渦扇發動機系統和部件試驗適航符合性驗證研究

晏祥斌 ，楊文瀟，張 瓊，許 多，陳 康，楊 斌，卿 華

(1.中國航發四川燃氣渦輪研究院，成都 610500；2.空軍駐雅安地區軍事代表室，四川雅安 625000)

1 引言

現代航空發動機的研制是一項極其復雜的系統工程，涉及眾多專業的前沿技術成果[1]。研制過程中，不但要攻克各項前沿工程技術問題，還需解決技術集成及試驗驗證等問題，難度極大。若試驗驗證不充分，則無法充分暴露和解決潛在故障，將導致危害性發動機事故頻繁發生。輕則造成機型停飛，重則導致災難性后果，造成巨大的經濟損失和社會影響。系統和部件作為航空發動機不可或缺的部分，對其進行充分的試驗驗證已成為保證航空發動機安全性的重要措施。據統計，現役各型航空發動機系統和部件的故障已占發動機總故障的70%以上，成為影響航空發動機可靠性和安全的主導因素[2]。

目前民用航空發動機領域，美國和歐洲已經形成完備的航空發動機適航體系，并已在民用航空發動機研制中全面貫徹，支撐了一系列民用航空發動機的適航取證。軍用航空發動機領域，美國在20 世紀80 年代后期將適航引入軍用航空器范疇[3]并頒布了《軍用飛機適航性審查準則》[4]，英國國防部亦頒布了涵蓋軍用航空發動機適航要求的《飛機設計和適航性要求第11部——航空發動機》[5]。通過型號實踐，大大降低了軍用發動機災難性事故的發生率[6]。可見，在航空發動機研制中貫徹適航要求，已成為保證航空發動機高安全性的有效途徑之一。目前，我國借鑒美國聯邦航空管理局適航經驗建立了民用航空適航體系，尚未形成相關的軍用適航要求，但軍用航空發動機在研制中考慮適航要求已成為趨勢。CCAR-33R2[7]第33.91 條“發動機系統和部件試驗”要求對發動機系統和部件進行充分試驗，以保證功能的可靠。雖然何俊等[2]對航空發動機系統和部件試驗的范圍和要求進行了分析，但我國尚未針對33.91 條“發動機系統和部件試驗”條款要求的系統和部件試驗進行充分統籌和規劃，導致系統和部件試驗適航驗證在研制中的融合度不足，未能形成及時有效的過程控制。

本文基于CCAR-33R2 第33.91 條“發動機系統和部件試驗”需求，提出了渦扇發動機系統和部件試驗驗證的實現路徑，并建立了系統和部件試驗驗證項目的決斷模型和階段化及并行模型，使系統和部件的試驗適航驗證項目能夠在研制周期中得到融合，并使融合的驗證項目與驗證對象之間實現匹配和過程化控制，可為渦扇發動機系統和部件試驗的適航符合性驗證提供指導。

2 渦扇發動機系統和部件試驗的適航符合性驗證體系及要素

2.1 適航符合性驗證體系

CCAR-33R2 第33.91 條“發動機系統和部件試驗”要求：不能通過持久試車進行充分驗證的系統或部件，必須進行附加試驗，以保證其在所有規定的環境和工作條件下能可靠地完成預定功能。在系統工程架構下，完成渦扇發動機系統和部件試驗適航驗證的融合、決斷和過程化，需要完善的驗證體系作為支撐。圖1 所示的發動機系統和部件試驗適航驗證體系，描述了渦扇發動機系統和部件試驗適航驗證體系的基本構成。該體系以職責為基礎，規劃了審查/定方、總師單位和承研單位3 層結構，以系統和部件試驗的適航符合性驗證過程為驅動，以適航知識、模型方法、集成環境和資源為支撐，協同完成系統和部件試驗的適航符合性驗證。

圖1 渦扇發動機系統和部件試驗適航驗證體系構成Fig.1 Airworthiness verification system of turbofan engine system and components

2.2 適航符合性驗證要素

由圖1 可知，系統和部件試驗的適航符合性驗證需具備必要的要素，并通過這些要素的交互協同，推動驗證工作的執行。這些要素包括了適航知識、集成環境、過程、組織、設備、信息和模型方法，其交互關系如圖2 所示。

圖2 渦扇發動機系統和部件試驗適航符合性驗證要素及交互關系Fig.2 Compliance verification elements and their interactions of turbofan engine system and component tests

渦扇發動機系統和部件試驗適航符合性驗證在過程的觸發下和在集成環境的支撐下，組織利用有關的模型方法對適航知識進行處理，形成過程約束條件，并融入過程。同時，組織獲取適航有關信息，形成約束條件，融入過程。集成環境及設備是系統和部件試驗適航符合性驗證得以實現的載體，組織對過程進行觸發和控制是符合性驗證的實施主體，信息和適航知識是驗證的約束條件，模型方法則為符合性驗證工作的執行提供通道。由此可知，采用有效的模型方法對適航知識進行處理，將適航知識轉換為能夠約束過程的條件，形成高效、清晰和流暢的驗證路徑，并通過此路徑對驗證過程形成系統的規劃和資源的優化配置，是保證系統和部件試驗適航驗證得以高效完成的關鍵。

3 適航驗證實現路徑

為實現渦扇發動機系統和部件試驗適航符合性驗證的系統規劃和有效驗證，建立了系統和部件試驗適航驗證的實現路徑，如圖3 所示。實現發動機系統和部件適航驗證的關鍵在融合、決斷、過程化及提取。通過融合，能夠獲取包含適航驗證項目在內的、且充分的系統和部件試驗，保證了驗證需求的完備性；通過決斷，能實現驗證對象與試驗項目的匹配；通過過程化，能使驗證項目在研制過程中實現階段化和時序化；依據適航驗證資料的提取，能為系統和部件試驗的適航符合性表明提供必要的支撐。以圖3 所建立的實現路徑為指導，建立系統和部件試驗適航符合性驗證項目的模式化決斷模型和階段化及并行模型，將成為高效實現系統和部件試驗適航符合性驗證的關鍵。

圖3 渦扇發動機系統和部件適航驗證實現路徑Fig.3 Implementation path of airworthiness verification for system and components of turbofan engine

4 驗證項目決斷模型

CCAR-33R2 第33.91 條“發動機系統和部件試驗”咨詢通告AC 33.91-1[8]列出了26 項系統和部件試驗的適航驗證項目，參考已有經驗及相關標準，獲得覆蓋航空發動機系統和部件適航驗證的試驗項目群，見表1。

表1 渦扇發動機系統和部件試驗項目[8～10]Table 1 System and components test projects for turbofan engine

圖4 渦扇發動機系統及部件試驗項目決斷模型Fig.4 Decision-making model of system and components test projects for turbofan engine

基于發動機系統和部件試驗的適用條件，建立涵蓋系統和部件試驗適航驗證項目的決斷模型，見圖4。其將系統和部件、適用條件與決斷邏輯相結合，使離散的系統和部件試驗項目以確定的和系統性的邏輯獲得融合決斷。在確定部件后，通過適用條件的判斷，流轉形成不同的路徑，在流轉路徑上記錄對應的項目編號，直至結束，形成部件驗證項目集合。基于確定的編號規則，映射到具體驗證項目，最終完成驗證項目的確定。同時，決斷模型也列出了典型的系統級試驗。除系統特定試驗外，決斷模型中涉及的驗證項目主要適用于部件，當系統需開展超出典型的系統級試驗范圍的試驗時，依據型號特點及系統所屬部件的驗證情況，在綜合考慮經濟性、驗證周期及充分性的基礎上再確定驗證項目。

5 驗證項目階段化及并行模型

通過驗證項目決斷模型獲取的系統和部件試驗驗證項目趨于離散化，需對其進行過程約束。基于研制過程，對獲取的驗證項目進行階段化，實現驗證項目在研制中的有效嵌入。對于環境試驗，通常要求使用同一部件開展驗證。主要環境試驗的驗證次序為：沖擊、振動、濕熱、霉菌、砂塵、加速度、防爆。以里程碑節點為階段劃分依據，對系統和部件試驗的開展進行階段化，形成渦扇發動機系統和部件試驗驗證階段時序，見圖5。

基于驗證階段時序模型可知，在幫助系統和部件獲得各階段驗證項目漸進驗證時序的同時，也為驗證項目的階段化提供了一定的柔性，即可根據型號研制及驗證情況，對給出的階段驗證項目進行適應性決斷和調整，以保證各階段驗證的漸進性、互補性和充分性。

圖5 渦扇發動機系統和部件試驗的驗證階段時序模型Fig.5 Sequence model of system and components test for turbofan engine during verification phase

在確定系統和部件試驗階段時序的基礎上，按需考慮試驗多部件并行驗證、研制階段及設計更改因素，建立階段化并行驗證模型，如圖6 所示。并行模型考慮了研制階段、設計更改及并行驗證因素，并以型號研制階段為一個獨立的驗證階段化時序。在判斷是否存在批次更改的基礎上，考慮各批次并行驗證及判斷驗證是否沿用的邏輯因素，對系統和部件試驗項目實現階段性的并行規劃。

圖6 系統和部件試驗的并行模型Fig.6 Parallel model of system and components test

6 驗證實例分析

運用建立的適航符合性驗證項目決斷模型和階段化及并行模型，以某型渦扇發動機點火系統和點火裝置為例，進行實例分析。

通過驗證項目決斷模型，確定點火系統和點火裝置的試驗項目，如表2 所示。

表2 點火系統和點火裝置試驗項目Table 2 Test projects for certain ignition device and ignition system

運用階段化及并行模型，并考慮驗證的充分性及柔性，獲得點火系統和點火裝置驗證的一個時序，如圖7 所示。通過決斷模型，獲得點火系統和點火裝置覆蓋適航驗證項目的驗證項目群，然后進一步采用階段化及并行模型，確定點火系統和點火裝置在各階段的漸進驗證時序，實現對點火系統和點火裝置驗證的系統化控制，并在完成驗證的基礎上提取適航驗證證據，表明點火系統和點火裝置對CCAR-33R2 部第33.91 條的符合性。

圖7 點火系統和點火裝置的驗證時序Fig.7 Verification sequences for certain ignition device and ignition system

7 結束語

以CCAR-33R2 第33.91 條“發動機系統和部件試驗”的適航符合性驗證為出發點，建立了系統和部件試驗驗證項目的決斷模型和階段化及并行模型。在識別系統和部件試驗適航性驗證項目的基礎上，運用模型方法實現了適航符合性驗證項目在系統和部件研制中的融合與適用性決斷、漸進驗證與過程化控制。對決斷模型和階段化及并行模型的應用表明，其能系統、穩健地引導渦扇發動機貫徹系統和部件的適航符合性驗證要求，對最終提高所研系統和部件的安全性及可靠性具有積極的指導意義。