民用飛機沖壓空氣渦輪系統(tǒng)適航工程技術(shù)研究

李煥，邵小鈴，夏卿

（航空工業(yè)金城南京機電液壓工程研究中心能源與傳動部，南京 211106）

0 引 言

沖壓空氣渦輪（Ram Air Turbine，簡稱RAT）系統(tǒng)是一種應(yīng)急能源系統(tǒng)，它在飛機失去主動力和輔助動力的緊急情況下釋放，通過提取空氣動能，為飛機關(guān)鍵系統(tǒng)提供應(yīng)急液壓源和/或應(yīng)急電源，以保持飛機的可操縱性。由于不消耗燃料、可長時間持續(xù)工作、成本低等優(yōu)點，RAT系統(tǒng)成為目前絕大部分大型民用飛機采用的應(yīng)急能源。

適航性是指民用航空器（包括其部件及子系統(tǒng)）的整體性能和操縱特性在預(yù)期的運行環(huán)境和使用條件限制下具有安全性和物理完整性的一種品質(zhì)。適航工程是指基于CCAR-25部為代表的標(biāo)準(zhǔn)類規(guī)章及其衍生出的咨詢通告（Advisory Circular，簡稱AC）和行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范等，進行適航工程技術(shù)研究。

國內(nèi)在適航工程技術(shù)方面有代表性的研究有：張翔倫等分析了民用飛機飛控系統(tǒng)適航條款的相關(guān)設(shè)計要求；宋成艷、辜迎佳等分別對航電系統(tǒng)的適航驗證方法進行了研究；李哲等對機載系統(tǒng)的取證方法、取證路徑等進行了闡述。但國內(nèi)針對RAT系統(tǒng)的適航與符合性研究仍未見報道，這是由于目前國內(nèi)民用客機上配套的RAT系統(tǒng)多來自于國外供應(yīng)商，國內(nèi)實際取證的型號極少，國內(nèi)工業(yè)方對如何進行RAT系統(tǒng)的型號適航工程技術(shù)工作方面，尚缺乏經(jīng)驗。隨著我國民用飛機研制工作尤其是大型客機項目的開展，國內(nèi)RAT系統(tǒng)在提升正向設(shè)計能力的同時，也亟需提升適航工程技術(shù)能力以支撐型號取證工作。

基于此，本文對民用飛機RAT系統(tǒng)適航工程技術(shù)的工作方法進行研究，包括對適航審定基礎(chǔ)進行總結(jié)，研究適航條款的適用性，分析每條適用條款提出的需求，落實到產(chǎn)品設(shè)計要求中；確定各條款的符合性方法和驗證思路，最終編制符合性矩陣以及相關(guān)初始適航、持續(xù)適航文件，以期指導(dǎo)民用飛機RAT系統(tǒng)研制及取證。

1 某型RAT審定基礎(chǔ)的確定和考慮

1.1 系統(tǒng)架構(gòu)

系統(tǒng)的基本架構(gòu)和組成是識別審定基礎(chǔ)、開展適航工程活動的前提。

某型民用飛機RAT系統(tǒng)物理架構(gòu)如圖1所示。RAT系統(tǒng)主要由RAT、應(yīng)急發(fā)電機控制器（RAT Generator Controller Unit，簡稱RGCU）、收放作動筒、RAT收放閥以及液壓油管等組成。其中，RAT、RGCU、收放作動筒為RAT系統(tǒng)的核心組件。

圖1 某型民用飛機RAT系統(tǒng)物理架構(gòu)Fig.1 A RAT system physical architecture

RAT包含渦輪發(fā)電機、支撐臂和渦輪釋放拉索。渦輪包含兩個固定在旋轉(zhuǎn)輪轂上的葉片，并由機械調(diào)速機構(gòu)控制。發(fā)電機和渦輪共軸，為飛機提供應(yīng)急能源。支撐臂用于支撐渦輪和發(fā)電機。渦輪釋放拉索安裝在支撐臂上，用于對渦輪限位。

收放作動筒是展開/回收單元的核心部件。它安裝在RAT艙內(nèi)，由彈簧驅(qū)動，并設(shè)計有液壓阻尼起緩沖作用，可以通過艙門連桿克服合理的負(fù)載打開RAT艙門，將RAT推到氣流中。

RGCU是RAT系統(tǒng)的發(fā)電機控制器，是一個簡單的模擬電路板單元，由發(fā)電機永磁機供電。

1.2 識別審定基礎(chǔ)

在系統(tǒng)研制的需求與概念論證階段，對某型民用飛機RAT系統(tǒng)適用的審定基礎(chǔ)進行識別和確認(rèn)。

根據(jù)該型RAT的系統(tǒng)架構(gòu)，其涉及機械結(jié)構(gòu)、液壓、電子電氣等方面。對CCAR-25-R4各分部條款進行逐條確認(rèn)，參考已有RAT型號的研制經(jīng)驗和主機的技術(shù)要求，由RAT研發(fā)團隊識別得到民用飛機RAT系統(tǒng)的審定基礎(chǔ)，共32條，如表1所示。

表1 某型RAT系統(tǒng)審定基礎(chǔ)Table 1 Certification basis of a RAT system

在識別審定基礎(chǔ)的過程中，關(guān)于一些條款對RAT系統(tǒng)的適用性存有爭議，通過專家研討交流，最終達成一致?，F(xiàn)說明如下：

（1）25.671（d）操縱系統(tǒng)：總則

25.671（d）要求“飛機必須設(shè)計成在所有發(fā)動機都失效的情況下仍可操縱。如果表明分析方法是可靠的，則可以通過分析來表明滿足本要求?！?/p>

有專家認(rèn)為，本條正是應(yīng)急能源系統(tǒng)存在的規(guī)章原始要求，應(yīng)該適用于RAT系統(tǒng)。但是，經(jīng)過討論，認(rèn)為本條要求飛機要具有獨立的應(yīng)急能源系統(tǒng)，屬于飛機級的審定基礎(chǔ)；RAT系統(tǒng)作為應(yīng)急能源系統(tǒng)中的一種，支持飛機滿足該要求，但不屬于RAT系統(tǒng)審定基礎(chǔ)范圍。

（2）25.1355（c）配電系統(tǒng)

25.1355（c）要求“如果中國民用航空規(guī)章要求由兩個獨立的電源向某些特定的設(shè)備或系統(tǒng)供電，則這些設(shè)備或系統(tǒng)的一個電源一旦失效后，另一電源（包括其單獨的饋電線）必須能自動或手動接通，以維持設(shè)備或系統(tǒng)的工作?！?/p>

本條提出了對配電系統(tǒng)的要求，配電系統(tǒng)和電源系統(tǒng)是兩個并列系統(tǒng)，屬于電力系統(tǒng)，這條適用于電力系統(tǒng)。RAT系統(tǒng)作為一種應(yīng)急能源，是電源系統(tǒng)的子系統(tǒng)，故本條不在RAT系統(tǒng)審定基礎(chǔ)范圍。

（3）H分部EWIS（Electrical Wiring Interconnection System）條款

CCAR-25-R4 H分部為EWIS相關(guān)要求。根據(jù)25.1701條款中EWIS的定義，RAT系統(tǒng)中涉及到EWIS的部件只有飛機與控制器連接的線纜。目前在某民用飛機型號的RAT系統(tǒng)研制中，該線纜由主機提供，因此，該型RAT系統(tǒng)的審定基礎(chǔ)中不包含EWIS條款，在上一級電源系統(tǒng)中完整考慮了EWIS條款內(nèi)容。后續(xù)型號中如果該線纜納入RAT系統(tǒng)工作包，則EWIS條款應(yīng)按需納入RAT系統(tǒng)工作包中。

2 適航需求的設(shè)計考慮

審定基礎(chǔ)識別確定后，在系統(tǒng)研制的初步設(shè)計階段，要確定每條適航條款對RAT系統(tǒng)提出的各類需求；并按照系統(tǒng)工程國際委員會（INCOSE）對需求“明確、清晰、唯一、一致、獨立和可驗證”的要求，對其進行規(guī)范化正確化整理，建立與適航條款相關(guān)的RAT系統(tǒng)需求矩陣。本文以CCAR 25.581閃電防護條款為例，展示由適航條款到形成需求并落實進入設(shè)計的過程。

2.1 條款原文解讀

CCAR 25.581閃電防護條款原文要求有三條：

（a）飛機必須具有防止閃電引起的災(zāi)難性后果的保護措施。

（b）對于金屬組件，下列措施之一可表明符合本條（a）的要求：

（1）該組件合適地搭接到飛機機體上；

（2）該組件設(shè)計成不致因閃擊而危及飛機。

（c）對于非金屬組件，下列措施之一可表明符合本條（a）的要求：

（1）該組件的設(shè)計使閃擊的后果減至最?。?/p>

（2）具有可接受的分流措施，使產(chǎn)生的電流分流而不致危及飛機。

本條款提出了對飛機閃電防護直接效應(yīng)的要求。要想解讀該條款，首先搜集該條款相關(guān)的適航規(guī)章、AC和行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，如表2所示，可以看出：最頂層的輸入來源于適航標(biāo)準(zhǔn)條款，局方針對特定要求結(jié)合審查經(jīng)驗發(fā)布相應(yīng)的AC及技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)說明（Technical Standards Orders，簡稱TSO），美國汽車工程師學(xué)會（Society of Automotive Engineers，簡稱SAE）、航空無線電技術(shù)委員會（Radio Technical Commission for Aeronautics，簡 稱RTCA）也會發(fā)布技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。對一條適航條款的解讀，應(yīng)按照規(guī)章要求，并借鑒AC和行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的指導(dǎo)意見。

表2 閃電防護相關(guān)的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)Table 2 Industrial standard of lighting protection

通 過 研 讀 各 標(biāo) 準(zhǔn)，對25.581條 款 解 讀如下：

（a）款為總則性條款，具體要求見（b）、（c）。

（b）款要求對金屬組件與飛機機體的搭接和設(shè)計要有必要的防護措施，在遇到閃電后不能引起災(zāi)難性后果。

（c）款提出對非金屬組件的閃電防護要求。條款中提到的使閃擊的后果減至最小，“最小”并非一個量化的概念，但至少應(yīng)保證不會產(chǎn)生災(zāi)難性后果。同時，可接受的分流措施也應(yīng)使飛機的安全性得到保證。

2.2 條款轉(zhuǎn)化為需求

對于RAT系統(tǒng)而言，作為應(yīng)急能源系統(tǒng)，必須保證在遭遇閃電環(huán)境時，其工作與工作能力不受影響。結(jié)合以往RAT系統(tǒng)的設(shè)計經(jīng)驗，根據(jù)需求寫作標(biāo)準(zhǔn)，整理得到25.581條款對應(yīng)的需求：

（a）RAT應(yīng)滿足RTCA/DO 160G 23章規(guī)定的XX1C類雷電直接效應(yīng)試驗要求。

（b）RAT系統(tǒng)中的金屬組件應(yīng)搭接到飛機機體上。

（c）RAT系統(tǒng)中的非金屬組件應(yīng)設(shè)計為受到閃擊的后果為最小。

2.3 適航需求轉(zhuǎn)化為設(shè)計

在系統(tǒng)研制的初步設(shè)計階段，適航條款相關(guān)的需求確定以后，應(yīng)將每條需求落實到具體的設(shè)計要求，指導(dǎo)產(chǎn)品設(shè)計。

對于25.581閃電防護條款，根據(jù)SAE ARP5577，閃 電 直 接 效 應(yīng) 是 由 于 閃 電 通 道 直 接附著到飛機上或閃電電流的傳導(dǎo)在飛機或設(shè)備上產(chǎn)生的物理效應(yīng)，包括表面和結(jié)構(gòu)的絕緣層穿透、爆破、彎曲變形、熔化、燃燒和汽化；在導(dǎo)線、管路、控制線纜和其他導(dǎo)電部件上直接注入電壓和電流；對人員可能造成的傷害包括沖擊效應(yīng)和強閃光造成的炫目/失明。通常，為表明對閃電直接效應(yīng)的符合性，一般需要進行6項工作，包括：

（1）確定閃電區(qū)域劃分；

（2）建立與閃電區(qū)域有關(guān)的閃電環(huán)境；

（3）進行閃電危害性評估；

（4）根據(jù)可接受的準(zhǔn)則進行閃電防護設(shè)計；

（5）符合性驗證；

（6）確定并實施糾正措施。

對于RAT系統(tǒng)，按照標(biāo)準(zhǔn)中推薦的上述工作步驟（1）～步驟（4）開展對本條款的設(shè)計工作。

（1）雖然雷擊區(qū)在任何飛機上的位置取決于飛機的幾何形狀和操作因素，但是SAE ARP 5414給出了目前國際上通行的閃電區(qū)域劃分方法。航空工業(yè)金城南京機電液壓工程研究中心根據(jù)某型RAT系統(tǒng)在飛機上的位置，參考ARP 5414中的劃分，并與主機廠協(xié)商確定某型RAT系統(tǒng)屬于飛機閃電1C區(qū)域。

（2）外部閃電環(huán)境由SAE ARP 5412定義，某型RAT系統(tǒng)閃電直接效應(yīng)試驗類別為XX1C類。

（3）對RAT系統(tǒng)進行閃電影響的評估以確定閃電可能造成的安全性后果。根據(jù)安全性評估，與閃電有關(guān)的系統(tǒng)內(nèi)部件的失效或故障都必須表明符合25.581條的要求。

（4）閃電防護設(shè)計可從已有的設(shè)計經(jīng)驗、具有參考價值的設(shè)計指導(dǎo)或以前驗證過的手冊數(shù)據(jù)而來。而新的設(shè)計可能要求進行研發(fā)試驗以證明其符合相關(guān)性能指標(biāo)的要求。

RAT系統(tǒng)的閃電防護主要包括電搭接和雷電傳導(dǎo)路徑設(shè)計。電搭接設(shè)計包括搭接線規(guī)格選擇、搭接方式、結(jié)構(gòu)材料選擇、標(biāo)準(zhǔn)件緊固件選用等，并保證搭接電阻在規(guī)定值內(nèi)。雷電傳導(dǎo)路徑設(shè)計主要針對渦輪發(fā)電機組件，航空工業(yè)金城南京機電液壓工程研究中心RAT研發(fā)團隊重點對該組件進行了內(nèi)部結(jié)構(gòu)分析，確定雷電可能的傳導(dǎo)路徑，仿真雷電對經(jīng)過處零件的影響，并據(jù)此設(shè)計合理的雷電路徑，選取合適的軸承等零件。

3 符合性驗證與實施

3.1 符合性方法

根據(jù)AP-21-AA-2011-03-R4《航空器型號合格審定程序》，目前型號合格審查過程中通用的符合性方法（Means of Compliance，簡稱MC）共10種，其中系統(tǒng)及子系統(tǒng)級常用的MC有：MC1（說明性文件）、MC2（分析/計算）、MC3（安全評估）、MC4（試驗室試驗）、MC9（設(shè)備合格性）。

在系統(tǒng)研制的詳細(xì)設(shè)計階段，某型RAT系統(tǒng)的設(shè)計工作完成后，針對審定基礎(chǔ)，根據(jù)已有型號經(jīng)驗總結(jié)和專家討論，根據(jù)適航條款的具體要求選取其中的一種或多種組合方式來滿足條款的要求。以25.581閃電防護條款為例，展示條款的符合性思路，如表3所示。

表3 符合性矩陣Table 3 Compliance matrix

3.2 符合性驗證

符合性方法確定以后，在系統(tǒng)研制的試制與驗證階段，應(yīng)開展符合性驗證活動。

針對25.581條款，某型RAT系統(tǒng)進行了雷電防護設(shè)計，并進行了有限元仿真分析，尤其是對渦輪中的滾珠軸承，進行了遭受雷擊時電流流經(jīng)的影響分析。根據(jù)仿真結(jié)果，產(chǎn)品的閃電防護設(shè)計預(yù)期可實現(xiàn)雷電防護需求，并且渦輪部件和應(yīng)急發(fā)電機分別實施了雷擊研發(fā)試驗，尤其是渦輪雷擊研發(fā)試驗，為國內(nèi)首次。試驗后分解顯示渦輪內(nèi)部結(jié)構(gòu)保持完好，雷電導(dǎo)電路徑與設(shè)計一致，試驗后復(fù)測均滿足設(shè)計要求，初步驗證了閃電防護設(shè)計的正確性。

3.3 符合性矩陣

在某型RAT系統(tǒng)中，從識別審定基礎(chǔ)開始，經(jīng)過需求轉(zhuǎn)化，需求落實為設(shè)計，最終選擇符合性方法對條款進行驗證。結(jié)合AP-21-AA-2011-03-R4和HB 8525—2017《民用飛機研制程序》，可以將這一流程和工作成果進行總結(jié)，如圖2所示。

圖2 型號適航工作流程Fig.2 Type airworthiness workflow

4 結(jié) 論

本文以某型RAT系統(tǒng)為例，闡述了民用飛機RAT系統(tǒng)適航工程技術(shù)工作流程與方法：

（1）首先識別適航審定基礎(chǔ)；

（2）確認(rèn)條款提出的需求并落實到產(chǎn)品設(shè)計；

（3）確定條款符合性方法并實施符合性驗證；

（4）開展持續(xù)適航工作（由于目前國內(nèi)RAT系統(tǒng)實際取證的型號極少，本文暫未闡述持續(xù)適航工作相關(guān)內(nèi)容）。

本文提出的適航工程技術(shù)工作流程已隨著某型民用飛機的RAT系統(tǒng)研制進行了初步驗證，后續(xù)還將通過更多型號應(yīng)用和取證工作對這一流程和知識成果進行更新迭代，進而將民用飛機RAT系統(tǒng)適航工程的工作流程及知識成果固化下來，指導(dǎo)國內(nèi)RAT系統(tǒng)的正向研制及取證工作，并反哺適航管理體系的建設(shè)，為管理體系的建設(shè)提供項目實踐參考。