民機發動機非包容性轉子爆破適航驗證技術研究

摘 要：民用飛機發動機非包容性轉子爆破會對飛機機身主結構、機翼油箱、飛機多重系統等產生嚴重影響，甚至會嚴重威脅飛機的持續安全飛行。目前，飛機主制造商通常按照AC20-128A的指導對發動機非包容轉子爆破進行特定風險分析（PRA），通過安全性設計滿足AC中“轉子爆破導致的災難性失效概率小于1/20”的要求。文章歸納了轉子爆破特定風險分析的適航審定過程，分析了非包容性轉子爆破帶來的危險結果，并提出了建議，以幫助提高民用飛機非包容轉子爆破的安全性設計和適航驗證技術能力。同時，文章為AC20-128A的后續完善提供了一些建議。

關鍵詞：大涵道比；非包容性；適航驗證

引言

在1969年至2006年之間，大涵道比渦輪發動機經歷了58次非包容性轉子爆破事件。隨著大涵道比渦輪發動機的引入，轉子包容發生的概率已經降低了兩個數量級。CCAR25部針對發動機非包容性轉子爆破的要求主要是25.903（d）（1）條款“（d）渦輪發動機的安裝對于渦輪發動機的安裝有下列規定：必須采取設計預防措施，能在一旦發動機轉子損壞或發動機內起火燒穿發動機機匣時，對飛機的危害減至最小；”[1]。雖然33部33.19條要求發動機壓氣機和渦輪轉子機匣的設計必須對因轉子葉片失效而引起的破壞具有包容性，而且，33.27條要求（a）發動機轉子有承受條款要求的極端試驗條件的能力。但是由于發動機裝機后的維修原因，服役使用后產生缺陷以及某種設計缺陷，渦輪與壓氣機轉子在服役時仍然會發生失效。

1 適航符合性驗證及適航審定流程

FAA頒布的針對發動機非包容渦輪發動機轉子設計考慮的AC20-128中制定了轉子爆破導致的災難性失效概率小于1/20的適航審定要求[2]。

針對轉子爆破特定風險適航符合性驗證思路主要包括安全性分析和剩余安全性分析兩塊。針對安全性分析：（1）先進行轉子碎片定義、轉子分組及轉子碎片飛散軌跡及影響區域范圍劃分；（2）然后列出所有受轉子爆破碎片影響的系統/設備清單，在全機級的故障樹中進行檢查，確認是否存在I類失效事件（災難級失效）；（3）如果否，則可向審查方表明符合性，如果是，將反饋給相關設計部門讓其決定是否更改設計架構，如果可以更改，將重復上述步驟1和2，如果無法更改設計，將轉入剩余安全性分析階段。針對剩余安全性分析：（1）進行剩余風險計算，計算非包容轉子失效導致的所有I類失效事件的概率；（2）評價剩余風險水平，如果概率小于1/20，則可以向審查方表明符合性，如果概率大于1/20，則必須更改設計架構采取防護措施，重新進行安全性分析和剩余安全性分析，否則無法通過合格審定。

2 非包容性轉子碎片影響情況

下文分析了轉子爆破導致的典型危害情況。

2.1 機身結構的破壞

轉子爆破的事件表明發動機短艙結構，特別是反推支撐具有包容或者部分包容轉子碎片的能力。飛出的大碎片通常擊打到例如發動機安裝節和吊掛結構等堅固結構時會產生偏轉，而不是直接穿透。也有機身主結構不能阻隔大轉子碎片并被其穿透的情況出現，但是這些事件啟發我們進一步分析，而不是直接得出大轉子不能被偏轉或者包容。

2.2 著火影響

正常情況下，短艙內燃油和滑油泄漏的危險級別很低，因為其被限制在短艙內，可通過獨立在遠處的可燃熱體切斷閥切斷，而不影響飛機的安全飛行，而且著火可控，嚴重程度不會進一步增加。

2.3 燃油泄漏

AC 39-8中明確表明燃油管或者燃油箱小的滲漏，當滲漏截面積大于2平方英寸，出于對燃油儲備可能被耗盡的考慮，被定義為III類失效事件[3]。如果大的轉子碎片擊穿燃油箱，導致燃油消耗急劇，發動機完全喪失推力，將會導致飛機迫降，可以被歸為II類失效。

2.4 反推意外打開

發動機的試驗和服役經歷表明在發動機輪盤爆破或者整個風扇葉片喪失的時候，發動機很快減速，停止產生可有推力，并停車。FBO試驗和服役經歷結果表明轉子爆破后發動機會在100毫秒內停車。所以轉子爆破導致的反推空中意外打開對安全性的影響通常不被認為是災難性的。

3 結束語

目前，剩余風險計算發動機非包容性轉子碎片導致I類失效概率通過適航審定評估的標準是小于1/20，對于翼吊發動機，非包容性轉子碎片往往需要穿過機翼才能打到機身和系統。僅有一次大涵道比渦扇飛機出現大轉子碎片打到機身的事件，但是碎片是直接打向機身。大碎片打到機翼時往往被結構偏轉。以往認為轉子碎片具有無限能量的假設過于保守。

在地面或靠近地面運行時，發生轉子爆破，大碎片擊打地面之后碎裂成小碎片后反彈擊打到機翼往往帶有很大的能量，足夠打穿機翼蒙皮導致燃油泄漏并引起大片燃油著火。AC20-128A沒有對這種情況進行考慮。目前針對碎片觸地反彈的模型還很不成熟，無法引入適航審定中進行符合性說明，而且，目前仍不清楚如何在減輕這種影響的情況下不引入其他的風險。

參考文獻

[1]AIA Project Report on High Bypass Ratio Turbine Egine Uncontained Rotor Events and Small Fragment Threat High Bypass Ratio Turbine 1969-2006，Vol.1，2010：9-10

[2]AC20-128A，Design Considerations for Minimizing Hazards Cause

d by Uncon.tained Turbine Engine and Auxiliary Power Unit Rotor Failure[S].FAA，1997.

[3]AC 39-8，Continued Airworthiness Assessments of Powerplants an

d Auxiliary Power Unit Installations of Transport Category Planes[S].FAA，2003.

作者簡介：郭晉之（1988，10-），男，安徽省滁州市，上海飛機設計研究院，碩士學位，動力機械專業。