣道網格而導致發(fā)動機停車)。

③ 降雪中飛行—第2次

試飛條件：外界大氣溫度-1℃至-2℃，能見度估計低于500m。

試飛內容：低空盤旋飛行，共5個起落，時間為85min，絕大部分時間平均速度為185～204km/h，最后階段以最大連續(xù)功率飛行，速度以287～296km/h，大約飛行12min。

試飛結果：未出現(xiàn)發(fā)動機工作不正常情況。

2)EC175直升機(Z15型直升機)，21世紀中法聯(lián)合研制的先進中型直升機，兩發(fā)+單旋翼+尾槳構型，最大起飛重量7500kg。該直升機按照限制雪天運行進行合格審定，手冊中規(guī)格了雪天運行的限制，僅進行了揚雪條件試驗演示。

3)AC313直升機，中國直升機設計研究所于21世紀研制的大型直升機，三發(fā)+單旋翼+尾槳構型，最大起飛重量13800kg。該直升機按照限制雪天運行進行合格審定，手冊中規(guī)定了雪天運行的限制，僅進行了揚雪條件試驗演示，具體如下：

試驗條件：外界溫度為-27℃，地面積雪10～20cm，并經人工鏟松，使其為蓬松狀態(tài)。

試驗內容：起動三臺發(fā)動機至地慢狀態(tài)，穩(wěn)定4min；加速至飛行狀態(tài)，穩(wěn)定5min；提總距桿至發(fā)動機總扭為40%，穩(wěn)定8min；放總距桿至低距，穩(wěn)定5min；迎風起飛，離地高度3m，實際穩(wěn)定10min。

試驗結果：在進氣防護網和進氣兜壁面上未發(fā)現(xiàn)明顯的雪、水分和冰積累；APU和三臺發(fā)動機起動過程正常，未出現(xiàn)超溫、喘振、懸掛等現(xiàn)象。

上述型號取證時并沒有嚴格地規(guī)定三類雪天運行的適航要求。EC175和AC313直升機通過限制雪天運行(沒有限制5℃以上運行)，并開展了部分揚雪試驗(但沒有開展偶遇降雪和揚雪條件的演示)以表明符合條款要求。SA365N直升機沒有雪天運行的限制，進行了較為嚴格的降雪和揚雪條件演示試驗，其試驗條件接近但未能符合完全降雪和揚雪條件演示的要求，其中能見度為450m，未達到402m的要求，而適航當局接受了該試驗。

6 結論

目前，世界范圍內民用直升機仍普遍存在限制雪天飛行的情況，而采取限制雪天飛行時往往忽視了需要驗證在偶遇降雪和揚雪條件的運行能力，對直升機的適航性有一定的影響。特別是在國內，由于極難達到符合要求的降雪條件，暫沒有直升機開展完全的或偶遇的降雪和揚雪條件演示。本文根據FAA最新修訂的咨詢通告，結合國內外型號驗證經驗，對直升機雪天運行的適航要求進行梳理研究，將直升機進氣系統(tǒng)雪天運行合格審定分為完全雪天運行、限制雪天運行和禁止雪天運行三類，分別給出不同類別的限制和符合性驗證內容，以及詳細的驗證試驗方法的解釋，對于民用直升機型號適航取證具有一定的指導價值。