CCAR.適航符合性驗證思路簡述

1、CCAR.適航符合性驗證思路簡述沈東【摘要】民用大型運輸類飛機需要滿足中國民用航空規(guī)章第25部?運輸類飛機適航標(biāo)準(zhǔn)?才能取得型號合格證。本文對其中的25.1093條款要求進(jìn)行了分析，提出了建議的符合性驗證方法和思路，并對符合性驗證中的難點進(jìn)行了簡要說明，為運輸類飛機25.1093條款的適航審查和符合性驗證工作提供參考?！娟P(guān)鍵詞】CCAR25.1093；結(jié)冰條件；冰脫落；符合性驗證0概述飛機在穿越云層時，發(fā)動機進(jìn)氣道唇口蒙皮會出現(xiàn)結(jié)冰現(xiàn)象。如果不進(jìn)行發(fā)動機唇口蒙皮結(jié)冰防護(hù)，結(jié)冰到一定程度會造成發(fā)動機進(jìn)氣道進(jìn)氣畸變，導(dǎo)致發(fā)動機異常振動，另外，機體外表冰脫落被吸入發(fā)動機時可能造成發(fā)動機壓氣機葉片受損

2、，嚴(yán)重的會導(dǎo)致發(fā)動機熄火【1】。為了保證發(fā)動機能夠在結(jié)冰條件下平安運行，針對發(fā)動機進(jìn)氣系統(tǒng)，CCAR25部規(guī)章制定了25.1093條款-進(jìn)氣系統(tǒng)防冰【2】。具體要求如下：a活塞發(fā)動機活塞發(fā)動機的進(jìn)氣系統(tǒng)必須有防冰和除冰措施。除非用其它方法來滿足上述要求，否那么必須說明，在溫度為-1.130°F的無可見水汽的空氣中，每架裝有高空發(fā)動機的飛機，均符合以下規(guī)定：1采用普通文氏管式汽化器時，裝有預(yù)熱器，能在發(fā)動機以60%最大連續(xù)功率運轉(zhuǎn)情況下提供67120°F的溫升；2采用可減少結(jié)冰概率的汽化器時，裝有預(yù)熱器，能在發(fā)動機以60%最大連續(xù)功率運轉(zhuǎn)情況下提供56100°F的溫

3、升。b渦輪發(fā)動機1每臺渦輪發(fā)動機必須能在以下條件下在其整個飛行功率推力范圍包括慢車工作，而發(fā)動機、進(jìn)氣系統(tǒng)部件或飛機機體部件上沒有不利于發(fā)動機運轉(zhuǎn)或引起功率或推力嚴(yán)重?fù)p失的冰積聚：i附錄C規(guī)定的結(jié)冰條件；ii為飛機作該類營運所制定的使用限制內(nèi)的降雪和揚雪情況。2每臺渦輪發(fā)動機必須在溫度-9-11530°F、液態(tài)水含量不小于0.3克/米3、水呈水滴狀態(tài)其平均有效直徑不小于20微米的大氣條件下，進(jìn)行地面慢車運轉(zhuǎn)30分鐘，此時可供發(fā)動機防冰用的引氣處于其臨界狀態(tài)，而無不利影響，隨后發(fā)動機以起飛功率推力作短暫運轉(zhuǎn)。在上述30分鐘慢車運轉(zhuǎn)期間，發(fā)動機可以按適航當(dāng)局可接受的方式間歇地加大轉(zhuǎn)速到中

4、等功率推力。c增壓式活塞發(fā)動機每臺裝有增壓器對進(jìn)入汽化器之前的空氣進(jìn)行增壓的活塞發(fā)動機，在判斷符合本條a的規(guī)定時，在任何高度上均可利用由此增壓所產(chǎn)生的空氣溫升，只要所利用的溫升是在有關(guān)的高度和運轉(zhuǎn)條件下因增壓而自動獲得的。中國民用航空局1995年12月18日第二次修訂25.1093條款針對活塞發(fā)動機、渦輪發(fā)動機、增壓式活塞發(fā)動機三種不同類型的發(fā)動機進(jìn)行了專門的進(jìn)氣系統(tǒng)防冰要求。目前，大型民用運輸類飛機安裝的發(fā)動機根本皆為渦輪噴氣式發(fā)動機，因此，本文僅對25.1093b的驗證思路和驗證方法進(jìn)行簡述。1CCAR25.1093b條款關(guān)鍵點解析整個飛行功率推力范圍包括慢車：在可以防止慢車停車推力之外，

5、整個推力范圍都需要為發(fā)動機提供防冰措施。“發(fā)動機、進(jìn)氣系統(tǒng)部件或飛機機體部件上沒有不利于發(fā)動機運轉(zhuǎn)或引起功率或推力嚴(yán)重?fù)p失的冰積聚中發(fā)動機主要指發(fā)動機風(fēng)扇葉片等結(jié)冰外表，進(jìn)氣系統(tǒng)部件主要指進(jìn)氣道唇口，飛機機體解釋為任何可能有冰聚集、并且產(chǎn)生的冰可能被吸入發(fā)動機的機體部件，可能結(jié)冰的機體部件主要有機頭、機翼前緣和回流冰、機身、天線屏蔽器、天線等。“不利于發(fā)動機運轉(zhuǎn)或引起功率或推力嚴(yán)重?fù)p失：結(jié)冰對發(fā)動機的影響主要有異常振動、推力損失、機械損傷三種情況【3】。不同型號的發(fā)動機對應(yīng)不同的不可接受振動、推力損失、機械損傷的標(biāo)準(zhǔn)，在進(jìn)行25.1093條款適航符合性驗證時，需要發(fā)動機供應(yīng)商提供這些標(biāo)準(zhǔn)。2C

6、CAR25.1093b與CCAR33.68的區(qū)別CCAR33.68從發(fā)動機本體出發(fā)，要求在結(jié)冰條件下，整個飛行推力范圍內(nèi)，發(fā)動機部件上沒有影響發(fā)動機運轉(zhuǎn)或造成不可接受的推力損失的冰積聚。屬于從發(fā)動機制造商角度考慮的條款，關(guān)注點是發(fā)動機自身的狀態(tài)和能力，例如，熄火、喘振、壓氣機失速、轉(zhuǎn)子卡死、異常振動、推力響應(yīng)慢、喪失推力保持等。CCAR25.1093b從飛機出發(fā)，要求在結(jié)冰條件下，整個飛行推力范圍內(nèi)，發(fā)動機、機體、進(jìn)氣道上沒有影響發(fā)動機運轉(zhuǎn)或造成不可接受的推力損失的冰積聚，關(guān)注點是發(fā)動機安裝后與飛機的匹配。一般適航驗證中，CCAR33.68需要先于CCAR25.1093b完成驗證，滿足CCAR

7、33.68是進(jìn)行CCAR25.1093b驗證的根底。CCAR33.68的驗證試驗為CCAR25.1093b提供結(jié)冰條件下發(fā)動機的推力變化特性、振動特性、發(fā)動機機械損傷容限等關(guān)鍵參數(shù)。325.1093b條款驗證思路對25.1093b條款的驗證主要分為三個局部：機體冰脫落符合性驗證、發(fā)動機風(fēng)扇冰脫落符合性驗證、短艙防冰系統(tǒng)符合性驗證。3.1機體冰脫落符合性驗證機體冰脫落符合性驗證的大致流程如圖1下：圖1機體冰脫落符合性驗證流程驗證難點：1大尺寸外表的結(jié)冰量計算缺乏冰風(fēng)洞試驗結(jié)果支持，計算結(jié)果僅能做參考，不能用來直接說明符合性。2冰脫落時破裂特性缺少理論和試驗支持，一般按最保守的破裂成兩塊處理，為冰

8、脫落的符合性驗證增加了難度。3對于脫落后冰塊運動軌跡模擬，由于冰塊的尺寸和質(zhì)量難以確定，疊加上飛行姿態(tài)和外界氣流環(huán)境，模擬結(jié)果的可信性很難驗證，不能用來直接說明符合性。4冰脫落自然結(jié)冰試飛無法驗證到最臨界的冰脫落條件，僅能驗證個別結(jié)冰條件下的冰脫落符合性。一般，大尺寸結(jié)冰外表如機頭冰脫落的符合性驗證采用計算分析、自然結(jié)冰試飛、相似性分析相結(jié)合的方式說明符合性。冰脫落相似性分析的要點：1選取的相似機型具有足夠的平安服役數(shù)據(jù)。2飛機布局和外形相似。飛機布局和幾何外形相似是發(fā)動機吸入機體脫落冰相似性分析的根底，也是后續(xù)流場相似和結(jié)冰特性相似分析工作的前提。3流場特性相似。飛機的結(jié)冰特性和飛機氣動流場

9、密切相關(guān)，氣動流場影響水滴的運動軌跡進(jìn)而影響結(jié)冰外形，流場特性發(fā)生變化，水滴運動軌跡和結(jié)冰冰形也隨之發(fā)生改變。另一方面，如果冰塊從機體下轉(zhuǎn)第290頁上接第345頁外表脫落，脫落冰塊的運動軌跡也受到飛機氣動流場的影響。4結(jié)冰特性相似。冰脫落軌跡與冰塊初始脫落位置、冰塊大小以及形狀有關(guān)，結(jié)冰冰形和結(jié)冰位置必須具備相似性，才能保證在具有相似性的流場前提下，脫落冰塊的運動軌跡具有相似性。3.2渦輪發(fā)動機風(fēng)扇葉片冰脫落符合性驗證發(fā)動機風(fēng)扇葉片冰脫落可能會導(dǎo)致發(fā)動機產(chǎn)生機械損傷，在符合性驗證中，一般采用計算分析和試飛的方法來說明風(fēng)扇葉片冰脫落不會對發(fā)動機造成機械損傷或不可接受的推力損失。驗證難點：風(fēng)扇冰脫

10、落的符合性風(fēng)扇冰脫落自然結(jié)冰試飛，F(xiàn)AAAC20-147建議發(fā)動機風(fēng)扇冰脫落飛行試驗在飛機發(fā)動機爬升最大爬升、待機、下降空中慢車三個階段中的每個階段進(jìn)行三次發(fā)動機風(fēng)扇自然冰脫落試飛試驗。風(fēng)扇冰脫落自然結(jié)冰試驗條件要求高，試飛風(fēng)險大，冰脫落判據(jù)難以確定。在試驗前需要做充分的分析和地面試驗，包括：結(jié)冰條件下的實驗室試驗、發(fā)動機機械損傷判據(jù)、發(fā)動機振動特性等。3.3發(fā)動機進(jìn)氣道唇口防冰系統(tǒng)性能符合性驗證進(jìn)氣道唇口結(jié)冰帶來的危害由：1改變進(jìn)氣流場，導(dǎo)致進(jìn)氣畸變；2進(jìn)氣道唇口冰脫落，造成發(fā)動機機械損傷。進(jìn)氣道唇口防冰系統(tǒng)一般采用性能計算分析、結(jié)冰條件下的地面試驗、自然結(jié)冰飛行試驗的方法進(jìn)行符合性驗證。驗

11、證難點：結(jié)冰條件下進(jìn)氣道唇口防冰系統(tǒng)地面試驗需要在25.1093b2要求的結(jié)冰條件下進(jìn)行，這種結(jié)冰條件在自然條件下很難遇到，需要通過地面結(jié)冰條件模擬設(shè)備模擬滿足條款要求的結(jié)冰條件。試驗前需要對結(jié)冰條件模擬設(shè)備試驗段的云霧模擬面積和質(zhì)量、液態(tài)水含量、水滴顆粒直徑、水滴分布的均勻性等參數(shù)進(jìn)行標(biāo)定和檢查。4總結(jié)本文提出的CCAR25.1093b符合性驗證思路既是對以往經(jīng)驗的總結(jié)，又是對后續(xù)型號驗證工作的指導(dǎo)，在CCAR25.1093b的適航驗證過程中，符合性方法較為明確，主要為計算分析、地面試驗、飛行試驗、相似性分析。但驗證過程中還有諸多難點，例如，機體外表冰脫落特性、大尺寸外表結(jié)冰量的計算校核、冰脫落后的運動軌跡、發(fā)動機風(fēng)扇葉片冰脫落計算模型的建立和校核、自然結(jié)冰試飛方法的改善等還需要進(jìn)一步的研究。另外，針對驗證工作中的技術(shù)難點申請人需盡早與審查方溝通，共同尋找最優(yōu)方案，防止后期出現(xiàn)分歧。【參考文獻(xiàn)】【1】裘燮綱，韓鳳華.飛機防冰系統(tǒng)M.北京：航空專業(yè)教材審編組，1985.【2】中國民用航空局.中國民用航空