輔助動力裝置系統空中起動設計和驗證

章 弘 常 紅 / Zhang Hong Chang Hong

(上海飛機設計研究院，上海 201210)

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輔助動力裝置系統空中起動設計和驗證

章 弘 常 紅 / Zhang Hong Chang Hong

(上海飛機設計研究院，上海 201210)

輔助動力裝置(Auxiliary Power Unit，簡稱APU)系統空中起動設計和驗證共涉及APU本體研制、APU系統進排氣沖壓恢復計算分析、APU系統進排氣和APU本體性能匹配計算分析、 APU系統進氣風門設計、進氣風門氣動載荷計算分析、進氣風門作動機構設計、進氣風門控制邏輯設計、本體起動控制邏輯設計、沖壓恢復測量試飛、適航驗證試驗試飛等內容，這對飛機主制造商的系統集成能力和適航驗證能力提出了很高要求。APU系統空中起動設計直接影響系統起動性能和起動包線，對某型飛機的輔助動力裝置系統空中起動設計和驗證進行了介紹，在型號研制經驗的基礎上，對APU系統空中起動設計和驗證流程和方法進行總結，對后續型號研制具有較強的指導性。

輔助動力裝置；空中起動；設計和驗證

0 引言

民用運輸機輔助動力裝置(Auxiliary Power Unit，簡稱APU)系統空中起動性能直接影響輔助動力裝置系統空中起動包線(高度，速度包線)，進而影響飛機性能指標。運輸類飛機適航標準(CCAR-25)明確要求輔助動力裝置系統空中起動的高度和速度包線必須建立并驗證。APU系統空中起動設計和驗證共涉及APU本體研制、APU系統進排氣沖壓恢復計算分析、APU系統進排氣和APU本體性能匹配計算分析、APU系統進氣風門設計、進氣風門氣動載荷計算分析、進氣風門作動機構設計、進氣風門控制邏輯設計、本體起動控制邏輯設計、沖壓恢復測量試飛、適航驗證試驗試飛等內容，這對于飛機主制造商的系統集成能力和適航驗證能力提出了很高要求。目前，國外已經完全掌握了民用運輸機飛機APU系統設計和驗證技術，國內在某民用運輸機型號上首次按國際適航標準進行了APU系統空中起動設計和驗證，提高了設計水平和適航安全性，取得了較好成果。

本文對某民用運輸機的APU系統空中起動設計和驗證工作進行了總結，明確了設計要求，設計方法和設計流程；并在型號研制經驗的基礎上，對APU系統空中起動設計和驗證進行總結，對后續型號研制具有較強的指導性。

1 APU系統空中起動設計和驗證要求

在進行APU系統空中起動設計和驗證時，首先要盡可能地把設計輸入或設計和驗證要求進行全面考慮、收集并逐條明確，這樣才能避免后面的設計驗證工作反復。APU空中起動的設計驗證要求主要來自飛機總體的設計目標和適航條款，APU系統空中起動具體設計和驗證要求如下：

(1)飛機設計研制單位根據飛機總體設計目標和要求，提出APU系統起動包線要求。

(2)按運輸類飛機適航標準CCAR-25中第25.903(e)條款，對于基本型輔助動力裝置，APU系統空中起動的高度和速度包線必須建立并驗證；在建立和驗證APU空中起動的高度和速度包線時，必須考慮冷浸透的影響。基本型輔助動力裝置(Essential Auxiliary Power Unit)是指在空中緊急情況下，必須使用輔助動力裝置的引氣或發電功能，即輔助動力裝置影響飛機的派遣，這樣的輔助動力裝置被稱為基本型輔助動力裝置。

(3)根據雙發延程運行適航的要求，對于有雙發延程運行要求的民用飛機，APU系統起動包線必須和飛機運行包線一致。雙發延程運行(Extended Range Operation with two-Engine Airplanes,簡稱ETOPS)是指在標準條件靜止大氣中，以經批準的一臺發動機不工作的巡航速度，到達合適機場的飛行時間超過60 min的飛行。

如果飛機設計研制單位把APU定義為非基本型輔助動力裝置，可不按上述設計要求進行APU系統研制。

2 APU系統空中起動設計與驗證流程和方法

在型號研制的基礎上，對APU系統空中起動設計和驗證工作進行了總結，明確了設計驗證流程和方法，設計和驗證流程如圖1所示。

圖1 APU系統空中起動設計和驗證流程

2.1 APU系統空中起動設計

APU系統空中起動設計主要包括以下內容：

(1)飛機設計研制單位提出APU系統起動包線要求；

(2)APU研制單位依據飛機設計研制單位提出的起動包線要求，開展APU研制；

(3)飛機設計研制單位開展APU系統進氣風門及風門位置設計；

(4)飛機設計研制單位開展APU系統進氣道和排氣子系統設計；

(5)飛機設計研制單位開展APU系統進排氣沖壓恢復計算分析；

(6)飛機設計研制單位開展APU系統進氣總壓和排氣靜壓差的計算分析；

(7)飛機設計研制單位和APU研制單位聯合定義APU系統風門開啟角度；

(8)飛機設計研制單位開展APU系統進氣風門氣動載荷計算分析；

(9)飛機設計研制單位開展APU系統進氣風門作動機構選型與設計；

(10)飛機設計研制單位和APU研制單位聯合定義APU系統風門控制邏輯。

2.2 APU系統空中起動驗證

2.2.1 APU系統空中起動驗證主要包括以下內容：

1)APU研制單位進行APU系統風門控制邏輯和置起動控制邏輯集成試驗；

2)飛機設計研制單位進行輔助動力裝置系統沖壓恢復測量試飛；

3)飛機設計研制單位進行APU系統沖壓恢復和進排氣壓差校核；

4)APU研制單位進行APU高空試驗臺試驗；

5)APU研制單位進行APU系統風門控制邏輯和APU起動控制邏輯更新；

6)APU研制單位進行APU系統風門控制邏輯和APU起動控制邏輯集成試驗；

7)飛機設計研制單位進行APU系統地面起動工程試驗和空中起動工程試飛；

8)飛機設計研制單位進行APU系統地面起動適航驗證試驗和空中起動適航驗證試飛。

(1)適航驗證試驗要求和方法如下：

i. APU系統裝機后，當系統構型為取證構型或構型偏離不影響APU系統起動適航驗證試驗時，應采用機上地面試驗和飛行試驗進行符合性驗證；

ii. 適航驗證試驗需按相關適航管理程序進行；

iii. 試驗應測量相關參數，并選取關鍵參數作為試驗判據；

iv. 選取飛行試驗飛行狀態。

(2)飛行試驗高度應按飛行包線、APU工作包線和APU起動包線邊界選取，一般按5 000ft梯次選取試驗高度。飛行速度應包括飛行包線的小速度和大速度邊界。典型試驗飛行包線如圖 2和圖 3所示。典型的飛行試驗安排如表1所示。試驗條件應充分考慮各種構型組合及臨界狀態。

圖2 進氣風門正常情況下飛行試驗包線

圖3 進氣風門全開狀態下飛行試驗包線

表1 APU系統空中起動試飛安排

(3)在進行APU系統空中起動工程試飛和適航驗證試飛時，要對APU系統進行冷浸透，冷浸透的時間為一個標準航程時間，需要對APU渦輪后溫度(Exhaust Gas Temperature,簡稱EGT)或滑油溫度進行監控，EGT溫度或滑油溫度穩定即可。

3 結論

APU空中起動設計和驗證涉及專業領域較多，必須確保設計和驗證流程中的每一環節準確無誤，才能保證最終的APU空中起動設計與驗證能力能滿足性能指標要求。本文在型號研制經驗的基礎上，對APU系統空中起動集成設計與驗證流程和方法進行了總結，有利于提升APU系統空中起動集成設計和驗證能力。

[1]中國民用航空局.CCAR-25-R4中國民用航空規章第25部：運輸類飛機適航標準[S].北京：中國民用航空局，2011.

[2] AC25-7C Flight Test Guide for Certification of Transport Category Airplanes[S].

[3]AC120-42B Extended Range Operation with Two-engine Airplanes[S].

Design and Certification of Auxiliary Power Unit System In-flight Starting

(Shanghai Aircraft Design and Research Institute，Shanghai 201210，China)

Auxiliary Power Unit (APU) system in-flight starting design and certification involve APU development, APU system inlet and exhaust ram recovery analysis, APU inlet/exhaust impact on APU performance analysis, APU inlet door design, inlet door aerodynamic load analysis, inlet door actuation mechanism design, inlet door control logic design, APU starting control logic design, ram recovery flight test, certification flight test. APU system in-flight starting design has an impact on APU performance and in-flight starting envelope. This paper presents a design of Auxiliary Power Unit system in-flight starting. Based on the development and research experience, it summarizes the APU system design and certification process and method. It is a good reference to other aircraft model development.

auxiliary power unit; in-flight starting; design and certification

V228

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