含高能转子的设备适航符合性方法.pdf

中国科技信息 2024 年第 8 期CHINA SCIENCE AND TECHNOLOGY INFORMATION Apr.2024-46-航空航天适航条款要求与条款解析对于民用直升机上含高能转子的设备，其专用的适航条款为第 29.1461 条“含高能转子的设备”，为了更好地理解该条款对应的适航要求，下面会对 29.1461 条款的技术要求进行逐条解析。第 29.1461 条“含高能转子的设备”条款适航要求中国交通运输部在 2017 年 4 月 1 日发布的 CCAR29部 R2 版 运 输 类 旋 翼 航 空 器 适 航 标 准 中 通 过 第29.1461“含高能转子的设备”条对民用直升机上含高能转子的设备提出了相应的适航要求，其对应的适航条款原文如下。（a）含高能转子的设备，必须符合本条（b）、（c）或（d）的规定。（b）设备中的高能转子，必须能承受因故障、振动、异常转速和异常温度所引起的损伤。此外，还需满足下列要求：（1）辅助转子机匣必须能包容住高能转子叶片破坏所引起的损伤；（2）设备控制装置、系统和仪表设备，必须合理地保证在服役中不会超过影响高能转子完整性的使用限制。（c）必须通过试验表明，含高能转子的设备能包容住高能转子在正常转速控制装置不起作用时能达到的最高转速下产生的任何破坏。（d）含高能转子的设备，必须安装在当转子破坏时既不会危及乘员，也不会对继续安全飞行产生不利影响的部位。含高能转子的设备适航符合性方法吴兴茂吴兴茂中国直升机设计研究所吴兴茂，工程师。图 1 风扇叶片导致发动机严重损坏含高能转子的设备在工作的时候具有充足的动能，当该类设备发生故障后，会对设备周边的线束、结构以及系统等造成巨大的破坏，在 2021 年 2 月 20 日美国联合航空发生UA328 航空事件中，由于风扇叶片断裂引起了发动机严的重损坏和起火，造成了严重的航空事故，如图 1 所示。民用直升机上还安装有许多其他类似的含高能转子的设备，主要有空气循环机、再循环风扇、电子设备冷却风扇、滑油冷却风扇、起动发电机、应急发电机等。为了避免含高能转子的设备工作中的失效/故障极大地影响民用直升机的安全运行与直升机上的乘客安全，美国联邦航空管理局在 1965 年 12 月 28 日通过在 NPRM 65-42 中新增第 29.1459 条来对含高能转子的设备提出了相应的适航符合性要求，后来在 1968 年 1 月 26 日，美国联邦航空管理局又通过 29-3 修正案将原来的第 29.1459条“含高能转子的设备”重新编制为第 29.1461 条“含高能转子的设备”，删除了原来 29.1459（a）中的冗余字句，并且在 29.1459（b）的基础上，将 29.1461（b）中对应的“温度”前加上了“异常”。民用直升机上安装了许多含高能转子的设备，而且随着民用直升机市场需求的日益扩大和国产民用直升机的快速发展，防止含高能转子的设备工作时的故障/失效情况对民用直升机的安全运行以及乘员安全造成不利的影响是非常有必要的，本文对第 29.1461 条“含高能转子的设备”条款进行了相应的研究，解读了该条款的相关技术内涵，分析了该条款适航符合性验证方法，并通过民用直升机上含高能转子设备的适航符合性验证工程实例验证了所提出适航符合性验证方法的可靠性，可以为其他民用直升机“含高能转子的设备”的适航符合性验证工作提供一定的参考。-47-CHINA SCIENCE AND TECHNOLOGY INFORMATION Apr.2024中国科技信息 2024 年第 8 期航空航天第 29.1461 条“含高能转子的设备”条款解析29.1461（a）款说明29.1461条款“含高能转子的设备”的适航要求可以通过 29.1461（b）（c）（d）三种不同的方法来进行验证。29.1461（b）条款对“含高能转子的设备”从损伤容限、转子包容和控制装置三个方面提出了要求，首先是含高能转子的设备在工作中会受到故障、振动、异常转速以及温度等因素的影响，高能转子要有承受的住在这些情况下所引起的损伤的能力；其次在含高能转子的设备工作过程中，高能转子会因为故障/失效而发生甩出或者脱离的现象，规定了转子机匣要能包容的住此时高速甩出而具有巨大动能的转子叶片；同时为了防止“转子破坏”，29.1461（b）条款也对设备的控制装置、系统和仪表设备提出了相应要求，从而确保“含高能转子的设备”在工作中不会超出相应的使用限制。29.1461（c）条款主要与含高能转子设备的包容性以及控制装置不正常工作两方面有关，29.1461（c）条款对“高能转子”工作过程中因环境、故障/失效等各种因素引起的损坏的包容性提出了更高的要求，规定了在转速控制装置不起作用的情况下，转子机匣仍能包容住高能转子此时能达到最大速度下产生的任何破坏，并且此时不能对与直升机继续安全飞行相关的重要组件、系统或者周边结构造成损害。29.1461（d）条款主要通过一种非包容的方法，对含高能转子的设备提出了相应的适航要求。在实际的民用直升机设计过程中，由于重量、尺寸、经济性等各种实际因素的限制，有时候 29.1461（b）条款和 29.1461（c）条款这种转子包容的适航要求难以达到，从而 29.1461（d）条款从另一个角度，为含高能转子的设备的适航符合性验证提供了解决方法。为了确保非包容的含高能转子设备的破损对民用直升机继续安全飞行的影响最小，可以采用相应的隔离、冗余和保护性设计，同时可以对这种非包容的含高能转子的设备在直升机上的实际安装位置进行充分的考虑和设计，以确保其在发生非包容性的转子破坏时不会直升机的继续安全飞行与着落的造成不可接受的影响，也不会影响直升机上乘员的生命安全。综上对第 29.1461 条“含高能转子的设备”的条款解析，可以概括 29.1461 条款的验证思路如图 2 所示，可以通过 29.1461（b）条款和 29.1461（c）条款这两种转子破裂包容的方法和 29.1461（d）条款的转子破裂非包容的方法来验证“含高能转子的设备”满足相应适航条款要求。适航符合性验证通过上文对第 29.1461 条“含高能转子的设备”的适航条款解析，可以知道“含高能转子的设备”条款可以通过29.1461（b）、29.1461（c）、29.1461（d）三种验证途径进行适航符合性验证。29.1461（b）条款适航符合性验证为了验证 29.1461（b）条款，首先是通过系统设计报告来说明含高能转子设备安装的情况，包括所处的温度、振动等相关的环境因素，在机上的布置情况以及其相关的控制装置等信息。可以通过与设备供应商签订相关技术规范，明确含高能转子的设备在民用直升机上安装环境，由供应商对含高能转子的设备按照 DO-160的标准与规定进行设备鉴定试验，证明含高能转子的设备在工作过程中受到故障、振动、异常转速和异常温度的影响时，高能转子要有承受的住在这些图 2“含高能转子的设备”适航符合性验证思路中国科技信息 2024 年第 8 期CHINA SCIENCE AND TECHNOLOGY INFORMATION Apr.2024-48-航空航天情况下所引起的损伤的能力。同时可以通过 FHA，分析设备的控制装置、系统和仪表设备对含高能转子设备的影响，可以通过相应的分离、冗余和保护性设计等措施保证含高能转子设备在服役中不会超出完整性的使用限制。为了验证转子机匣能够包容住高能转子叶片破坏引起的损伤，在民用直升机上，有的含高能转子的设备是使用分析/计算的方法来表明，通过将辅助转子机匣能够吸收的能量与高能转子叶片破损能够产生的最大动能进行比较，如果对比的结果超出一定的裕度，则可以说明“含高能转子的设备”的机匣能够包容的住此时高能转子叶片破坏所引起的损伤。在实际的适航验证试验中，通过在起动发电机风扇叶片的根部进行一个预切割，这样不仅可以使得风扇叶片的强度降低，而且可以获得最大的风扇破裂重量，在正常转速控制装置仍然起作用的情况下，以超过起动发电机最大起动速度一定额度的试验条件进行测试，直到风扇叶片甩出而与风扇入口接触，在试验后对风扇入口进行检查，可以看到风扇入口处损伤程度较低，并且包容住了风扇叶片的冲击；同时该起动发电机转子机械故障最严重的情况是电枢脱落，因为在这种情况下会造成最大体积和重量的电枢部分从转子脱落甩出，在实际的适航验证试验中，通过将固定转子电枢的不锈钢带沿着轴向进行切割，在正常转速控制装置仍然起作用的情况下，以超过起动发电机最大起动速度一定额度的试验条件进行测试，直到转子电枢径向往外扩散而与定子接触，在试验结束后，对起动发电机的试验结果进行观察，发现转子的钢带、电枢和导体都包含在壳体内，而且只有非常小的碎片存在于起动发电机中，从而通过试验证明了对发电机高能转子的包容性，并得到了局方的认可。29.1461（c）条款适航符合性验证针对 29.1461（c）条款，在民用直升机上，主要通过设备验证试验进行适航验证，在对环控风扇进行适航符合性验证中，通过降低环境压力，从而使得环控风扇转速达到或者超过限制转速，在实际试验过程中持续记录环控风扇的转速以及室内的温度与压力值，环控风扇在超出限制速度后发生转子破裂情况。在试验后，通过数据分析和试验结果观察，发现环控风扇叶轮在超出限制速度的情况下发生破裂，并且破裂后的叶轮被风扇壳体完全包容，未对与直升机继续安全飞行相关的重要组件、系统或者周边结构造成损伤，并得到了局方的认可。29.1461（d）条款适航符合性验证针对 29.1461（d）条款，可以通过仿真模拟的方式验证含高能转子的设备在直升机上实际安装位置发生高能转子破坏后，在非包容的情况下所产生的故障零部件不会影响直升机上乘员的生命安全，而且也不会对直升机继续安全飞行与着落产生不可接受的影响。同时也可以通过系统安全性分析，对受非包容性转子破坏影响的相关系统和设备采取相应的分离、冗余和保护等措施，确保高能转子非包容对直升机继续安全飞行和着落的影响最小，同时需要表明非包容的高能转子破损产生的任何零部件与碎片不会进入具有乘员的区域。总结与展望含高能转子的设备的适航符合性验证对于维持民用直升机的安全运行和乘员的安全至关重要，文中对含高能转子的设备的专用适航条款 29.1461 进行了研究和分析，提出了相应的适航符合性验证方法，并通过民用直升机上起动发电机、环控风扇的适航符合性验证实例对文中所提出的“含高能转子的设备”的适航符合性验证方法进行了验证，为其他民用直升机含高能转子设备的适航符合性验证工作提供了一定的参考。随着民用直升机市场规模的日益扩大与国内民用直升机的快速发展，需要进一步综合考虑经济因素和国内含高能转子设备的实际试验条件情况，探索出更加经济、可靠的符合性验证方法来表明“含高能转子的设备”对 29.1461 条款的适航符合性，从而可以进一步促进国产民用直升机的适航符合性验证技术的发展。