CCAR.適航符合性驗(yàn)證思路簡(jiǎn)述

沈東

【摘 要】民用大型運(yùn)輸類飛機(jī)需要滿足中國(guó)民用航空規(guī)章第25部《運(yùn)輸類飛機(jī)適航標(biāo)準(zhǔn)》才能取得型號(hào)合格證。本文對(duì)其中的25.1093條款要求進(jìn)行了分析，提出了建議的符合性驗(yàn)證方法和思路，并對(duì)符合性驗(yàn)證中的難點(diǎn)進(jìn)行了簡(jiǎn)要說(shuō)明，為運(yùn)輸類飛機(jī)25.1093條款的適航審查和符合性驗(yàn)證工作提供參考。

【關(guān)鍵詞】CCAR25.1093；結(jié)冰條件；冰脫落；符合性驗(yàn)證

0 概述

飛機(jī)在穿越云層時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣道唇口蒙皮會(huì)出現(xiàn)結(jié)冰現(xiàn)象。如果不進(jìn)行發(fā)動(dòng)機(jī)唇口蒙皮結(jié)冰防護(hù)，結(jié)冰到一定程度會(huì)造成發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣道進(jìn)氣畸變，導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)異常振動(dòng)，另外，機(jī)體表面冰脫落被吸入發(fā)動(dòng)機(jī)時(shí)可能造成發(fā)動(dòng)機(jī)壓氣機(jī)葉片受損，嚴(yán)重的會(huì)導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)熄火[1]。為了保證發(fā)動(dòng)機(jī)能夠在結(jié)冰條件下安全運(yùn)行，針對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣系統(tǒng)，CCAR25部規(guī)章制定了25.1093條款-進(jìn)氣系統(tǒng)防冰[2]。具體要求如下：

（a）活塞發(fā)動(dòng)機(jī)

活塞發(fā)動(dòng)機(jī)的進(jìn)氣系統(tǒng)必須有防冰和除冰措施。除非用其它方法來(lái)滿足上述要求，否則必須表明，在溫度為-1.1℃（30°F）的無(wú)可見(jiàn)水汽的空氣中，每架裝有高空發(fā)動(dòng)機(jī)的飛機(jī)，均符合下列規(guī)定：

（1）采用普通文氏管式汽化器時(shí)，裝有預(yù)熱器，能在發(fā)動(dòng)機(jī)以60%最大連續(xù)功率運(yùn)轉(zhuǎn)情況下提供67℃（120°F）的溫升；

（2）采用可減少結(jié)冰概率的汽化器時(shí)，裝有預(yù)熱器，能在發(fā)動(dòng)機(jī)以60%最大連續(xù)功率運(yùn)轉(zhuǎn)情況下提供56℃（100°F）的溫升。

（b）渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)

（1）每臺(tái)渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)必須能在下列條件下在其整個(gè)飛行功率（推力）范圍（包括慢車(chē)）工作，而發(fā)動(dòng)機(jī)、進(jìn)氣系統(tǒng)部件或飛機(jī)機(jī)體部件上沒(méi)有不利于發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)或引起功率或推力嚴(yán)重?fù)p失的冰積聚：

（i）附錄C規(guī)定的結(jié)冰條件；

（ii）為飛機(jī)作該類營(yíng)運(yùn)所制定的使用限制內(nèi)的降雪和揚(yáng)雪情況。

（2）每臺(tái)渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)必須在溫度-9～-1℃（15～30°F）、液態(tài)水含量不小于0.3克/米3、水呈水滴狀態(tài)（其平均有效直徑不小于20微米）的大氣條件下，進(jìn)行地面慢車(chē)運(yùn)轉(zhuǎn)30分鐘，此時(shí)可供發(fā)動(dòng)機(jī)防冰用的引氣處于其臨界狀態(tài)，而無(wú)不利影響，隨后發(fā)動(dòng)機(jī)以起飛功率（推力）作短暫運(yùn)轉(zhuǎn)。在上述30分鐘慢車(chē)運(yùn)轉(zhuǎn)期間，發(fā)動(dòng)機(jī)可以按適航當(dāng)局可接受的方式間歇地加大轉(zhuǎn)速到中等功率（推力）。

（c）增壓式活塞發(fā)動(dòng)機(jī)

每臺(tái)裝有增壓器（對(duì)進(jìn)入汽化器之前的空氣進(jìn)行增壓）的活塞發(fā)動(dòng)機(jī)，在判斷符合本條（a）的規(guī)定時(shí)，在任何高度上均可利用由此增壓所產(chǎn)生的空氣溫升，只要所利用的溫升是在有關(guān)的高度和運(yùn)轉(zhuǎn)條件下因增壓而自動(dòng)獲得的。

[中國(guó)民用航空局1995年12月18日第二次修訂]

25.1093條款針對(duì)活塞發(fā)動(dòng)機(jī)、渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)、增壓式活塞發(fā)動(dòng)機(jī)三種不同類型的發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行了專門(mén)的進(jìn)氣系統(tǒng)防冰要求。目前，大型民用運(yùn)輸類飛機(jī)安裝的發(fā)動(dòng)機(jī)基本皆為渦輪噴氣式發(fā)動(dòng)機(jī)，因此，本文僅對(duì)25.1093（b）的驗(yàn)證思路和驗(yàn)證方法進(jìn)行簡(jiǎn)述。

1 CCAR25.1093（b）條款關(guān)鍵點(diǎn)解析

整個(gè)飛行功率（推力）范圍（包括慢車(chē)）：在可以防止慢車(chē)停車(chē)推力之外，整個(gè)推力范圍都需要為發(fā)動(dòng)機(jī)提供防冰措施?！鞍l(fā)動(dòng)機(jī)、進(jìn)氣系統(tǒng)部件或飛機(jī)機(jī)體部件上沒(méi)有不利于發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)或引起功率或推力嚴(yán)重?fù)p失的冰積聚”中發(fā)動(dòng)機(jī)主要指發(fā)動(dòng)機(jī)風(fēng)扇葉片等結(jié)冰表面，進(jìn)氣系統(tǒng)部件主要指進(jìn)氣道唇口，飛機(jī)機(jī)體解釋為任何可能有冰聚集、并且產(chǎn)生的冰可能被吸入發(fā)動(dòng)機(jī)的機(jī)體部件，可能結(jié)冰的機(jī)體部件主要有機(jī)頭、機(jī)翼（前緣和回流冰）、機(jī)身、天線屏蔽器、天線等?！安焕诎l(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)或引起功率或推力嚴(yán)重?fù)p失”：結(jié)冰對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的影響主要有異常振動(dòng)、推力損失、機(jī)械損傷三種情況[3]。不同型號(hào)的發(fā)動(dòng)機(jī)對(duì)應(yīng)不同的不可接受振動(dòng)、推力損失、機(jī)械損傷的標(biāo)準(zhǔn)，在進(jìn)行25.1093條款適航符合性驗(yàn)證時(shí)，需要發(fā)動(dòng)機(jī)供應(yīng)商提供這些標(biāo)準(zhǔn)。

2 CCAR25.1093（b）與CCAR33.68的區(qū)別

CCAR33.68從發(fā)動(dòng)機(jī)本體出發(fā)，要求在結(jié)冰條件下，整個(gè)飛行推力范圍內(nèi)，發(fā)動(dòng)機(jī)部件上沒(méi)有影響發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)或造成不可接受的推力損失的冰積聚。屬于從發(fā)動(dòng)機(jī)制造商角度考慮的條款，關(guān)注點(diǎn)是發(fā)動(dòng)機(jī)自身的狀態(tài)和能力，例如，熄火、喘振、壓氣機(jī)失速、轉(zhuǎn)子卡死、異常振動(dòng)、推力響應(yīng)慢、喪失推力保持等。

CCAR25.1093（b）從飛機(jī)出發(fā)，要求在結(jié)冰條件下，整個(gè)飛行推力范圍內(nèi)，發(fā)動(dòng)機(jī)、機(jī)體、進(jìn)氣道上沒(méi)有影響發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)或造成不可接受的推力損失的冰積聚，關(guān)注點(diǎn)是發(fā)動(dòng)機(jī)安裝后與飛機(jī)的匹配。

一般適航驗(yàn)證中，CCAR33.68需要先于CCAR25.1093（b）完成驗(yàn)證，滿足CCAR33.68是進(jìn)行CCAR25.1093（b）驗(yàn)證的基礎(chǔ)。CCAR33.68的驗(yàn)證試驗(yàn)為CCAR25.1093（b）提供結(jié)冰條件下發(fā)動(dòng)機(jī)的推力變化特性、振動(dòng)特性、發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)械損傷容限等關(guān)鍵參數(shù)。

3 25.1093（b）條款驗(yàn)證思路

對(duì)25.1093（b）條款的驗(yàn)證主要分為三個(gè)部分：機(jī)體冰脫落符合性驗(yàn)證、發(fā)動(dòng)機(jī)風(fēng)扇冰脫落符合性驗(yàn)證、短艙防冰系統(tǒng)符合性驗(yàn)證。

3.1 機(jī)體冰脫落符合性驗(yàn)證

機(jī)體冰脫落符合性驗(yàn)證的大致流程如圖1下：

圖1 機(jī)體冰脫落符合性驗(yàn)證流程

驗(yàn)證難點(diǎn)：1）大尺寸表面的結(jié)冰量計(jì)算缺乏冰風(fēng)洞試驗(yàn)結(jié)果支持，計(jì)算結(jié)果僅能做參考，不能用來(lái)直接表明符合性。2）冰脫落時(shí)破裂特性缺少理論和試驗(yàn)支持，一般按最保守的破裂成兩塊處理，為冰脫落的符合性驗(yàn)證增加了難度。3）對(duì)于脫落后冰塊運(yùn)動(dòng)軌跡模擬，由于冰塊的尺寸和質(zhì)量難以確定，疊加上飛行姿態(tài)和外界氣流環(huán)境，模擬結(jié)果的可信性很難驗(yàn)證，不能用來(lái)直接表明符合性。4）冰脫落自然結(jié)冰試飛無(wú)法驗(yàn)證到最臨界的冰脫落條件，僅能驗(yàn)證個(gè)別結(jié)冰條件下的冰脫落符合性。

一般，大尺寸結(jié)冰表面（如機(jī)頭）冰脫落的符合性驗(yàn)證采用計(jì)算分析、自然結(jié)冰試飛、相似性分析相結(jié)合的方式表明符合性。

冰脫落相似性分析的要點(diǎn)：

1）選取的相似機(jī)型具有足夠的安全服役數(shù)據(jù)。

2）飛機(jī)布局和外形相似。

飛機(jī)布局和幾何外形相似是發(fā)動(dòng)機(jī)吸入機(jī)體脫落冰相似性分析的基礎(chǔ)，也是后續(xù)流場(chǎng)相似和結(jié)冰特性相似分析工作的前提。

3）流場(chǎng)特性相似。

飛機(jī)的結(jié)冰特性和飛機(jī)氣動(dòng)流場(chǎng)密切相關(guān)，氣動(dòng)流場(chǎng)影響水滴的運(yùn)動(dòng)軌跡進(jìn)而影響結(jié)冰外形，流場(chǎng)特性發(fā)生變化，水滴運(yùn)動(dòng)軌跡和結(jié)冰冰形也隨之發(fā)生改變。另一方面，如果冰塊從機(jī)體（下轉(zhuǎn)第290頁(yè)）（上接第345頁(yè)）表面脫落，脫落冰塊的運(yùn)動(dòng)軌跡也受到飛機(jī)氣動(dòng)流場(chǎng)的影響。

4）結(jié)冰特性相似。

冰脫落軌跡與冰塊初始脫落位置、冰塊大小以及形狀有關(guān)，結(jié)冰冰形和結(jié)冰位置必須具備相似性，才能保證在具有相似性的流場(chǎng)前提下，脫落冰塊的運(yùn)動(dòng)軌跡具有相似性。

3.2 渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)風(fēng)扇葉片冰脫落符合性驗(yàn)證

發(fā)動(dòng)機(jī)風(fēng)扇葉片冰脫落可能會(huì)導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)生機(jī)械損傷，在符合性驗(yàn)證中，一般采用計(jì)算分析和試飛的方法來(lái)表明風(fēng)扇葉片冰脫落不會(huì)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)造成機(jī)械損傷或不可接受的推力損失。

驗(yàn)證難點(diǎn)：風(fēng)扇冰脫落的符合性風(fēng)扇冰脫落自然結(jié)冰試飛，F(xiàn)AA AC20-147建議發(fā)動(dòng)機(jī)風(fēng)扇冰脫落飛行試驗(yàn)在飛機(jī)（發(fā)動(dòng)機(jī)）爬升（最大爬升）、待機(jī)、下降（空中慢車(chē)）三個(gè)階段中的每個(gè)階段進(jìn)行三次發(fā)動(dòng)機(jī)風(fēng)扇自然冰脫落試飛試驗(yàn)。風(fēng)扇冰脫落自然結(jié)冰試驗(yàn)條件要求高，試飛風(fēng)險(xiǎn)大，冰脫落判據(jù)難以確定。在試驗(yàn)前需要做充分的分析和地面試驗(yàn)，包括：結(jié)冰條件下的實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)、發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)械損傷判據(jù)、發(fā)動(dòng)機(jī)振動(dòng)特性等。

3.3 發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣道唇口防冰系統(tǒng)性能符合性驗(yàn)證

進(jìn)氣道唇口結(jié)冰帶來(lái)的危害由：1）改變進(jìn)氣流場(chǎng)，導(dǎo)致進(jìn)氣畸變；2）進(jìn)氣道唇口冰脫落，造成發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)械損傷。

進(jìn)氣道唇口防冰系統(tǒng)一般采用性能計(jì)算分析、結(jié)冰條件下的地面試驗(yàn)、自然結(jié)冰飛行試驗(yàn)的方法進(jìn)行符合性驗(yàn)證。

驗(yàn)證難點(diǎn)：結(jié)冰條件下進(jìn)氣道唇口防冰系統(tǒng)地面試驗(yàn)需要在25.1093（b）（2）要求的結(jié)冰條件下進(jìn)行，這種結(jié)冰條件在自然條件下很難遇到，需要通過(guò)地面結(jié)冰條件模擬設(shè)備模擬滿足條款要求的結(jié)冰條件。試驗(yàn)前需要對(duì)結(jié)冰條件模擬設(shè)備試驗(yàn)段的云霧模擬面積和質(zhì)量、液態(tài)水含量、水滴顆粒直徑、水滴分布的均勻性等參數(shù)進(jìn)行標(biāo)定和檢查。

4 總結(jié)

本文提出的CCAR25.1093（b）符合性驗(yàn)證思路既是對(duì)以往經(jīng)驗(yàn)的總結(jié)，又是對(duì)后續(xù)型號(hào)驗(yàn)證工作的指導(dǎo)，在CCAR25.1093（b）的適航驗(yàn)證過(guò)程中，符合性方法較為明確，主要為計(jì)算分析、地面試驗(yàn)、飛行試驗(yàn)、相似性分析。但驗(yàn)證過(guò)程中還有諸多難點(diǎn)，例如，機(jī)體表面冰脫落特性、大尺寸表面結(jié)冰量的計(jì)算校核、冰脫落后的運(yùn)動(dòng)軌跡、發(fā)動(dòng)機(jī)風(fēng)扇葉片冰脫落計(jì)算模型的建立和校核、自然結(jié)冰試飛方法的改善等還需要進(jìn)一步的研究。另外，針對(duì)驗(yàn)證工作中的技術(shù)難點(diǎn)申請(qǐng)人需盡早與審查方溝通，共同尋找最優(yōu)方案，避免后期出現(xiàn)分歧。

【參考文獻(xiàn)】

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[責(zé)任編輯：田吉捷]