渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)附件環(huán)境試驗(yàn)適航符合性審查策略

劉富榮 高艷蕾

摘要：針對(duì)民用航空發(fā)動(dòng)機(jī)附件試驗(yàn)適航要求，開展附件試驗(yàn)符合性方法研究。通過研究國內(nèi)外附件試驗(yàn)適航規(guī)章及其實(shí)質(zhì)性要求，結(jié)合型號(hào)審定經(jīng)驗(yàn)，提出了附件試驗(yàn)適航符合性策略。該策略給出了民用航空發(fā)動(dòng)機(jī)適航驗(yàn)證的附件范圍，識(shí)別了附件試驗(yàn)對(duì)應(yīng)的環(huán)境驗(yàn)證項(xiàng)，說明了各類環(huán)境驗(yàn)證項(xiàng)的適用性確定原則，描述了符合性驗(yàn)證方法及其確定原則，概括了符合性驗(yàn)證方法相關(guān)的符合性要點(diǎn)。在國內(nèi)渦軸、渦扇兩型取證發(fā)動(dòng)機(jī)上開展了該策略的應(yīng)用，證明符合性策略正確可行。最后，總結(jié)了符合性審定實(shí)踐面臨的挑戰(zhàn)，探討了后續(xù)工作重點(diǎn)。

關(guān)鍵詞：適航審定；民用航空發(fā)動(dòng)機(jī)；發(fā)動(dòng)機(jī)附件；附件試驗(yàn)；環(huán)境試驗(yàn)

Keywords： airworthiness certification；civil aviation engine；engine accessories；accessory test；environmental test

0 引言

航空發(fā)動(dòng)機(jī)適航要求的最基本考慮因素之一是發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)和附件能夠在其聲明的運(yùn)行環(huán)境中正常工作[1，2]。民用航空發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)復(fù)雜，通常包括控制、監(jiān)視、燃油、滑油、點(diǎn)火、空氣系統(tǒng)等；對(duì)于某些發(fā)動(dòng)機(jī)，還可能包括起動(dòng)系統(tǒng)和反推控制系統(tǒng)等。各個(gè)系統(tǒng)涉及大量附件，專業(yè)涵蓋電子電氣、結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、防火防冰、流體污染等。由于發(fā)動(dòng)機(jī)附件功能多樣，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，設(shè)計(jì)特征、材料工藝、安裝環(huán)境和運(yùn)行條件各不相同，導(dǎo)致附件驗(yàn)證工作極其繁重。根據(jù)民用航空發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)和附件試驗(yàn)33.91的要求，對(duì)不能在33.87條持久試驗(yàn)中予以充分驗(yàn)證的系統(tǒng)或部件，申請(qǐng)人必須進(jìn)行附加的驗(yàn)證，以證明這些系統(tǒng)或部件在所有已聲明的環(huán)境和工作條件下能可靠地完成預(yù)定功能[3，4]。適航條款中發(fā)動(dòng)機(jī)部件試驗(yàn)主要針對(duì)附件的安裝和運(yùn)行環(huán)境開展環(huán)境驗(yàn)證，具有環(huán)境驗(yàn)證項(xiàng)多、驗(yàn)證要點(diǎn)多和適航風(fēng)險(xiǎn)高等特點(diǎn)[5，6]。

歐美國家分別在不同程度上給出了發(fā)動(dòng)機(jī)附件試驗(yàn)的適航符合性指導(dǎo)。美國FAA在咨詢通告AC 33.91中給出了附件試驗(yàn)需要考慮的26類環(huán)境驗(yàn)證項(xiàng)以及認(rèn)可的各類環(huán)境試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)，在AC 33.17、AC 33.28、AC 33.63、AC 33.64中給出了與附件試驗(yàn)相關(guān)的其他33部條款試驗(yàn)要求，但對(duì)于符合性驗(yàn)證思路、環(huán)境驗(yàn)證項(xiàng)的適用性、符合性要點(diǎn)等并未給出系統(tǒng)性描述[7-14]。歐洲EASA通過CS-E AMC 80給出了發(fā)動(dòng)機(jī)附件試驗(yàn)需要考慮的環(huán)境驗(yàn)證項(xiàng)，相比FAA AC 33.91缺少了恒加速驗(yàn)證要求，且認(rèn)可的標(biāo)準(zhǔn)也不相同[15]。

國內(nèi)發(fā)動(dòng)機(jī)型號(hào)合格審定處于起步階段，尚無附件環(huán)境試驗(yàn)符合性的相關(guān)指導(dǎo)，符合性驗(yàn)證工作嚴(yán)重依賴參與人員的經(jīng)驗(yàn)，存在符合性遺漏的風(fēng)險(xiǎn)。這也導(dǎo)致附件試驗(yàn)符合性工作存在諸多問題，表現(xiàn)為適航符合性工作切入點(diǎn)不明確、驗(yàn)證對(duì)象不明確、環(huán)境驗(yàn)證項(xiàng)不明確、環(huán)境試驗(yàn)項(xiàng)適用性確定依據(jù)不清晰、缺乏符合性驗(yàn)證方法的確定原則、符合性要點(diǎn)缺失等問題。

為解決上述問題，本文提出了附件試驗(yàn)適航符合性思路和策略，并總結(jié)了附件試驗(yàn)符合性審查面臨的挑戰(zhàn)，探討了后續(xù)工作重點(diǎn)。

1 適航要求

CCAR 33.91條款的字面要求是對(duì)不能在33.87條持久試驗(yàn)中予以充分驗(yàn)證的系統(tǒng)和附件，申請(qǐng)人必須進(jìn)行附加試驗(yàn)，以證明這些系統(tǒng)和附件在所有已聲明的環(huán)境和工作條件下能可靠地完成預(yù)定功能。然而，其實(shí)質(zhì)性意圖與條款字面意思有差異，其本質(zhì)是要求當(dāng)33.87持久試驗(yàn)和其他33部條款對(duì)應(yīng)的試驗(yàn)都不能充分驗(yàn)證附件及其聲明的環(huán)境時(shí)，需要開展附加的驗(yàn)證工作，驗(yàn)證工作不局限于試驗(yàn)，可以是試驗(yàn)、分析、與先期取證發(fā)動(dòng)機(jī)附件的類比，或者三者的結(jié)合。

針對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)和附件試驗(yàn)的條款，中歐美規(guī)章的技術(shù)要求基本一致。其中，F(xiàn)AR 33.91發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)和附件試驗(yàn)條款等效于CCAR 33.91；EASA無直接與CCAR 33.91等效的條款，但CS-E 170發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)試驗(yàn)與CS-E 80發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)備兩條款的要求能夠部分滿足CCAR 33.91要求。中歐美現(xiàn)行有效規(guī)章對(duì)應(yīng)關(guān)系如表1所示。

2 審查策略

如圖1所示，發(fā)動(dòng)機(jī)附件環(huán)境試驗(yàn)符合性工作包括3部分：環(huán)境試驗(yàn)驗(yàn)證策劃、環(huán)境試驗(yàn)驗(yàn)證實(shí)施、環(huán)境試驗(yàn)驗(yàn)證總結(jié)。

2.1 環(huán)境試驗(yàn)驗(yàn)證策劃

2.1.1 環(huán)境試驗(yàn)驗(yàn)證對(duì)象

附件環(huán)境試驗(yàn)符合性的首要工作是確定附件環(huán)境試驗(yàn)驗(yàn)證對(duì)象，確保驗(yàn)證對(duì)象正確完整無遺漏。根據(jù)條款要求，附件試驗(yàn)的驗(yàn)證對(duì)象是指特定發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)中具有獨(dú)立功能，能夠獨(dú)立安裝拆卸，獨(dú)立構(gòu)型管理和整體維護(hù)的任一屬于發(fā)動(dòng)機(jī)型號(hào)取證構(gòu)型的設(shè)備。除此之外的其他件定義為零件，應(yīng)在系統(tǒng)試驗(yàn)或者整機(jī)試驗(yàn)中驗(yàn)證。常見附件包括燃/滑油泵、熱交換器、燃油關(guān)斷閥門、電子控制單元和傳感器等。

2.1.2 環(huán)境試驗(yàn)驗(yàn)證項(xiàng)

附件試驗(yàn)需要考核的環(huán)境驗(yàn)證項(xiàng)包括：高溫、低溫、室溫、流體污染、振動(dòng)、沖擊、恒加速、砂塵、流體敏感性、鹽霧、燃油系統(tǒng)結(jié)冰、進(jìn)氣結(jié)冰、霉菌、溫度—高度、溫度循環(huán)、防爆、濕熱、防水、引腳注入、電源輸入、耐壓、過壓、壓力循環(huán)、防火、發(fā)動(dòng)機(jī)電子控制器過熱和包容性等。

上述環(huán)境驗(yàn)證項(xiàng)并不適用于所有附件，在確定環(huán)境驗(yàn)證項(xiàng)的適用性時(shí)，應(yīng)考慮附件功能、性能、設(shè)計(jì)特征、材料特性、制造工藝、安裝位置、運(yùn)行條件、失效模式。

2.1.3 環(huán)境試驗(yàn)驗(yàn)證范圍

附件試驗(yàn)驗(yàn)證的環(huán)境是附件運(yùn)行環(huán)境和工作條件。該附件運(yùn)行環(huán)境和工作條件應(yīng)結(jié)合安裝對(duì)象和發(fā)動(dòng)機(jī)本體來分析。針對(duì)安裝對(duì)象，應(yīng)充分考慮來自飛機(jī)的環(huán)境輸入，包括由飛機(jī)提供的冷卻能力、燃油污染水平、燃油結(jié)冰條件、飛機(jī)輸入的振動(dòng)特性、雷電間接效應(yīng)等；針對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)本體，應(yīng)考慮在所有發(fā)動(dòng)機(jī)工況下附件可能遭受的運(yùn)行條件，包括正常工況和異常工況，應(yīng)結(jié)合安全性分析確定附件的失效模式，確定附件的環(huán)境驗(yàn)證范圍。0106ACB9-D3AB-42F5-9797-F3E2407B0265

2.1.4 環(huán)境試驗(yàn)符合性策略

CCAR 33.91中發(fā)動(dòng)機(jī)附件試驗(yàn)是否需要開展，取決于33部規(guī)章中其他條款能否充分驗(yàn)證附件及其預(yù)期環(huán)境，即如果能夠合理地分析說明33部規(guī)章中其他條款能夠充分驗(yàn)證附件及其預(yù)期環(huán)境，則無須在33.91中開展任何額外附件驗(yàn)證。與33.91條環(huán)境試驗(yàn)密切相關(guān)的33部規(guī)章其他條款包括33.17防火、33.28發(fā)動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)、33.63振動(dòng)、33.64發(fā)動(dòng)機(jī)靜承壓件、33.67燃油系統(tǒng)、33.68進(jìn)氣系統(tǒng)結(jié)冰、33.71潤(rùn)滑系統(tǒng)和33.87持久試驗(yàn)等。

在明確附件環(huán)境將在33.91條款中驗(yàn)證后，應(yīng)給出具體的附件環(huán)境驗(yàn)證項(xiàng)符合性驗(yàn)證方法以及合理性說明。符合性驗(yàn)證方法可以是試驗(yàn)、分析、類比或者前述3類的組合。試驗(yàn)是指通過分析試驗(yàn)條件、構(gòu)建試驗(yàn)設(shè)施、制定試驗(yàn)程序、確定試驗(yàn)判據(jù)、編制試驗(yàn)大綱、開展試驗(yàn)?zāi)繐?、收集分析試?yàn)數(shù)據(jù)、分析試驗(yàn)偏離、編制試驗(yàn)報(bào)告的手段表明符合性的驗(yàn)證方法；分析是指通過分析附件的設(shè)計(jì)特征、使用材料、制造工藝等，確保附件在其聲明的環(huán)境中實(shí)現(xiàn)預(yù)期功能的符合性驗(yàn)證方法；類比是指通過附件與先期取證發(fā)動(dòng)機(jī)附件的設(shè)計(jì)特征、材料特性、制造工藝、安裝運(yùn)行環(huán)境、運(yùn)行條件、使用經(jīng)驗(yàn)的相似性分析，表明附件能夠在其聲明的環(huán)境中實(shí)現(xiàn)預(yù)期功能的符合性驗(yàn)證方法。

2.2 環(huán)境試驗(yàn)驗(yàn)證實(shí)施

環(huán)境試驗(yàn)驗(yàn)證實(shí)施的主要工作，是根據(jù)環(huán)境驗(yàn)證策劃階段確定的符合性驗(yàn)證方法，對(duì)附件的環(huán)境項(xiàng)開展符合性驗(yàn)證。符合性驗(yàn)證要點(diǎn)與被驗(yàn)證附件、環(huán)境驗(yàn)證項(xiàng)、符合性驗(yàn)證方法有關(guān)。與被驗(yàn)證附件有關(guān)的符合性要點(diǎn)，考慮到不同附件設(shè)計(jì)特征和工作原理不盡相同，符合性要點(diǎn)也不同；而與環(huán)境驗(yàn)證項(xiàng)和符合性驗(yàn)證方法相關(guān)的符合性要點(diǎn)則具有通用性，適用于所有附件。

2.2.1 試驗(yàn)

通過試驗(yàn)的方法表明附件試驗(yàn)的符合性時(shí)，需考慮如下幾個(gè)方面。

1）試驗(yàn)條件。試驗(yàn)需驗(yàn)證的運(yùn)行和環(huán)境參數(shù)需覆蓋附件所遭遇到的極限值；對(duì)于需要在附件工作狀態(tài)下驗(yàn)證的環(huán)境，需要識(shí)別其最嚴(yán)格的工作工況。

2）試驗(yàn)方法。試驗(yàn)所采用的試驗(yàn)程序應(yīng)能充分驗(yàn)證附件的環(huán)境。在采用行業(yè)或者工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)推薦的試驗(yàn)程序時(shí)，需開展合理性說明，說明應(yīng)包括標(biāo)準(zhǔn)的試驗(yàn)程序、試驗(yàn)條件、試驗(yàn)判據(jù)等。試驗(yàn)件的安裝連接、方向、原理應(yīng)能反映附件真實(shí)安裝方式，特別是振動(dòng)等級(jí)和特性。試驗(yàn)設(shè)備應(yīng)通過銘牌、型號(hào)、序列號(hào)、軟件版本、校準(zhǔn)有效期進(jìn)行標(biāo)識(shí)，且必須在校準(zhǔn)范圍內(nèi)使用試驗(yàn)設(shè)備；所有校準(zhǔn)應(yīng)可追溯至公認(rèn)的標(biāo)準(zhǔn)；試驗(yàn)可在臺(tái)架或試驗(yàn)臺(tái)中進(jìn)行，也可以在發(fā)動(dòng)機(jī)整機(jī)上進(jìn)行，但需保證整機(jī)試驗(yàn)?zāi)軌蚋采w附件試驗(yàn)的嚴(yán)苛程度。試驗(yàn)數(shù)據(jù)采集和記錄方法應(yīng)確保試驗(yàn)數(shù)據(jù)的正確性和精度。

3）試驗(yàn)順序。如采用獨(dú)立的試驗(yàn)件進(jìn)行不同環(huán)境試驗(yàn)時(shí)，可按任何順序開展附件試驗(yàn)；若采用單個(gè)試驗(yàn)件進(jìn)行多項(xiàng)試驗(yàn)時(shí)，則要求鹽霧試驗(yàn)不能在霉菌試驗(yàn)之前進(jìn)行；砂塵試驗(yàn)不能在霉菌、鹽霧或濕熱試驗(yàn)前進(jìn)行；振動(dòng)試驗(yàn)不應(yīng)在溫度試驗(yàn)之前進(jìn)行；爆炸大氣試驗(yàn)不能在任何其他試驗(yàn)之前進(jìn)行；防火試驗(yàn)不能在其他任何試驗(yàn)之前進(jìn)行。

4）試驗(yàn)組合。如果要求對(duì)驗(yàn)證時(shí)間進(jìn)行累積，可將多個(gè)不同環(huán)境驗(yàn)證項(xiàng)的試驗(yàn)程序進(jìn)行組合，但需確保組合后的試驗(yàn)程序能夠充分驗(yàn)證每個(gè)獨(dú)立試驗(yàn)的最嚴(yán)苛試驗(yàn)條件。

5）試驗(yàn)通過準(zhǔn)則。對(duì)于大多數(shù)附件，試驗(yàn)通過的準(zhǔn)則至少包含試驗(yàn)過程中沒有發(fā)生任何可能影響發(fā)動(dòng)機(jī)安全性或可操作性的重大附件功能和性能變化；試驗(yàn)后能夠達(dá)到生產(chǎn)驗(yàn)收試驗(yàn)的要求，試驗(yàn)后的分解檢查（如果有要求）沒有發(fā)現(xiàn)可能損害附件安全運(yùn)行能力的潛在故障或損壞。

6）試驗(yàn)結(jié)果分析。試驗(yàn)后應(yīng)開展試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析，特別是試驗(yàn)數(shù)據(jù)和構(gòu)型偏離對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響分析，并給出驗(yàn)證結(jié)論。

2.2.2 分析

通過分析的方法表明附件試驗(yàn)的符合性時(shí)，需分析附件的幾何結(jié)構(gòu)、應(yīng)力水平、極限應(yīng)力位置、運(yùn)行特性、功能、制造工藝、材料特性、失效模式、失效影響、工作條件、安裝環(huán)境等，并說明附件如何在其聲明的運(yùn)行條件和安裝環(huán)境中，特別是異常情況下實(shí)現(xiàn)預(yù)期工作。

2.2.3 類比

通過類比的方法表明附件試驗(yàn)的符合性時(shí)，需考慮如下幾個(gè)方面。

1）擬取證發(fā)動(dòng)機(jī)的附件設(shè)計(jì)必須在先期取證發(fā)動(dòng)機(jī)的附件設(shè)計(jì)考慮范圍內(nèi)，包括幾何結(jié)構(gòu)、應(yīng)力水平、極限應(yīng)力位置、運(yùn)行特性、功能、制造工藝、材料特性、失效模式、失效影響等。

2）擬取證發(fā)動(dòng)機(jī)的附件運(yùn)行條件、安裝環(huán)境在先期取證發(fā)動(dòng)機(jī)的附件環(huán)境驗(yàn)證范圍內(nèi)。

3）先期取證發(fā)動(dòng)機(jī)的附件符合性數(shù)據(jù)足以證明符合性，不需要新的數(shù)據(jù)來表明符合性。

4）先期取證發(fā)動(dòng)機(jī)的附件符合性必須通過試驗(yàn)表明，不能通過基于對(duì)類似發(fā)動(dòng)機(jī)型號(hào)中附件使用經(jīng)驗(yàn)、附件設(shè)計(jì)實(shí)踐、類比分析表明。

5）產(chǎn)生先期取證發(fā)動(dòng)機(jī)附件的符合性數(shù)據(jù)的試驗(yàn)程序必須依據(jù)工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)或者行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，以保證試驗(yàn)數(shù)據(jù)的置信度。

2.3 環(huán)境試驗(yàn)驗(yàn)證總結(jié)

按照規(guī)章要求，完成所有附件環(huán)境試驗(yàn)后需形成附件安裝環(huán)境限制清單，供安裝對(duì)象使用，明確附件振動(dòng)、溫度以及其他需要飛機(jī)方關(guān)注的安裝限制，包括但不限于經(jīng)驗(yàn)證的燃油污染水平、振動(dòng)特性和等級(jí)、安裝使用溫度限制等。

上述附件試驗(yàn)符合性策略已經(jīng)在某型中歐合作發(fā)動(dòng)機(jī)項(xiàng)目、其他在取證發(fā)動(dòng)機(jī)項(xiàng)目中展開應(yīng)用，驗(yàn)證了該審查策略和審查要點(diǎn)切實(shí)正確，合理可行，能夠支撐發(fā)動(dòng)機(jī)附件環(huán)境試驗(yàn)符合性審查工作的開展。

3 問題與挑戰(zhàn)

隨著技術(shù)的發(fā)展，將有更多新材料、新工藝、新技術(shù)引入到發(fā)動(dòng)機(jī)附件的研制過程中。伴隨著產(chǎn)品服役數(shù)據(jù)的積累，新的失效模式、運(yùn)行條件將不斷被識(shí)別。面對(duì)上述情況，發(fā)動(dòng)機(jī)附件試驗(yàn)符合性審查缺乏歷史數(shù)據(jù)參考和支撐，甚至可能缺乏相關(guān)審查政策的指導(dǎo)，為審查工作帶來新的挑戰(zhàn)。適航審查需要結(jié)合具體情況，不斷優(yōu)化民用航空發(fā)動(dòng)機(jī)附件環(huán)境試驗(yàn)適航審查策略，制定新的審查指導(dǎo)政策，積累和優(yōu)化各個(gè)環(huán)境驗(yàn)證項(xiàng)的審查要點(diǎn)。0106ACB9-D3AB-42F5-9797-F3E2407B0265

4 結(jié)束語

該符合性策略已能夠支撐發(fā)動(dòng)機(jī)附件環(huán)境試驗(yàn)符合性審查工作的開展，后續(xù)將結(jié)合工業(yè)實(shí)踐引入新技術(shù)，以及產(chǎn)品服役識(shí)別的失效模式和使用環(huán)境，進(jìn)行規(guī)章更新，逐步積累和優(yōu)化環(huán)境驗(yàn)證項(xiàng)的審查要點(diǎn)。

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