中國大涵道比渦扇發動機適航技術初步研究

張丹玲，郝 勇，王德友，李紅兵

（1.中航工業沈陽發動機設計研究所，沈陽 110015；2.空裝重點型號部試飛試航室，北京 110001）

0 引言

適航定義為航空器能在預期環境中安全飛行的固有品質。大涵道比渦扇發動機不管是軍用還是民用，只要載人，就要求具備高安全性，就要滿足適航性要求。軍用發動機故障引起的飛機嚴重損失率為10-5次/發動機飛行小時，適航則要求所有危險性發動機影響故障模式發生的概率總和為10-7次/發動機飛行小時，或單項危險性故障模式發生的概率為10-8次/發動機飛行小時[1]。顯然適航技術研究與應用，使得發動機在設計之初就要考慮其安全性。

中國在20世紀70年代末成立工程司，開始著手適航審定管理，并參照美國民用航空條例（FAR）制定了中國民用航空條例（CCAR）等適航標準；2003年開始對ARJ21飛機進行適航審定；目前正在籌建發動機適航審定中心，但尚未建立完備的適航審定體系。從發動機設計角度出發，如何將適航技術轉化為設計經驗，仍需要進行大量創新，具有探索意義。

1 大涵道比渦扇發動機適航技術概述

目前國際上普遍采用的適航體系主要包括美國的 FAA（Federal Aviation Administration）和歐盟的EASA（European Aviation Safety Authority）。對航空發動機來說，2種適航體系對應的適航規章分別為聯邦航空條例FAR-33以及發動機合格證規范CS-E（Certification Specifications-Engine）。二者在審定分析方法和驗證方法上大同小異，都是源于對安全分析的深入理解；不同之處在于FAA更強調分析文件的完備性和正確性，強調驗證試驗的現場目擊、替代性分析和驗證方法；而EASA則更強調質量保證體系的完備性和邏輯支持關系。

民用航空發動機適航審定的內容包括影響飛機動力裝置和輔助動力裝置相關系統的所有問題，以及動力裝置系統和部件的設計、制造、試驗、功能、可靠性是否符合規章的要求。在發動機研制過程中，申請者需要完成所有適航性驗證工作，以滿足該發動機性能規范和適航性審查準則的要求。

軍用航空發動機適航性是保證軍用航空器在預期軍事用途和使用條件下安全地實現、保持和完成飛行和終止飛行的特性。軍用航空發動機的適航審查主體是使用方，依據適航審查基礎規定要求進行適航審查。審查準則的條款內容，是以軍用標準規范要求為基礎，適當引用民用航空適航條款要求而制定。適航要求此時不再是法律法規，但要求承制方滿足用戶對安全的完整性需求。

中國大涵道比渦扇發動機在研制過程中借鑒以往渦扇發動機的研制經驗，同時引進適航技術及先進理念。在設計上保持設計體系不變，同時參考CCAR-33部“航空發動機適航規定”，將適航要求加入到設計規范中，開展適航性設計。從驗證規劃和試驗項目上，綜合考慮國軍標以及CCAR-33部規定的考核試驗和可靠性試驗，以及部分研究性、摸底性試驗等。在此過程中，由于引入適航要求，會沖擊原有設計體系。有些要求在國軍標有相同規定，有些則不同，這不僅僅是指標高低的區別，而是設計目的和側重點的差異。需要通過對比研究和深入理解，開展中國大涵道比渦扇發動機研制工作。

2 中國大涵道比渦扇發動機適航技術應用

本文探討的是軍用大涵道比渦扇發動機的適航，不存在取證問題，將審定統稱為審查。適航審查是過程控制，對質量體系起優化作用。直接參與單位是軍方和承制方，同時需要不同領域的專家組成專家組，共同研究相關技術問題。在明確適航工作思路后，需要設定工作流程，分階段完成。民用航空器合格審定程序分5個階段：申請、受理、審查、頒證和證后管理。針對中國軍用發動機的研制情況，把發動機適航工作分為以下3個階段。

2.1 審查基礎和審查計劃階段

審查基礎和審查計劃是審查過程的核心，在發動機研制初期，開始制定審查計劃，并確定審查基礎。二者都由發動機研制方起草，由審查方進行評審和確認。

結合適航審查工作計劃，形成初步適航工作大綱，內容包括適航工作的基本原則、適航設計要求、適航設計與驗證流程、審查基礎的制定原則和適航工作計劃等。

審查基礎作為頂層文件，是設計需要參考的標準，也是考核時的重要指標。審查基礎的確定需經過被審查方和審查方多次討論，每個細節都要明確嚴謹。現以國內現行適航標準CCAR33-R1為基礎制定審查基礎。CCAR33部中的條款不是都適用于在研發動機，也不是CCAR33部所有條款都能保證特定發動機的安全。因而在制定審查基礎時要充分考慮發動機的設計特點，對CCAR33部中的條款進行適當調整、增減，形成特定發動機的審查基礎。

基于對條款和指導材料的深入分析和理解，確定適用和不適用條款以及條款中適用部分與不適用部分。例如某型發動機沒有加力裝置，那么“燃料燃燒加力裝置”這1條就不適用，在有些條款提到加力內容的也不適用。某型發動機擁有某些新穎或獨特設計，需要補充安全要求，即所謂專用條件。例如，裝有該發動機的飛機需要在簡易跑道上起飛和降落，要求發動機具有吞咽砂塵的能力，于是加上此項要求作為專用條件，滿足發動機的安全需求。整個適航審查基礎需要專業內部與審查方和專家方的多次溝通才能定稿，作為下一步工作的基礎。

2.2 符合性方法和驗證計劃階段

審查基礎確定后，需要明確滿足這些條款要求的符合性方法。符合性方法和審查基礎是密切聯系的，在制定審查基礎之前應對如何滿足條款有所了解，才能確定條款的適用性；在審查基礎確定后，應在工程經驗的基礎上，討論符合性方法。對于CCAR33部的符合性方法，可以參考FAR33的咨詢通告（AC，AdvisoryCircular）。AC是對適航條款的指導性資料，有的很詳細，有幾十頁甚至上百頁，有的僅僅幾頁，其資料在不斷更新中。AC包含對條款進一步解釋以及局方建議的符合性方法，但不是惟一方法。不過，并不是每一條款都有AC可以參考。由于不同發動機公司有各自的工程經驗，所以符合性方法不盡相同。無論采用怎樣的符合性方法，只要得到審查方認可就行。為了便于編制計劃和文件，賦予每種符合性方法相應的代碼[2]，見表 1。

以上10種符合性方法是航空器審定中的常見方法，在特定用途發動機審查中，可以根據需要制定不同的符合性方法及其代碼。在審查中根據審查基礎條款的具體要求選取其中的1種或多種組合方式來滿足條款的要求，形成審查清單。例如，對于“吸雨和吸雹”這1條通過發動機整機試驗（ET）、分析（A）來滿足。在審查方進行符合性審查時，則根據審查清單進行檢查。

表1 10種符合性方法

對于中國大涵道比渦扇發動機而言，適航性是1個新理念，所以對于符合性方法的研究，需要研制方投入大量時間，才能確保具體實施方案符合條款要求。例如，“喘振與失速特性”條款是對發動機穩定性的考察，為此要考慮整機和部件的穩定性裕度等因素，除了穩定性分析以外，要進行進氣畸變試驗和加、減速特性試車。而大涵道比渦扇發動機還從未進行過進氣畸變試驗，雖然如何進行試驗不是適航工作的要求，但是對試驗方法要深入研究和梳理，試驗結束后要提供符合性驗證報告，表明此項試驗能夠滿足條款要求，獲取發動機安全證明。

對符合性方法進行確定后，要求制定符合性驗證計劃。符合性驗證計劃應該能夠證實符合審查基礎中各項條款的要求，并充分考慮針對發動機新穎或復雜的設計特征的。在民用發動機審定程序中，符合性驗證計劃通常包括適航標準、專用條件、驗證方法及其名稱和編號，以及預計完成的日期。對于中國軍用大涵道比渦扇發動機，在第1階段制定的審查基礎已經包含適用的適航標準和專用條件，第2階段的符合性方法包含了驗證方法及其說明，因此，驗證計劃需要對每1條款的試驗驗證和完成時間進行清理和確定。

2.3 符合性驗證階段

對于發動機研制方，適航最終的目的就是根據符合性驗證計劃，結合發動機研制進程，完成工程上的符合性驗證。在驗證過程中，除了分析計算外，最重要的方式就是試驗驗證。試驗驗證通常分為整機和零部件試驗，整機試驗包括持久試驗、校準試驗、工作試驗，吞鳥、吞水和吞冰雹試驗，反推力試驗等；部件試驗包括部件低循環疲勞、超轉、燃油系統、滑油系統（33.71）、點火系統（33.69）等試驗。有些試驗是在引入適航之前從未做過或考慮的，試驗設施建設和試驗方法存在一定難度，但是按照驗證計劃需要完成的都要進行。

以上3個階段不是完全獨立的，審查計劃和驗證計劃是隨著研制情況逐步細化的，為了指導實踐還要有切實可行的工作計劃；符合性方法不是惟一的，新方法、新技術需要1個探索過程；1個條款要求可能需要多個驗證，1個驗證可能支持多個條款，試驗也不是在1個周期中完成的，零部件試驗在整機前可能就開始了，發動機地面試車后還要進行科研試飛。整個過程需要相互配合與統籌安排。

3 值得注意的幾個問題

在大涵道比渦扇發動機適航技術的探索和應用中，不可避免遇到各種技術難點，從發動機設計角度出發，有以下問題值得注意。

3.1 設計體系的差異

可以將適航作為1種技術方法，指導發動機設計，提高發動機的安全性。但是適航性實際上自成體系，以產品自身安全以及對人和環境的安全負責為目的，是基于取證的設計控制。如果發動機按照這個流程進行設計和管理，自然就滿足了最低安全要求，即適航要求，但是與發動機設計體系似乎存在矛盾。

為此，首先要完成對設計體系的研究和分析，找到1個適當的切入點，提取適航性中值得借鑒的資源。適航工作伴隨發動機研制過程，其要求可納入發動機研制規范，在不產生沖突情況下，利用適航的完整性，確保發動機的安全，同時也優化了發動機設計體系。

3.2 適航要求如何融入設計

如前所述，適航性設計過程是指發動機設計完成后自然地滿足適航規章要求。因此，直接參與發動機設計的設計人員不需要知道適航條款及相關程序，即適航要求已經融入設計體系。但是在目前適航作為新增方法和條件，在不改變設計體系的情況下，設計員還必須理解相關條款。例如，在對發動機安裝系統的安全性分析中，不考慮適航要求，只對安裝系統的強度進行要求，規定最大許可限制載荷和極限載荷；然而適航要求安裝系統的失效導致發動機危險性或重大危險性的概率，設計時要考慮的就不僅僅是最大限制載荷和極限載荷，其他失效也有可能導致發動機發生危險。所以相關專業的發動機設計人員也應該理解其中的區別，才能使得最終設計符合相應條款要求，對適航的深入解讀和應用也可提升其設計能力。

3.3 適航性與可靠性、安全性的關系

眾所周知，適航標準是最低安全標準，其條款基于安全事故或產品故障，容易與發動機設計中的可靠性和安全性相混淆。

所有現存的和被研制出的客體、產品或裝置都用于完成一定的任務或功用，并且應該滿足對其提出的要求，而與其復雜性、線路和結構形式無關。所有產品都應該具有必要的性質組合，決定了按產品用途應用時的適用性，即具有相應的質量，質量這一術語表示出功能的、生產的、使用的、經濟的、美學性質和一系列構成可靠性的諸性質的共同組合。航空綜合體的質量是由許多性質相互結合來確定的。然而只注意表示產品使用質量的那些性質，也就是產品的適用性滿足與產品用途有關的各項要求，包括安全性、可靠性、操縱性等。

上述各種性質都屬綜合性質，由一系列單獨性質組合來決定。所以適航性與4性之間不是獨立的，也不是對立的，會有交叉、覆蓋。

對于發動機來說，可靠性定義為產品在規定條件和時間內，完成規定功能的能力；安全性是指系統在規定條件和時間內，以可接受的風險執行規定功能的能力；側重整機危險性和重大發動機影響故障模式分析及其試驗驗證。

可靠性與故障是對立的2個方面，故障定義為“產品或產品的一部分不能或將不能完成預定功能的事件或狀態，即產品喪失其規定的功能。”可靠性指標包括發動機故障率、故障間隔時間等。安全性與危險性是直接對立的，安全性的目的是預防事故發生的可能性。安全性的指標為安全飛行概率，比如100000飛行小時的飛行事故數。二者在分析方法上有共同之處，例如都采用故障模式影響及危害性分析（FMECA），故障樹（FTA）等，但是分析內容是有區別的。二者在某些故障上是有交叉的,但有些沒有交叉，例如發生的故障如果導致對人員和環境設施有危害，則不是可靠性問題，而是安全性問題；如果發生的故障對安全沒有影響，只影響發動機功能，則不是安全問題，而是可靠性問題。

適航規章要求的安全水平是最低安全水平，而現代航空實踐要求高于適航標準要求的最低安全水平。從要求角度看，適航性應該是安全性的一部分，但是由于適航性體系的完備性，其內涵相當豐富。因此僅從要求上看，安全性、可靠性和適航性的關系如圖1所示。

圖1 安全性、可靠性、適航性要求的關系

3.4 安全性分析與評估

民用適航的安全性評估來源于飛機適航標準CCAR-25.1309，該條款規定了航空器設備和系統的安全性。在AC25.1309中對系統安全性評估進行了詳細闡述，其中認可了工業標準SAEARP4754“關于高度綜合或復雜飛機系統合格審定的考慮”、SAE ARP4761“民用機載系統和設備安全性評估過程的指南和方法”、RTCADO-178B“機載系統和設備合格審定中的軟件考慮”、RTCADO-254“機載電子硬件的涉及保證指南”。發動機作為相對獨立的系統，在33部中對安全性有更直接的規定，即“安全分析”。

如前所述，發動機安全性的目的是故障調整不應導致發動機破壞或失去控制。在適航過程中，安全性分析與評估尤為重要，并且貫穿于整個適航活動中。在發動機安全分析中，可把發動機作為復雜系統，采用SAE ARP4761中的流程和方法，利用FHA（功能危害分析）、FMECA、FTA等方法，對發動機整機、部件、系統和成附件進行安全性分析，找出發動機的潛在危險。

發動機安全性分析對適航工作是個促進。在對重大發動機安全隱患關注的同時，把分散的安全性要求聯系起來，使得發動機適航符合性更有條理，且更具備分析性。

3.5 與飛機的接口和對成附件的管理

雖然發動機研制是獨立行為，在適航取證中單獨進行。但是在研制過程中，發動機方與飛機方和成附件方需進行必要協調，才能完成發動機設計工作。CCAR-25部“運輸類飛機適航標準”是對飛機的適航要求，其中E分部規定了動力裝置要求，涉及到發動機與飛機的搭接問題，比如進氣系統與排氣系統的匹配，反推力系統要求等。在CCAR-33部中“進氣系統的結冰”、“反推力裝置”，以及外物吞咽和機匣包容等問題也涉及與飛機的交聯。因此，二者都要對相應要求進行溝通和討論。

與民用不同，發動機方作為成附件的主機單位，應提出技術要求作為成附件的輸入項，適航要求也可以作為輸入項之一，以完成成附件的適航管理。發動機成附件的適航要求可以參考飛機機載設備的，但沒有機載設備獨立性強，而主要依賴主機的設計要求。如果主機單位把適航條目從發動機角度簡單分解到各成附件單位，可能有分解不到位問題，難以了解成附件如何影響發動機安全。而成附件如果沒有輸入要求，同時與機載設備又不同，沒有單獨可參考的適航指南，則適航工作將無所適從。主機單位和成附件單位應充分交換意見，自上而下的同時能夠自下而上，使發動機安全得以保障。

4 結束語

目前有關單位正在結合發動機設計和試驗驗證，著手制定1套適用于現階段大涵道比渦扇發動機研制狀況的適航程序和辦法。從發動機研制角度可把其適航工作分成幾個階段，每個階段都有里程碑式的結論性支撐。適航是個體系性問題，不可能一蹴而就，需要時間、人力、物力等支持。同時適航源于設計本身，需建立在發動機設計經驗上。在學習國外適航技術的同時，也應結合國內情況實際靈活運用。

中國于2002年當選為國際民航組織（ICAO）A類理事國，是不折不扣的航空大國，其航空產品的目標是走向國際市場。從ARJ21飛機取證來看，滿足適航要求是航空產品投入使用前的巨大挑戰，中國的適航管理和適航技術相對薄弱，在缺乏經驗的情況下遭受了一定損失。因此可以說，適航條例是航空發達國家通過對航空不發達國家進行技術封鎖的手段。雖然中國大涵道比渦扇發動機設計能力有限，但未來發動機必將實現產品化，適航是不得不修的科目，無論如何都要完成創新。這一過程可能有難度，需要反復修正，但是對航空發動機事業的發展是很好的經驗累積。

[1]歐洲航空安全局.CS-E發動機合格證規范[S].2009.

[2]中國民用航空總局.ARP-21-03R3型號合格審定程序[S].2002.