正常類航空器發動機工作特性適航符合性研究

■ 肖毅 孫中海 李宏 / 中國民用航空江西航空器適航審定中心 曾平君 / 江西洪都航空工業集團有限責任公司 劉通 / 航空工業直升機設計研究所

作為航空器的“心臟”，發動機安裝后工作特性的優劣直接關系到航空器能否正常飛行。針對發動機工作特性適航條款，結合正常類飛機及正常類旋翼航空器審定案例開展研究，給出條款的符合性驗證方法與思路，對后續同類型號的研制與適航審定工作具有重要的參考價值。

正常類航空器包含正常類飛機和正常類旋翼航空器（通常為直升機），已經逐漸成為通用航空產業的主要機型[1]。其適航審定也是航空器適航審定的重要組成部分，必須加以重點研究。正常類航空器可以配裝不同類型的發動機，發動機與航空器的匹配是否良好直接關系到航空器能否正常飛行[2-3]。本文以《正常類、實用類、特技類和通勤類飛機適航規定》（CCAR-23-R3，即23部R3版）及《正常類旋翼航空器適航規定》（CCAR-27-R2，即27部R2版）為基礎[4-5]，著重對正常類飛機及正常類旋翼航空器的發動機工作特性條款的適航符合性進行對比研究，分析條款原文及符合性驗證方法的異同點，并根據具體型號的審定實踐，明確條款驗證的原則、流程及審定要點。

條款分析

CCAR-23-R3與CCAR-27-R2針對渦輪發動機的要求大致相同，在條款原文中有以下兩點差異：一是23部R3版要求在飛行中檢查渦輪增壓活塞式發動機的工作特性，27部無此要求，這與航空器的發展及23部、27部的修訂歷史有關，我國適航規章的修訂基本與美國聯邦航空局（FAA）保持了一致，FAA在1964年發布第一版23部時并沒有關于動力裝置工作特性的條款，1969年FAA通過修正案的形式增加了第23.939條渦輪發動機動力裝置工作特性，該條款起初也只針對渦輪發動機提出安全要求，直到1991年，由于渦輪增壓活塞式發動機在正常類飛機上的大量應用，FAA在規章中才增加了關于渦輪增壓活塞式發動機的內容，而此類發動機在旋翼航空器上應用較少，因此27部在對第27.939條制定與修訂時均未增加相關的要求；二是27部針對調節器控制的發動機提出了傳動系統扭轉不穩定性要求，23部R3版無此要求，這主要是由于當發動機上調節器的響應頻率與旋翼航空器傳動系統的低階固有扭轉頻率相重合或接近時，旋翼航空器上將出現一種受燃油控制的諧振反饋狀態，如果沒有適當的設計考慮或補償，這種狀態可能是發散的，將出現扭轉不穩定現象，正常類飛機沒有旋翼傳動系統，因此不需要類似的規定。條款的原文對比如表1所示。

另外，23部R3版于2022年進行了修訂換版，重新修訂發布的23部對條款內容進行了大范圍的調整與合并。與發動機工作特性相關的條款為第23.2425條動力裝置工作特性[6]。該條款主要是對23部R3版的第23.939條動力裝置的工作特性及第23.903條發動機中起動、停轉、再起動相關內容進行了調整合并，使得條款的字面要求更加簡潔，但規定的安全要求并沒有本質變化。

符合性驗證方法分析

在符合性驗證方法中：第23.939條一般采用飛行試驗（MC6）來表明條款的符合性，對最大飛行速度及失速速度飛行時發動機的工作情況應當進行考核，另外，通常需要在飛行包線范圍內選擇典型的高度-速度組合進行發動機快速加減速飛行試驗，由于對進氣畸變有較大影響，側滑角是需要重點考察的飛行姿態參數[7]；第27.939條一般采用地面試驗（MC5）及飛行試驗來表明條款的符合性，地面試驗的科目一般應包含發動機地面起動、加減速特性檢查、扭轉穩定性檢查等，飛行試驗科目一般應包含發動機空中再起動試驗、渦輪轉速恒速特性檢查、加減速特性檢查；23部R3版及27部共同關注的進氣畸變是否會引起有害的振動問題，需要在飛行試驗中進行驗證，主要在發動機不同位置安裝傳感器進行振動測量，第23.939條（c）款的驗證一般可與第23.907條螺旋槳振動結合進行，第27.939條（b）款的驗證一般與第27.907條發動機振動結合進行。

表 1 條款原文對比

審定案例分析

正常類飛機發動機工作特性審定案例

N5B飛機是按照23部R3版研制的，為單發、單駕駛、下單翼、后三點式固定起落架中型農林飛機，最大起飛質量為3600kg，最大飛行高度為6000m，最大飛行速度為235km/h。該機配裝一臺捷克產M601F渦槳發動機（見圖1），發動機最大起飛功率為570kW，最大巡航功率為490kW，起動方式為電起動，帶自由渦輪并配備了冷卻液噴射裝置，燃氣發生器和自由渦輪軸串聯式布局，空氣進口位于后部，氣流通過壓氣機、燃燒室和渦輪向前流動，最后從發動機前端的排氣管排出。

在第23.939條適航審定過程中，申請人采用飛行試驗來表明條款的符合性。在飛行試驗驗證中，申請人首先概述了在整個審定試飛過程中發動機均未出現不利的工作特性，然后重點列舉了“動力裝置工作特性及其進氣道檢查飛行試驗”情況來表明條款的符合性。在高度1500m飛行試驗點，飛行員首先檢查了慢車狀態減至表速150km/h左右，維持指定的直線側滑狀態，然后在0.5s內急推油門桿至發動機最大狀態的發動機加速工作時的情況；其次檢查了最大狀態加速至表速200km/h左右，維持指定的直線側滑狀態，然后在0.5s內急拉油門桿至慢車狀態的發動機減速工作時的情況。高度3000m的飛行試驗程序類似，在表速150km/h左右作快速加速試驗，在表速180km/h左右作快速減速試驗；圖2為在高度1500m飛行試驗點發動機快速加減速典型性能參數的變化曲線，急推或急拉油門后發動機燃氣渦輪轉速、渦輪間溫度、輸出扭矩逐漸增大或減小，性能變化平穩，發動機跟隨性較好，整個飛行試驗過程中發動機的工作特性正常。

正常類旋翼航空器發動機工作特性審定案例

AC311A直升機是按照27部進行型號合格審定的，采用單發、單駕駛、滑橇式起落架、單旋翼加尾槳布局，最大飛行高度為7000m，最大起飛質量為2250kg，最大巡航速度為240km/h，最大航程為700km。該機配裝1臺法國產阿赫耶（Arriel）-2B1A渦軸發動機（見圖3），最大起飛功率為500kW，巡航功率為400kW，起動方式為電起動，發動機采用前軸向進氣和向后排氣方式，吸入的空氣經進氣道、壓氣機流入環形燃燒室、燃氣渦輪、單級動力渦輪，最后通過排氣管排出發動機，動力渦輪產生的輸出功率通過軸傳給發動機上后置的減速器，最后通過動力渦輪組件的中心軸向前、向后輸出給直升機。

圖 1 M601F發動機

圖 2 發動機加減速試驗性能曲線

在第27.939條適航審定過程中，申請人采用地面試驗及飛行試驗來表明條款的符合性。

在地面試驗驗證中，申請人主要列舉了扭轉穩定性地面試驗來表明條款的符合性（發動機地面起動、地面加減速試驗結論在飛行試驗報告中給出）。試驗以不加激勵方式和周期激勵方式進行。其中，周期激勵方式試驗為主要試驗，試驗中以周期激勵方式改變旋翼總距，產生對旋翼/動力/傳動系統扭振的激勵載荷，從而激起發動機控制系統與扭振系統的扭振耦合運動。試驗過程中，測量從旋翼總距開始改變后足夠長時間內旋翼轉速、發動機扭矩和轉速等參數的時間變化歷程。這些參數的值隨時間的變化均能夠收斂于穩定值，且其模態阻尼裕度大于1%，旋翼/動力/傳動系統扭振與發動機控制系統耦合是穩定的。

在飛行試驗驗證中，申請人主要列舉了型號合格審定期間所開展的“發動機工作特性飛行試驗”情況來表明條款的符合性，試驗包括直升機典型高度-速度條件下的總距掃描、發動機加減速及電動備份機構操縱試驗?？偩鄴呙柙囼炛?，直升機在海拔3400m高度起飛，并在扭矩55%、60%、65%、70%、80%時分別穩定至少5s，然后以相反的順序放下總距，完成總距掃描；在發動機加減速過程中，直升機首先在海拔3400m高度進行有地效懸停，然后快速提升總距，直升機迅速爬升，直到在4300m高度左右穩定后，快速放下總距，當扭矩下降到40%左右時，提升總距，直升機改平飛，快速提放總距典型性能參數變化曲線如圖4所示，發動機燃氣渦輪轉速、排氣溫度、輸出扭矩逐漸增大或減小，性能變化平穩，發動機跟隨性較好；電動備份機構操縱試驗在地面進行，發動機在自動控制模式，提升總距直到扭矩達到20%，按壓手控備份機構控制開關上“加油”位和“減油”位無效，然后將發動機控制模式切換到手動模式，按壓手控備份機構控制開關上“加油”位和“減油”位，發動機功率及旋翼轉速隨之上升和下降，最后將發動機控制模式切換到自動模式，旋翼轉速穩定到100%。整個飛行試驗過程中發動機的工作特性正常。

圖 3 阿赫耶-2B1A發動機

圖 4 發動機加減速試驗性能曲線

另外，對于采用全權限數字式電子控制（FADEC）系統的旋翼航空器發動機，其工作特性的評定應當進行降級和故障模式檢查。以下典型的故障或降級模式應當在飛行試驗中進行檢查：導致發動機功率增大、減小或固定的故障，導致發動機性能參數振蕩的故障，導致壓氣機轉速、燃氣渦輪轉速增大或減小的故障等[8]。

對比分析

通過以上兩個審定案例對比可知，在正常類航空器發動機工作特性相關條款的審定實踐中，正常類飛機通常采用飛行試驗來表明條款的符合性，主要是在包線內選取典型的高度-速度組合進行發動機快速加減速試驗；正常類旋翼航空器也需要采用飛行試驗來表明條款的符合性，但飛行試驗的開展相對更加復雜，主要包括典型高度-速度條件下的總距掃描、發動機加減速及電動備份機構操縱試驗；飛行試驗中需要重點關注發動機轉速、排氣溫度、輸出扭矩等參數的變化情況，試驗中發動機不能出現不利工作特性和有害振動；另外，第27.939條（c）款關注的扭轉不穩定性除需要在飛行試驗中進行考察外，還需要進行專門的地面試驗進行驗證。

結束語

作為通用航空產業的主要機型，正常類航空器的研發與適航審定近年來均得到了較大的發展。從適航的角度出發，確保在正常類航空器正常和應急使用期間，發動機不出現不利工作特性是至關重要的。當前，國內已有不少型號的審定實踐，通過分析適航規章、咨詢通告的相關內容，總結審定案例的相關經驗，能夠進一步降低正常類航空器的研發成本，提高型號審定效率，一定程度上促進我國通用航空產業的發展。