國外航空發(fā)動機火山灰環(huán)境試驗研究綜述

卜旭東

(中國飛行試驗研究院，陜西 西安 710089)

1 引 言

火山噴發(fā)時釋放出大量的火山灰，這些火山灰會上升到大氣對流層頂部并蔓延數(shù)百公里，嚴重威脅飛機的飛行安全。中國周邊的東南亞、日本、堪察加半島等地火山眾多，隨著國內(nèi)航空運輸?shù)目焖侔l(fā)展，火山灰云對航空的威脅日益顯著?；鹕交业闹饕煞质枪杷猁}，其熔點約1100℃。發(fā)動機正常運行時，其內(nèi)部溫度遠高于火山灰的熔點，發(fā)動機吸入的火山灰會熔化并在渦輪導向器冷卻，附著于導向器和高壓渦輪葉片，引起發(fā)動機喘振甚至停車。

2015年，歐洲航空安全局(EASA)在航空發(fā)動機適航審定規(guī)章CS-E 1050中增加了需要評估火山灰對發(fā)動機危害程度的條款。美國國家航空航天局(NASA)在2015年7月對F117渦扇發(fā)動機進行了火山灰環(huán)境試驗，俄羅斯在2021年10月對MC-21客機的PD-14發(fā)動機進行了火山灰環(huán)境試驗并將其作為發(fā)動機型號取證的一部分。目前，國內(nèi)在渦扇發(fā)動機火山灰環(huán)境試驗領(lǐng)域的研究較少。本文主要整理了火山灰對發(fā)動機的危害及NASA完成的發(fā)動機火山灰環(huán)境試驗相關(guān)資料，為試驗設(shè)備的研發(fā)、試驗方法的設(shè)計、試驗結(jié)果的分析提供參考。

2 火山噴發(fā)對航空業(yè)的影響

全球約有500座活火山，大多數(shù)分布在地球板塊交界處。就世界范圍而言，火山主要集中在環(huán)太平洋一帶。據(jù)資料記載，全球80%的火山噴發(fā)位于環(huán)太平洋一帶，主要發(fā)生在北美、堪察加半島、日本、菲律賓和印度尼西亞，全球活火山分布如圖1所示。

圖1 全球活火山分布圖

火山噴發(fā)時會釋放出大量的火山灰，嚴重威脅飛機的飛行安全。1982年6月24日，英國航空公司的一架波音747從馬來西亞吉隆坡飛往澳大利亞珀斯，在飛行高度37000ft遭遇火山灰云，4臺發(fā)動機全部熄火失去動力。在隨后的16min內(nèi)，該飛機在無動力情況下從37000ft下降到12000ft，駕駛員在這個高度成功地重新啟動了3臺發(fā)動機，并在印度尼西亞雅加達成功迫降，人們自此開始意識到火山灰對航空安全的嚴重影響[1]。

1989年12月5日，荷蘭皇家航空一架由阿姆斯特丹飛往東京的B747-400客機，在阿拉斯加空域進入里道特火山(Mount Redoubt)爆發(fā)后的火山灰云，4臺發(fā)動機全部熄火，所幸在下降過程中發(fā)動機空中啟動成功，飛機在安克雷奇國際機場迫降，無人員傷亡。2014年2月14日，克盧德火山噴發(fā)，半徑500km范圍內(nèi)降下火山灰，部分地區(qū)的火山灰厚達2cm，多個國際航班受到影響(火山灰覆蓋的飛機見圖2)。

圖2 被火山灰覆蓋的飛機

根據(jù)美國地質(zhì)調(diào)查局的數(shù)據(jù)，1953年至2016年期間，超過253架次商用飛機在飛行中遭遇到了火山灰云(如圖3所示)，其中9架次出現(xiàn)發(fā)動機空中停車[2]。2010年4月，位于冰島埃亞菲亞德拉冰蓋的火山突然噴發(fā)，雖然其噴發(fā)的規(guī)模不大，但由于氣流和天氣原因，飄散的火山灰致使歐洲西部和北部及北大西洋地區(qū)東部的航空器運營癱瘓多天，對整個歐洲乃至全球的航空業(yè)造成了巨大的損失。

圖3 1953～2016年飛機遭遇火山灰云的次數(shù)

火山灰大都由邊緣銳利、堅硬的玻璃顆粒和粉化巖礫組成，磨蝕性極強。同時，火山灰?guī)в卸趸?硫酸)和氯氣(鹽酸)氣態(tài)溶液。不難想象，火山灰會對航空器的飛行安全產(chǎn)生嚴重危害?；鹕交以茣枞ね徐o壓系統(tǒng)，導致飛機速度指示表等各種儀器失靈而產(chǎn)生錯誤警示?；鹕交視趽躏w機風擋玻璃，污染航空器空調(diào)和設(shè)備冷卻系統(tǒng)，腐蝕飛機機體和外部設(shè)備，其進入通風和增壓系統(tǒng)會磨損轉(zhuǎn)動部件，嚴重影響航空器的可靠性，同時也影響機場跑道的制動效果，增加航空運維費用[1]。

火山灰對航空器的最大威脅是使多個發(fā)動機熄火，這是因為火山灰的主要成分是硅酸鹽，其熔點約1100℃，而發(fā)動機正常運行的溫度遠大于其熔點，所以吸入的火山灰會被熔化，而后又在渦輪導向器、渦輪葉片上冷卻成火山灰沉積物，并附著在葉片上，導致發(fā)動機空中停車。

2015年，歐洲航空安全局(EASA)在航空發(fā)動機適航審定規(guī)章CS-E 1050中增加了需要評估火山灰對發(fā)動機危害程度的條款。目前，美國、俄羅斯均進行了航空發(fā)動機火山灰環(huán)境試驗[4]。

2021年10月，俄羅斯技術(shù)集團公司旗下的聯(lián)合航空發(fā)動機公司使用堪察加希韋盧奇火山的火山灰對MC-21客機的PD-14發(fā)動機的核心機進行了火山灰試驗，該試驗在俄羅斯中央航空發(fā)動機研究所的試車臺上進行，作為歐洲航空安全局(EASA)PD-14型號取證的一部分。該發(fā)動機在火山灰惡劣環(huán)境下工作1h，試驗過程中發(fā)動機的性能幾乎沒有改變。對其拆解后，未發(fā)現(xiàn)火山灰對該產(chǎn)品造成的任何不良后果，證明其飛越火山灰云時的使用安全性?；谒@得的數(shù)據(jù)，將制定配備PD-14發(fā)動機的飛機在進入火山灰云情況下的技術(shù)維護和飛行使用建議。這次試驗是俄羅斯發(fā)動機制造史上首次用火山灰測試航空發(fā)動機。2015年7月，美國國家航空航天局(NASA)對F117渦扇發(fā)動機進行了火山灰環(huán)境試驗。

3 火山灰對發(fā)動機的危害

火山噴發(fā)時，巖漿或巖石被炸成碎片，大塊的火山碎屑(一般大于64mm)以彈道式從火山口拋射而出，產(chǎn)生強大的沖擊力。相對較小的火山碎屑(2mm～64mm)被噴向空中，產(chǎn)生一個噴發(fā)柱，在風和重力的影響下降落到地面。最小的火山碎屑(小于2mm)即火山灰很容易在噴發(fā)柱內(nèi)部向上對流，高度可達平流層，在很長一段時間內(nèi)順風前進，可能會飄散數(shù)星期甚至數(shù)月之久[5]。

火山灰是指火山噴發(fā)時噴出的粒徑小于2mm的粉狀巖石，其主要成分為二氧化硅(大于50%)，含少量的鋁、鐵、鈣和鈉的氧化物。二氧化硅為玻璃態(tài)硅酸鹽，在電子顯微鏡下掃描可見鋒利玻屑。玻璃態(tài)硅酸鹽非常堅硬，通常莫氏硬度等級為5或6級(類似于鉛筆刀刀片)，其磨蝕性極強?；鹕交业哪ノg特性會損傷航空器結(jié)構(gòu)、駕駛艙窗和發(fā)動機零件。

火山灰的主要成分是玻璃態(tài)硅酸鹽，其熔點約為1100℃，低于噴氣發(fā)動機在巡航狀態(tài)的溫度(大約1400℃)，火山灰熔化后會對發(fā)動機造成嚴重損壞。國際民航組織建議闖入火山灰云的飛機，在可能的情況下將發(fā)動機功率降低至慢車狀態(tài)[6]。

根據(jù)飛行期間與火山灰接觸的噴氣發(fā)動機拆卸檢查結(jié)果，以及對噴氣發(fā)動機的火山灰環(huán)境試驗(火山灰通過風機吹入發(fā)動機)，人們現(xiàn)已較詳細地了解了火山灰對噴氣發(fā)動機的影響[7]?；鹕交覔p壞發(fā)動機主要有3個原因：

(1)火山灰的熔點低于噴氣發(fā)動機慢車以上狀態(tài)的運行溫度?；鹕交业闹饕煞质侨埸c為1100℃的硅酸鹽，在巡航狀態(tài)下，噴氣發(fā)動機的運行溫度約為1400℃，吸入的火山灰會被熔化，而后又在渦輪導向器、渦輪葉片上冷卻成火山灰沉積物(如圖4所示)，這大幅減少了高壓渦輪入口導葉的喉部面積，導致氣流不匹配，繼而造成發(fā)動機喘振，導致發(fā)動機推力下降，甚至造成發(fā)動機熄火。隨著發(fā)動機高壓渦輪進口溫度的不斷提高，今后火山灰在噴氣發(fā)動機中的熔化現(xiàn)象會更為嚴峻。

圖4 高壓渦輪導向器前緣上堆積的黑色、玻璃狀熔化的火山灰沉積物

(2)火山灰的磨蝕性還讓壓縮機轉(zhuǎn)子路徑和轉(zhuǎn)子葉片葉尖(主要是高壓部分)受到磨損，如圖5所示，造成高壓渦輪效率和發(fā)動機推力損失。此外，磨損還造成發(fā)動機失速裕度降低。壓氣機葉片磨損程度的主要影響因素是火山灰硬度、粒度和濃度，火山灰顆粒沖擊速度以及推力設(shè)置。雖然磨損對發(fā)動機的影響程度弱于火山灰熔化，但磨損傷害是永久的、不可逆的。

圖5 高壓壓氣機葉片受火山灰磨損

(3)除了上述火山灰熔化和葉片磨損問題外，火山灰還會阻塞燃油噴嘴和冷卻系統(tǒng)中的通氣孔。對吸入火山灰的噴氣發(fā)動機的地面測試發(fā)現(xiàn)，燃油噴嘴處有黑色類碳沉積物，導致發(fā)動機功率降低。這種情況下發(fā)動機空啟十分困難，因為嘗試空啟期間，污染物并無脫落的跡象。

2000年2月，NASA對遭遇火山灰的DC-8-72飛機的4臺CFM56-2渦扇發(fā)動機飛行數(shù)據(jù)進行分析，結(jié)果表明，發(fā)動機性能并沒有顯著變化，巡航狀態(tài)EGT裕度略有下降。由于少量灰燼會清潔和拋光壓氣機葉片，稍微提高了壓氣機效率，阻塞的渦輪冷卻氣流通道和孔會減少HPC的流失，這也將略微提高性能。由于冷卻孔阻塞導致渦輪葉片在足夠高的溫度下運行，其使用壽命可能會縮短，但不會降低其性能。此外，發(fā)動機吸入火山灰會污染發(fā)動機滑油系統(tǒng)，對滑油取樣并進行光譜分析(如圖6所示)，發(fā)現(xiàn)硫元素含量較高。

圖6 遭遇火山灰后發(fā)動機滑油光譜分析結(jié)果

4 NASA航空發(fā)動機火山灰環(huán)境試驗

4.1 試驗背景

2010年的冰島火山噴發(fā)對航空業(yè)產(chǎn)生了巨大影響。與此同時，NASA為了開發(fā)先進的健康管理系統(tǒng)和智能傳感器并將其應(yīng)用于下一代商用發(fā)動機，制定實施了飛行器綜合推進研究項目(Vehicle Integrated Propulsion，VIPR)，旨在通過一系列的發(fā)動機裝機條件下的試驗，驗證發(fā)動機氣路故障診斷技術(shù)和智能傳感器效果。2015年，出于對發(fā)動機火山灰環(huán)境試驗的興趣，在該項目的第三階段(VIRP 3)，NASA與其他政府機構(gòu)和行業(yè)合作，包括美國地質(zhì)調(diào)查局、美國聯(lián)邦航空管理局、美國空軍研究實驗室、普惠公司、羅羅公司、通用公司和波音公司，在NASA位于加利福尼亞州的阿姆斯特朗飛行研究中心/愛德華茲空軍基地進行了一系列發(fā)動機火山灰環(huán)境試驗(Volcanic Ash Environment (VAE) Testing)，將火山灰吹入發(fā)動機進氣口(如圖7所示)，以模擬飛行中發(fā)動機吸入火山灰的場景。

圖7 火山灰吹入發(fā)動機進口的示意圖

4.2 試驗對象及設(shè)備

美國空軍為該試驗提供了一架C-17運輸機及兩臺F117發(fā)動機(如圖8所示)，這些發(fā)動機原定退役，在試驗前進行了大修。用于發(fā)動機試驗的火山灰(見圖9)來自Mazama火山，火山灰顆粒直徑為5μm～60μm，由美國地質(zhì)調(diào)查局提供?；鹕交覈娙鲈O(shè)備(如圖10所示)位于發(fā)動機的入口處，用于將超細顆粒的火山灰輸送進發(fā)動機。

圖8 C-17運輸機和F117渦扇發(fā)動機

圖9 發(fā)動機試驗使用的火山灰

圖10 火山灰噴撒設(shè)備

4.3 試驗方法

試驗前對發(fā)動機進行水洗，試驗期間發(fā)動機按表1的試驗條件在巡航狀態(tài)穩(wěn)定工作。每次試驗結(jié)束后，對發(fā)動機壓氣機、燃燒室、渦輪進口導向器、高壓渦輪第1級轉(zhuǎn)子進行孔探檢查。在整個火山灰環(huán)境試驗后，對發(fā)動機進行拆解檢查。

表1 火山灰環(huán)境試驗條件

4.4 試驗結(jié)果

4.4.1 每次試驗后的發(fā)動機孔探檢查結(jié)果

(1)壓氣機。每次試驗后，壓氣機非常干凈，沒有明顯的磨損或變色(如圖11所示)。

圖11 壓氣機孔探結(jié)果

(2)燃燒室。試驗1、2燃燒室沒有明顯變化；試驗3燃燒室區(qū)域開始出現(xiàn)脫落材料，燃油噴嘴周圍出現(xiàn)一些沉積物；試驗4燃燒室出現(xiàn)大量較薄的火山灰熔化沉積物；試驗5相對試驗4更為明顯(如圖12所示)。

(3)渦輪進口導向器。試驗1渦輪進口導向器沒有發(fā)現(xiàn)火山灰熔化沉積物，葉片冷卻孔有輕微堵塞；試驗2導向器葉片前緣有少量火山灰熔化沉積物； 試驗3到試驗5更為明顯(如圖13所示)。

圖12 燃燒室孔探結(jié)果

圖13 渦輪進口導向器孔探結(jié)果

(4)高壓渦輪第1級轉(zhuǎn)子。試驗1到試驗4無明顯變化，試驗5在轉(zhuǎn)子葉片前緣形成火山灰沉積物，但并不是玻璃狀的(如圖14所示)。

圖14 高壓渦輪第1級轉(zhuǎn)子孔探結(jié)果

4.4.2 試驗后的發(fā)動機拆解檢查結(jié)果

試驗結(jié)束后對發(fā)動機進行拆解檢查，檢查結(jié)果如表2所示。

表2 試驗結(jié)束后發(fā)動機拆解檢查結(jié)果

續(xù)表2

5 結(jié)束語

本文主要整理了國外關(guān)于火山灰對發(fā)動機影響的相關(guān)資料，并對NASA完成的發(fā)動機火山灰環(huán)境試驗進行了介紹。分析表明，火山灰對飛行安全及發(fā)動機影響重大。隨著國內(nèi)民用航空發(fā)動機的發(fā)展，有必要對發(fā)動機火山灰試驗方法進行研究，以回答適航條款中關(guān)于火山灰危害的可接受程度。

此外，NASA火山灰環(huán)境試驗中發(fā)動機孔探及拆解檢查結(jié)果只是初步的。對于該試驗結(jié)果，其重點是如何依據(jù)試驗數(shù)據(jù)定量評估火山灰對發(fā)動機性能的影響程度。