發動機不可控高推力的失效狀態分析

李 婧

（上海飛機設計研究院，中國 上海 201210）

0 引言

CCAR25-R4運輸類飛機適航標準中25.901(c)條款中規定：對于動力裝置和輔助動力裝置的安裝，必須確認任何單個失效或故障或可能的失效組合都不會危及飛機的安全運行。一般情況下，飛機的主制造商都認為存在某種單個失效和可能的失效組合會導致機組無法通過正常的方法來減少過大的發動機推力（功率），例如油門桿卡阻、燃油計量閥故障或者發動機控制在“固定故障”模式下等。

1 發動機不可控高推力的故障描述

工程模擬器試驗和飛機運營數據分析，包括在1997年沙特阿拉伯航空公司B737-200空難事故，都表明在喪失發動機推力（功率）正常控制的情況下，即使通過獨立的燃油切斷開關關閉故障發動機，飛行機組不能總是有能力安全地處理這樣的故障。

傳統發動機控制系統內部的多數單個失效和預期的故障組合會導致喪失正常的方法控制過大的發動機推力（功率）或者發動機推力方向。當油門桿指令在低推力（功率）時，可能會存在任一發動機推力（功率）增加到顯著高于油門桿指令的情況，或者是保持在高推力狀態。例如，當燃油計量裝置卡在某位置時，飛行機組喪失用油門桿或者自動油門控制推力的能力。當燃油計量裝置卡在最大燃油流量位置時，發動機推力持續增加，直至達到發動機限制或采取某些干預措施為止。“發動機限制”可能是獨立的發動機控制限制，如發動機超速保護系統；也可能是發動機的固有物理限制，如發動機失速。同時，干預措施也包括一些恢復正常控制的操作，或者利用獨立的燃油切斷閥關閉故障發動機等。

2 發動機不可控高推力的失效狀態分析

發動機不可控高推力的故障及其危害，長期存在于運輸類飛機設計之中。實際上，傳統的發動機一般采用“失效—安全”方式進行發動機高推力的保護，并且允許飛行機組在適當的時機或者飛行階段關閉故障發動機。美國聯邦航空局表明：絕大多數的飛機都存在可預知的故障狀態，機組無法在其演變為重大危害或災難性故障前意識到并且采取措施減輕此類故障。此類故障的失效狀態需要強調在以下九種情況重點分析：

2.1 起飛異常中斷情景1#

不可控高推力故障在起飛滑跑期間，處于功率設置和決斷起飛速度之間時發生。由于不正常的發動機運行導致起飛異常中斷（如無法達到推力等級、超過推力等級或紅線，油門桿不響應，發動機之間的參數不匹配等）；工作正常的發動機推力正常下降，但是故障發動機仍處于高推力狀態，由此導致的推力不對稱致使飛機偏出跑道，如果跑道沒有足夠的有效安全區域，則容易發生災難性事故。

2.2 起飛異常中斷情景2#

不可控高推力故障在起飛滑跑期間，處于功率設置和決斷起飛速度之間時發生。由于不正常的發動機運行導致起飛異常中斷（如無法達到推力等級、超過推力等級或紅線，油門桿不響應，發動機之間的參數不匹配等）；工作正常的發動機推力正常下降，但是故障發動機仍處于高推力狀態，由此導致的過高凈推力致使飛機沖出跑道，如果跑道沒有足夠的有效安全區域，則容易發生災難性事故。

2.3 復飛情景 1#

不可控高推力故障狀態在進近/拉平時出現，飛行員無法對準跑道中心線而開始復飛，但是如果不能及時克服飛機的下降率，有可能在跑道側面降落（災難性故障狀態）。

2.4 復飛情景 2#

不可控高推力故障狀態在進近/拉平時出現，飛行員試圖對準跑道中心線而開始復飛，但是如果不能及時克服飛機的下降率，則發生飛機翼尖觸地的災難性失效狀態。

2.5 復飛情景 3#

不可控高推力故障狀態通常發生在最后進近階段，飛行員試圖通過方向舵輸入進行補償，但是無法對準跑道便開始復飛；當正常工作的發動機加速到復飛推力時，故障發動機達到其超速限制，突然被發動機超速保護系統切斷燃油流量，此時需要飛行機組額外的技巧才能完成方向舵反向以保持安全狀態。如果飛行機組失去對飛機的控制，則沒有足夠的高度可以恢復（災難性失效狀態）。

2.6 著陸情景 1#

不可控高推力故障狀態發生在最后進近階段，飛行機組試圖對準跑道并繼續著陸，結果發生飛機翼尖在跑道內或者跑道外觸地（災難性故障狀態）。

2.7 著陸情景 2#

不可控高推力故障狀態通常發生在進近的最后階段，飛行機組無法對準跑道并繼續著陸，工作正常的發動機推力正常下降，但是故障發動機仍處于高推力狀態；由此導致的推力不對稱致使飛機高速偏離跑道（災難性故障狀態）。

2.8 著陸情景 3#

不可控高推力故障狀態發生在最后進近階段，工作正常的發動機推力正常下降，但是故障發動機仍處于高推力狀態，飛行機組對不對稱推力進行補償操作，延長著陸距離，并最終關閉發動機。然而延長著陸對著陸性能的影響和額外時間的高推力導致飛機高速偏離跑道（災難性故障狀態）。

2.9 著陸情景 4#

不可控高推力故障發生在著陸時反推力裝置應用的初始階段，故障發動機的反推力增加。飛行機組認為橫向控制問題是由于反推力的展開，收回反推力；正常發動機的推力減小，反推力按命令收回，而故障發動機處于高推力狀態時，反推力裝置由于過高的氣動壓力無法收回，發動機推力的不對稱導致飛機高速偏離出跑道（災難性故障狀態）。

3 發動機不可控高推力的故障風險計劃

如果要向美國聯邦航空局表明CCAR25-R4運輸類飛機適航標準中25.901(c)條款的符合性，那么基于以上九種失效狀態需要提供以下風險計劃：

1）確定并描述可能導致不可控高推力故障的部件故障，通過系統的故障分析完成每個部件和部件組合的故障概率分析。

2）確定所有定義的不可控高推力故障符合所有適航條款的工作和環境條件，通過飛行試驗、工程模擬器試驗的方法驗證。

3）確定并描述定義的不可控高推力故障狀態不符合現有的25.901(c)的環境條件。

4）確定并描述定義的不可控高推力相關的不符合性，應該包括最嚴重的預期結果。

5）通過系統的故障分析進行數值分析不可控高推力故障狀態會危及飛機“不能持續安全飛行”的概率。

6）制定對策方案，如設計補償特征、改進程序、部件壽命、故障檢查和在役監控程序，使在機隊運營的整個壽命期間，不可控高推力故障導致的風險減到最小。

7）評估采取何種措施可以使改進方案完全符合25.901(c)的要求。

［1］Federal Aviation Administration.Memorandum-Policy statement on Thrust control malfunction airworthiness program[Z].2003.

［2］中國民用航空總局.CCAR25-R4運輸類飛機適航標準[S].北京：中國民用航空局，2011.