軍用渦扇發動機吞鳥適航符合性驗證研究

晏祥斌，張 瓊，許 多

(中國航發四川燃氣渦輪研究院，成都610500)

軍用渦扇發動機吞鳥適航符合性驗證研究

晏祥斌，張 瓊，許 多

(中國航發四川燃氣渦輪研究院，成都610500)

針對我國軍用渦扇發動機尚未形成吞鳥適航符合性驗證要求及評價準則的問題，在分析國家軍用標準與適航規章中有關渦扇發動機吞鳥驗證要求異同的基礎上，明確了適用于軍用渦扇發動機吞鳥適航符合性驗證的主要參數，并進一步闡明了吞鳥適航符合性驗證的程序及評價準則。建議的吞鳥驗證參數及試驗程序以同時兼顧適航要求及國軍標要求為前提，對我國軍用渦扇發動機吞鳥適航符合性驗證具有積極的指導意義。所確定的軍用渦扇發動機吞鳥適航符合性驗證評價準則，能夠為吞鳥試驗的符合性判定提供參考。

軍用渦扇發動機；吞鳥；適航；符合性驗證；評價準則

1 引言

隨著航空領域的快速發展，鳥類對飛行的危害不斷凸顯。據美國空軍統計，1956～1973年間發生航空發動機吞鳥事件112次[1]，且在此之后發動機吞鳥事件時有發生。2002年丹麥北方飛行航空公司一架飛機因遭遇鳥群在起飛后墜毀，2007年法航一架飛機因起飛吞鳥而失控，2009年全美航空一架飛機因發動機吞鳥導致雙發失效而迫降。吞鳥已對航空發動機的安全性構成巨大威脅，為此適航規章中對航空發動機吞鳥提出了具體的驗證要求。

歐美國家于上世紀40年代開始進行鳥撞擊飛機的研究，70年代初針對發動機吞鳥問題提出了明確驗證要求，并相繼在FAR-33部[2]及CS-E[3]中提出民用航空發動機吞鳥適航要求。美國于上世紀80年代將適航理念引入軍用航空器研制[4]，適航吞鳥要求成為軍用航空發動機研制必須考慮的問題。我國亦針對軍用航空發動機吞鳥陸續開展了相關研究[5-10]，并制定了相應標準。目前，我國軍用航空發動機吞鳥 試驗依據 GJB 3727-1999[11]及 GJB 241A-2010[12]要求實施，適航吞鳥驗證則依據CCAR-33R2[13]開展，尚未在考慮適航要求的基礎上對軍用渦扇發動機吞鳥的符合性驗證進行研究。為此，本文針對軍用渦扇發動機吞鳥問題，以適航要求為基礎，參考我國軍用航空發動機吞鳥試驗標準，研究軍用渦扇發動機吞鳥適航符合性驗證，以期獲得可同時滿足適航及國軍標要求的吞鳥驗證要求，為我國軍用渦扇發動機吞鳥的適航符合性驗證提供參考。

2 軍用渦扇發動機吞鳥適航符合性要求的形成

我國軍用航空發動機吞鳥研究始于20世紀80年代，并相繼在GJB 3727-1999及GJB 241A-2010中提出了吞鳥試驗要求，其適航驗證要求則依據借鑒于FAR-33部的CCAR-33R2第33.76條“吞鳥”執行。FAR-33部“吞鳥”條款源于FAR-33部第6修正案33.77條“外物吸入”。因吞鳥危害的逐漸凸顯，美國民用航空局(FAA)將吞鳥對發動機的影響確定為研究項目，并與JAR-E《發動機合格證規范》相協調，于FAR-33部第20號修正案中正式列入33.76條“吞鳥”條款。隨之，為幫助驗證吞鳥對33.76條的符合性，相繼公布了咨詢通告AC33.76-1[14]及AC33.76-1A[15]。當前，美國軍用規范MIL-E-5007D及其他各國適航規章的發動機部分，如FAA的FAR-33部、歐洲航空安全局(EASA)的CS-E等，均對航空發動機的吞鳥進行了嚴格規定。而我國軍用渦扇發動機適航吞鳥符合性驗證，則綜合參考了CCAR-33R2第33.76條、AC33.76-1A及GJB 3727-1999的要求，其驗證要求的形成如圖1所示。

圖1 我國軍用渦扇發動機吞鳥適航驗證要求的形成Fig.1 Shape of bird ingestion airworthiness verification demands for military turbofan of China

3 發動機吞鳥軍用要求與適航標準的差異性分析

適航性被引入軍用渦扇發動機研制中，不但要求吞鳥試驗符合國軍標[11-12]要求，亦須滿足適航CCAR-33R2第33.76條要求。發動機吞鳥的主要影響因素包括鳥的類型、鳥速、鳥的數量、轉子轉速、撞擊密度及撞擊位置等。分析可知，針對試驗類型，適航要求在標準天氣條件下產生100%(大型群鳥為至少90%)起飛推力(功率)條件下，按需進行大鳥、大型群鳥、中鳥及小鳥的符合性驗證。而GJB 3727-1999及GJB 241A-2010要求，按需進行初始爬升、3 000 m高度內巡航及1 000 m高度內下滑3種條件下的小鳥和中鳥考核試驗及最大狀態(或連續狀態轉速)下的大鳥吞入考核試驗。針對吞入大鳥、中鳥及小鳥，兩類要求在鳥的質量、鳥的數量、撞擊密度及撞擊位置上等效，但因使用環境的差異，國軍標與適航要求在鳥速、轉子轉速的選取上有差異，見表1。

表1 吞鳥適航要求與國軍標要求主要影響因素的差異對比Table 1 Comparison of main influencing parameters between national military standards and airworthiness requirements of bird ingestion

4 軍用渦扇發動機吞鳥適航符合性驗證要求

4.1 吞鳥適航符合性驗證參數

為獲取建議的軍用渦扇發動機吞鳥適航符合性驗證參數，確定以下基本原則：①考慮軍用渦扇發動機與民用航空發動機在用途上的差異；②鑒于適航要求源于近一個世紀的經驗積累，以適航要求為基礎確定符合性驗證參數；③所確定的驗證參數及程序至少能滿足國軍標要求及適航要求的最低標準。

基于以上原則可知，在鳥的質量、鳥的數量、撞擊密度及撞擊位置的要求上，CCAR-33R2第33.76條與GJB 3727-1999及GJB 241A-2010基本等效，因此以適航要求為標準選取試驗參數。對于鳥速，軍用航空發動機運用于作戰環境，具有高于民機的速度要求，因此以GJB 3727-1999為基礎，選取較為苛刻的一個鳥速。對于轉子轉速，因適航要求以標準天氣條件下產生100%的起飛推力為基準進行轉子轉速選取，可操作性強，也較軍用吞鳥要求更為苛刻，所以參數選取以適航要求為基準。同時，依據適航要求加入大型群鳥驗證。確定的吞鳥適航符合性驗證參數如表2所示。

表2 建議的吞鳥適航符合性驗證參數[11-13]Table 2 The propositional parameters of airworthiness compliance verification

4.2 吞鳥適航符合性驗證程序

以吞鳥適航符合性驗證要求為基礎，以國軍標作為補充，獲取的軍用渦扇發動機吞鳥適航符合性驗證程序見圖2。

圖2 吞鳥適航符合性驗證程序Fig.2 Airworthiness compliance verification flow of bird ingestion

吞鳥適航符合性驗證程序的確定，考慮了驗證項目的全面性、驗證程序的合理性及驗證是否考慮了較苛刻的吞鳥條件等因素。開展吞鳥試驗過程中，依據進氣道喉道面積確定開展的吞鳥試驗類型。如有規定數量的中鳥通過了發動機轉子葉片，則可不再進行吞入小鳥試驗[13]。根據驗證程序可知，吞鳥試車為驗證的關鍵環節。以CCAR-33R2第33.76條要求的試車程序為基礎，以GJB 3727-1999為補充，獲得的運用于不同吞鳥試驗類型的試車程序如圖3所示。

5 軍用渦扇發動機吞鳥適航符合性驗證評價準則

吞鳥對發動機造成的結構損傷主要有風扇損壞、風扇葉片斷裂、壓氣機葉片損壞、葉片非包容等，性能影響則可能有推力(功率)損失、喘振、失速、起飛中斷等。確定結構損傷及性能影響的依據主要通過以下手段獲取：①吞鳥試車過程中所獲取的發動機穩態數據及瞬態數據；②試車過程中獲取的鳥的軌跡、撞擊姿態、撞擊部位、撞擊速度，及試驗件的變形和破碎、喘振、尾噴口噴火等過程；③分解檢查中，以目視、磁力探傷、滲透檢查、X射線、超聲波等檢測到的發動機損傷[12]。

圖3 建議的吞鳥符合性驗證試車程序[11、13]Fig.3 The suggested running up program of the bird ingestion compliance verification

發動機吞鳥試驗的符合性評價通常從發動機結構強度及性能兩方面來判定是否達到考核標準[16]。結構上主要關注吞鳥導致的發動機及部件(如風扇葉片、風扇進口導葉、前軸承機匣及發動機安裝節等)的結構是否完整、能否正常工作。性能上主要關注吞鳥后的推力損失、恢復情況及發動機穩定工作情況[17]。依據文獻[16]可知，吞入大鳥時，因其對結構的影響較氣動性能的影響大，側重關注其對結構強度的影響；吞入中鳥及小鳥，則需要重點關注結構強度和性能兩方面的影響。符合性驗證要求吞鳥后對發動機結構和性能的影響不超過規定的限制，其評判準則見圖4。

圖4 國軍標與適航條款的驗證評價準則Fig.4 Verification evaluation criteria of national military standard and airworthiness clause

可見國軍標的評價準則與適航要求之間大同小異，其中適航的符合性評判更加關注試車過程中發動機狀態的保持，而國軍標更加注重吞鳥后發動機的恢復情況。通常，吞鳥會對發動機造成嚴重危害，發動機能夠恢復正常運行狀態的概率較低。國軍標要求發動機吞入中/小鳥后能在規定時間內恢復吞鳥前的工作狀態看似苛刻，實際上是要求發動機吞鳥后具有繼續工作的能力，能夠續航使飛機安全降落[18]。通過分析國軍標與適航符合性評價準則，獲得的軍用渦扇發動機吞鳥符合性驗證基本評價準則見表3。

表3 軍用渦扇發動機吞鳥符合性驗證評價準則Table 3 The verification evaluation criteria for the bird ingestion of military turbofan

6 結論

通過對比我國航空發動機吞鳥的適航標準與國軍標要求之間的差異，在兼顧吞鳥適航要求與國軍標要求的前提下，明確了軍用渦扇發動機吞鳥適航符合性驗證的主要參數及基本驗證程序，對軍用渦扇發動機吞鳥的符合性驗證具有積極的指導作用。同時，本文確定的軍用渦扇發動機吞鳥適航符合性驗證的符合性評價準則，能為吞鳥試驗的符合性判定提供指導。

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Airworthiness compliance verification of bird ingestion for military turbofan engine

YAN Xiang-bin，ZHANG Qiong，XU Duo
(AECC Sichuan gas turbine establishment，Chengdu 610500，China)

Aiming at the problem that there are no airworthiness regulation requirements and evaluation cri?teria for bird ingestion of national military turbofan engine,based on analysis of the differences between air?worthiness requirements and national military standard requirements about bird ingestion,the main parame?ters applied to the airworthiness compliance of bird ingestion in verification process of military turbofan en?gine were put forward,also the airworthiness compliance verification processes and evaluation criteria for military turbofan engine are expounded.Propositional bird ingestion parameters and the verification process?es were confirmed on the premise of satisfying the requirements from airworthiness minimum safety and na?tional military standard,which have positive guidance significance for bird ingestion airworthiness compli?ance verification of the military turbofan engine.And the defined evaluation criteria are referential for the judgment of bird ingestion compliance verification test.

military turbofan engine；bird ingestion；airworthiness；compliance verification；evaluation criteria

V23；V328

A

1672-2620(2017)04-0051-05

2016-08-16；

2017-07-30

晏祥斌(1988-)，男，云南宣威人，助理工程師，碩士，主要研究方向為適航技術與適航管理。