航空發動機葉片碎片對增壓艙安全防護的適航要求分析

張健

摘 要：該文將根據運輸類飛機適航標準介紹有關增壓艙安全防護的適航條款，分別對增壓艙結構防護、增壓艙系統安全和增壓艙釋壓的適航要求進行分析；然后再對美國聯邦航空管理局頒布的有關非包容轉子和增壓艙咨詢通告進行分析。

關鍵詞：航空發動機 飛機增壓艙 安全防護

中圖分類號：V232 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2017）01（c）-0086-02

1 增壓艙結構防護的適航要求分析

非包容轉子爆破飛出的部分碎片會擊中飛機增壓艙，良好的增壓艙結構能后抵擋一些能量小的碎片。適航審定中對轉子非包容性的關注要素應包括：飛機關鍵部件和系統的布局，處于轉子碎片影響區域內的關鍵部件和系統的防護、隔離和備份，以及對轉子碎片影響安全分析。因此，對增壓艙結構防護的適航條款進行分析。

1.1 條款內容

（1）CCAR25.365（e）：增壓艙內部和外部的任何結構、組件或零件，如因其破壞而可能妨礙繼續安全飛行和著陸時，則必須設計成能夠承受在任何使用高度由于以下每一情況使任何艙室出現孔洞而引起的壓力突降：發動機碎裂后發動機的一部分穿透了增壓艙[1]。

（2）CCAR571（e）損傷容限（離散源）評定，在下列任一原因很可能造成結構損傷的情況下，飛機必須能夠成功地完成該次飛行。①受到1.80 kg（4 磅）重的鳥的撞擊，飛機與鳥沿著飛機飛行航跡的相對速度取海平面VC 或2 450 m（8 000英尺）0.85VC，兩者中的較嚴重者；②風扇葉片的非包容性撞擊；③發動機的非包容性破壞；④高能旋轉機械的非包容性破壞[1]。

（3）CCAR25.903（d）（1）：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]。

1.2 條款的技術解釋

（1）CCAR25.365（e）條款：該條款規定了在飛機增壓艙發生突然釋壓時，增壓艙的隔框、隔板或者地板等結構必須能夠經受住由于壓力突然下降而產生的載荷。民用飛機的增壓過程比較緩慢，并且地板、隔板之間是相同的，各個隔艙之間沒有壓差，增壓艙內部的結構不受壓差載荷，只有外壁承受壓差載荷。如果增壓艙發生破損，則各個隔艙將會由于突然釋壓而產生壓力差，這種壓力差可能會破壞機身結構，進而影響飛行安全。

（2）CCAR571（e）條款：該條款通過（a）4lb鳥的撞擊，（b）風扇葉片的非包容性破壞，（c）發動機的非包容性破壞，（d）高速旋轉機械的非包容性破壞，對以上4種外來物的撞擊進行評定，能夠使飛機受上述4種損傷的狀態下完成此次飛行。

（3）CCAR25.903（d）條款：該條款是要求飛機結構設計必須采用必要的預防措施，來防止因為非包容的轉子失效等引起的危害，并對所有的區域進行保護。其目的是要求采用必要的預防措施，以確保動力裝置安裝的各部件功能安全正常。

2 增壓艙設備系統的適航要求分析

非包容轉子碎片飛出后有可能還會擊中一些安裝在增壓艙內部的一些關鍵系統部件，如液壓系統、飛機操控系統，這些系統的安全也直接影響著飛機的安全飛行。因此，對增壓艙系統安全的適航條款進行分析。

2.1 條款內容

（1）CCAR25.1309（a）凡航空器適航標準對其功能有要求的設備、系統及安裝，其設計必須保證在各種可預期的運行條件下能完成預定功能[1]。

（2）CCAR25.1309（b）飛機系統與有關部件的設計，在單獨考慮以及與其他系統一同考慮的情況下，必須符合下列規定：

①發生任何妨礙飛機繼續安全飛行與著陸的失效狀態的概率為極不可能；

②發生任何降低飛機能力或機組處理不利運行條件能力的其他失效狀態的概率為不可能[1]。

（3）CCAR25.1309 （d）必須通過分析，必要時通過適當的地面、飛行或模擬器試驗，來表明符合本條（b）的規定。這種分析必須考慮下列情況：

①可能的失效模式，包括外界原因造成的故障和損壞；

②多重失效和失效未被檢測出的概率；

③在各個飛行階段和各種運行條件下，對飛機和乘員造成的后果；

④對機組的警告信號，所需的糾正動作，以及對故障的檢測能力。

2.2 條款的技術解釋

（1）25.1309（a）中的“各種可預期的運行條件”是指飛機可預期的所有運行條件，例如：高度條件、環境溫度條件、飛行包線以及各種氣象條件等。

（2）CCAR25.1309（b）是根據各種失效狀態概率以及嚴重性之間存在合理而可接受的反比關系提出的總的要求。FAA提出飛機系統及相關部件的設計，在考慮單獨設計及與其他系統相關聯設計時，必須滿足以下規定：

①每種災難性失效狀態不可且不能由單個失效導致；

②每種危險性失效狀態是極其微小的；

③重大性的失效狀態是絕對不可能發生的。

（3）25.1309（d）規定在使用分析方法時，應采用適當的飛行、模擬器或地面試驗驗證各種失效狀態概率以及嚴重性之間存在合理而可接受的反比關系。若是災難性失效狀態無需試驗來驗證。該條款是為了保障有序且充分地對可見失效或其他事件對安全性的影響而提出的。

3 增壓艙釋壓的適航要求分析

非包容轉子碎片擊破飛機蒙皮結構后，增壓艙則會發生快速釋壓現象。飛機釋壓導致客艙內空氣不足而威脅飛行人員的生理健康，因此，對有關增壓艙釋壓方面的適航條款進行分析。

3.1 條款內容

CCAR25.841（a） 載人增壓艙和隔艙必須有裝備為飛機在最大使用高度的正常運行條件下保持不超過8 000英尺的座艙壓力高度。

如申請25 000英尺以上的運行合格審定，飛機的設計必須使得在增壓系統發生任何可能的失效情況后，乘員不會暴露于超過15 000英尺的座艙壓力高度。

CCAR25.841（2）：飛機必須設計成在發生任何未經表明是極不可能的失效情況而導致釋壓后不會使乘員經受超出下列座艙壓力高度：

（1） 7 620 m（25 000 英尺），超過2min；或

（2） 12 192 m（40 000 英尺），任何時段。

CCAR25.841（a）（3）：在評估座艙釋壓情況時應考慮機身結構、發動機和系統的失效[1]。

3.2 條款的技術解釋

CCAR25.841（a）（2）：人可以承受的最大大氣壓力極限為海拔高度4 500 m，若在一定時間內，人所承受的壓力超過該海拔高度，這會對人生理上造成傷害，甚至會出現生命危險。因此，本條（a）款要求飛機在正常運行時，增壓座艙壓力高度不應高于7 620 m超過2 min，或者任何時段座艙壓力高度都不能超過12 192 m。（a）（2）中要求在所有能夠引起增壓客艙釋壓的故障中，對故障發生概率在1×10-9以上的情況進行釋壓分析，故障包括發動機非包容轉子爆破、輪胎爆裂等。在應急下降分析時，不僅要考慮動力損失，還要考慮發動機損壞造成的其他影響，如供氣量減少和發動機液壓動力的丟失。

4 有關非包容轉子和增壓艙的咨詢通告的分析

由于非包容轉子爆破的事故原因很多，所以對所有失效的可能的預防很難，同時也很難對所有的區域進行防護。適航規章33部中33.75b中要求不能出現轉子爆破碎片擊穿機匣的事故，但由于當前制造和材料本身等原因，以及發動機轉子葉片長期在惡劣環境下工作，使得發動機葉片斷裂和老化問題不可避免。法規中規定，必須采取設計預防措施，使得非包容爆破事故對飛機的危害降至最低[2]。但飛機的結構非常復雜且部件較多，因此適航規章中要求對飛機的重要部件要進行隔離、防護或者備份處理。

咨詢通告AC20-128A對于小碎片的要求：小碎片的尺寸大小為轉子葉片末端的一半[2]。根據維修經驗，只有少數的非包容小碎片能夠擊穿增壓艙蒙皮，大多數小碎片都不能穿透增壓艙。對要防護的部件和系統，首先要對小碎片能夠影響的區域進行安全性分析，根據分析的結果進行相應的防護。

AC20-128A中對增壓艙的要求：對于申請需要在41 000英尺以上高空飛行的飛機，發動機應布置在增壓艙不會受到非包容性碎片影響的位置。或者能夠表明，由碎片造成最大洞口尺寸所造成的快速泄壓率和相關艙的壓力泄漏率能夠滿足緊急降落，其間不能讓機組人員和乘客失去工作能力，機組人員啟動緊急降落系統的反應時間為17 s。

咨詢通告AC25-20中要求[3]：發動機轉子爆破、發動機風扇失效爆裂、非包容發動機葉片失效等離散源對壓力容器（增壓座艙）的損傷，應通過分析證明對增壓的影響。基于使用經驗，應考慮發動機在巡航高度推力完全喪失下，飛機的釋壓相關情況。

咨詢通告AC25-20在釋壓后應急下降中指出[3]：飛機增壓客艙開始釋壓和飛機開始應急下降之間有一段機組人員的反應時間，該反應時間主要分為機組人員意識到釋壓時間和氧氣面罩插管的時間。根據飛機機組人員在應急狀態下的模擬時間的平均值為17 s，這17 s時間代表了75%的機組人員反應時間；而飛機在安裝面罩的5 s內開始應急下降。也就是說，飛機從釋壓起到飛機開始應急下降的時間需要22 s。

5 結語

通過分析適航條款和相關咨詢通告，結果如下：

（1）對于申請需要在41 000英尺以上高空飛行的飛機，發動機應布置在增壓艙不會受到非包容性碎片影響的位置。或者能夠表明，由碎片造成最大洞口尺寸所造成的快速釋壓率和相關艙的壓力釋壓率能夠滿足緊急降落，其間不能讓機組人員和乘客失去工作能力。

（2）CCAR25.841中要求飛機釋壓后，座艙壓力高度大于7 620 m時不能超過2 min。

（3）飛行駕駛人員的反應時間分為：17 s的機組人員意識到釋壓時間和5 s的氧氣面罩插管的時間，即飛機從釋壓開始到飛機正式應急下降的時間需要22 s的反應時間。

參考文獻

[1] 中國民用航空總局.運輸類飛機適航標準CCAR-25-R3 中國民用航空規章第25部[S].北京：中國民用航空總局，2001.

[2] 美國聯邦航空管理局.AC20-128A[S].華盛頓：美國聯邦航空管理局，1997.

[3] 美國聯邦航空管理局.AC25-20A[S].華盛頓：美國聯邦航空管理局，1996.