民用支線飛機輔助動力裝置的適航要求分析

鮑夢瑤，李 果，徐 亮

(1.中國民航管理干部學院航空器適航審定系，北京100102；2.國際民航組織航行局運行安全科適航室，蒙特利爾H3C5H7；3.北京航空航天大學飛機/發動機綜合系統安全性北京市重點實驗室，北京100191；4.中國航空工業集團公司金城南京機電液壓工程研究中心，江蘇211106)

1 引言

輔助動力裝置(APU)是安裝在飛機上的一套不依賴機外任何能源、自成體系的小型發動機，其具有壓氣機、燃燒室、渦輪和控制等系統，且大都是從燃氣渦輪發動機直接衍生發展而來[1-3]。APU作為飛機輔助動力系統中最為核心的子系統，其進排氣裝置、發動機起動裝置、控制子系統及安裝子系統是圍繞APU建立并服務的。目前，面對我國MA700、C919和蛟龍600等民用飛機的適航取證及未來市場壓力，適航審定部門及工業部門按照國際和國內的適航標準，從APU的初始設計到組裝生產實施全過程的質量監控；同時，從方案制定開始，適航標準應貫穿到設計、工程、驗收和產業化等各個階段。

現階段我國輔助動力裝置的中國民用航空技術標準規定CTSO-C77b[4]及運輸類飛機適航規章CCAR-25-R4[5]，基本上是依據美國聯邦航空局(FAA)的技術標準規定 TSO-C77b[6]及 FAR-25[7]制定。但我國適航規章制定與美方適航規章制定航空技術和產品融合發展的歷程不同，我國CTSO-C77b和CCAR-25-R4很大程度上直接借鑒了美方適航規章和技術標準，缺少先期對于規章所覆蓋技術的專門性、系統性研究，且缺乏經歷與工業實踐融合的過程。這種現狀導致各方在研究條款的符合性方法和驗證項目上存在資料缺乏、基礎薄弱的問題，這也是制約順利取證的關鍵。

基于此，本文從上述問題出發，針對輔助動力裝置的CTSO-C77b追溯產生及衍變歷史，并根據條款內容和技術特點對條款分類；并在此基礎上，通過對比分析FAR-33/CCAR-33R2與CTSO-C77b條款要求的關聯性，提出一種借鑒FAR-33/CCAR-33R2技術資料及相關研究成果來分析APU輔助動力裝置的適航要求的方法，并對代表性適航條款進行實例分析，研究結果對我國輔助動力裝置適航體系建設提供一定的依據和參考。

2 APU適航要求的確定

在民用飛機的適航要求下，輔助動力裝置有著專門的技術標準規定CTSO-C77b[4]。該技術標準規定適用于燃氣渦輪輔助動力裝置申請技術標準規定項目批準書(CTSOA)，規定了APU為獲得適航批準和使用適用的最低性能標準，即主要對APU系統的適航要求做出了明確的規定。

此外，由于APU屬于航空器的子系統且需考慮其對航空器本身的影響，故APU同樣受到更高層級(飛機級)的CCAR-25-R4[5]的約束。如：CCAR-25-R4“G分部：使用限制和資料”中第25.1522“輔助動力裝置限制”條款，其原文要求是“如果飛機上裝有輔助動力裝置，必須將為輔助動力裝置制定的各項限制，包括使用類別，規定為飛機的使用限制”。對于該條款，要求輔助動力裝置的限制應包含在飛機使用限制中，而對輔助動力裝置本身未涉及具體技術要求。再如：“C分部：結構”中第25.363“發動機和輔助動力裝置支架的側向載荷”條款，其原文要求是“(a)發動機和輔助動力裝置支架及其支承結構必須按橫向限制載荷系數(作為作用在發動機和輔助動力裝置支架上的側向載荷)進行設計，此系數至少等于由偏航情況得到的最大載荷系數，但不小于下列數值：(1)1.33；(2)第 25.333(b)條所述的飛行情況A的限制載荷系數的三分之一”。對于該條款，其明確給出了輔助動力裝置支架及其支承結構在設計中應考慮的所受載荷系數值，同樣對輔助動力裝置本身未涉及具體技術要求。可見，CCAR-25-R4部中有關APU的要求往往與飛機級的要求結合在一起，在具體要求的描述中并不是以APU為重點，而主要是飛機對輔助動力裝置的限制和安裝方面的規定。因此，本文主要圍繞CT?SO-C77b開展其適航要求和條款的研究。

3 CTSO-C77b的歷史衍變

如前所述，由于我國的CTSO-C77b很大程度上直接借鑒FAA的TSO-C77b，故對我國CTSO-C77b歷史衍變的分析，可通過梳理美國TSO-C77b的歷史衍變并結合美軍標中的APU要求進行。

FAA為簡化審定流程和要求，在20世紀80年代末徹底取消技術標準規定的總綱性文件FAR-37，改為采用專業技術協會的標準作為技術要求。由于APU是一種重要的機載設備，FAA一直為其單獨頒布技術標準規定TSO-C77，自1963年5月發布TSO-C77以來共修訂過2次，即1981年7月發布的TSO-C77a及2000年12月發布的TSO-C77b，現行有效版本為b版。兩次修訂的歷史背景主要是由于APU技術的發展帶來的APU標準的不斷修訂，展開而言：

第一階段：在20世紀50、60年代，APU結構簡單，作用單一，主要是軸功率輸出型APU在軍用飛機上得到廣泛采用，與之對應的MIL-P-8686《飛機輔助動力裝置通用規范》[8]的要求也比較少[1]。同時，對于民用飛機主要采用壓縮空氣輸出型APU，該階段APU的特點是：APU壓比小于4，渦輪前溫度為1 100～1 150 K，采用機械液壓式燃油控制器，功率在200 kW左右。所以，隨后產生的TSO-C77標準中的適航要求也比較簡單。

第二階段：20世紀80年代，由于壓縮空氣輸出型APU安裝位置靈活，有利于飛機系統布局，并能提供氣、電等多種能源，壓縮空氣輸出型APU成為主要發展方向，所以美國海軍和空軍分別相應地制定出了更為全面詳細要求的MIL-P-85573《飛機輔助動力裝置通用規范》[9]和MIL-A-87229《機載輔助動力裝置通用規范》[10]，且美國汽車工程師協會(SAE)以美國Garrett公司的安裝手冊為藍本，制定出了AIR 4204《飛機輔助動力裝置安裝設計指南》[1，11]。同時，由于燃料價格飛漲，要求壓縮空氣輸出型APU向提高性能方向發展，在降低單位燃油消耗率的同時減少APU體積和質量。在這種背景下，FAA發布了TSO-C77a，修訂對該型APU的最低性能標準以滿足適航要求。

第三階段：20世紀90年代末，為適應電傳操縱對不間斷提供輔助能源的要求，在軍用戰斗機上APU開始與應急動力裝置(EPU)進行組合和綜合。同時，為降低使用費用，更加注重提高APU的可靠性，相繼出現了一些壓比、渦輪前溫度和使用高度更高的APU新產品。因此，對APU需求的增加促進了APU技術的發展，也帶動了FAA針對新的APU技術和更高的安全性要求對TSO-C77a進行修訂并最終發布了TSO-C77b。

隨著我國軍民用飛機對APU需求的增加，APU標準的制定也日益迫切。為此，我國以MIL-P-85573為藍本，參考TSO-C77a中的部分內容，制定了HB 7114-94《飛機燃氣渦輪輔助動力裝置通用規范》[12]，并以AIR 4204《飛機輔助動力裝置安裝設計指南》為藍本制定了HB/Z 312-98《飛機輔助動力裝置安裝設計指南》[13]。同時，在借鑒并翻譯TSO-C77b的基礎上，于2014年5月30日批準形成我國的CTSO-C77b。所以我國CTSO-C77b很大程度上直接借鑒了美方適航規章和技術標準，沒有經歷與工業實踐融合的過程。

4 APU適航條款在CTSO-C77b中的分類要求

CTSO-C77b給出了輔助動力裝置詳細的適航條款要求，并包含了對進排氣裝置、發動機起動裝置、控制子系統的規定。其中，CTSO-C77b的附錄1中明確了APU的最低性能指標，并分為總則、所有APU的設計和構造、所有APU的型號驗證、I類APU的附加要求4個大類；此外，包含附錄附加要求的為I類APU，不包含附錄附加要求的為II類APU，如表1所示。

表1 CTSO-C77b中的APU條款分類Table 1 The classification of APU provision in CTSO-C77b

需要指出：由于CTSO-C77b涉及到輔助動力系統相關的各類技術問題，如果按照技術標準原文分類，較不便于綜合分析研究。如：條款6.1“總則”僅是說明“所有APU的型號驗證”部分要求適用于I類APU和II類APU，所以本文按照各條款的內容和技術特點重新進行分類。其中，將如條款6.1這類描述性條款和通用條款歸為“一般性要求”或“手冊和文件類要求”，如表2所示，并按表中分類對部分條款進行初步研究和解讀。

5 APU適航條款的技術內涵研究方法

如上所述，我國的CTSO-C77b基本依據FAA的TSO-C77b制定，雖然FAA針對APU的技術標準規定進行了兩次修訂，但對上述修訂背后的具體技術內涵沒有相關公開可查詢的咨詢通告(AC)或解釋說明性文件。傳統的中美適航規章對比分析研究，通常基于條款和咨詢通告的解讀。但由于TSO-C77b現狀和上述特點，直接分析其條款背后的技術內涵存在一定困難。

值得注意的是，輔助動力系統的核心是APU，其他4個子系統(進排氣裝置、發動機起動裝置、控制子系統及安裝子系統)是圍繞其服務的，而輔助動力裝置從本質上來說可看成航空渦輪發動機的改進或改型。由此說明，該輔助動力裝置在設計和符合性說明及驗證時，可嘗試借鑒航空發動機適航規章FAR-33/CCAR-33R2[14-15]的條款要求。對此，特將FAR-33/CCAR-33R2條款與CTSO-C77b條款進行了對比，如表3所示。可見，除“一般性要求”和“手冊和文件類要求”的相關條款(表中以刪除線表示)這類本身并無特別技術內涵的敘述類條款外，絕大多數條款具有一一對應或關聯的性質。

表2 以技術和內容特點為基礎的CTSO-C77b適航條款分類Table 2 The classification of airworthiness provision in CTSO-C77b based on technical and content characteristics

此外，從內容上看，FAR-33/CCAR-33R2條款的要求和技術內涵要高于CTSO-C77b條款要求，選擇CTSO-C77b部第5.11條“壽命限制”和CCAR-33R2中第33.70條“發動機限壽件”進行典型適航條款要求的關聯性對比，如表4所示。可見，嘗試借鑒FAR-33/CCAR-33R2條款的技術內涵分析輔助動力系統的適航條款基本合理可行，并可保證分析的充分性。

表3 CTSO-C77b與FAR-33/CCAR-33R2適航條款的關聯性Table 3 The relevance of airworthiness provision between CTSO-C77b and FAR-33/CCAR-33R2

表4 CTSO-C77b部和CCAR-33R2部中典型適航條款要求的關聯性對比(壽命限制/發動機限壽件)Table 4 The relevance of typical airworthiness provision between CTSO-C77b and CCAR-33R2(Life limitations/Engine life-limited parts)

6 結論

本文針對民用支線飛機輔助動力裝置適航條款CTSO-C77b開展初步研究。首先從輔助動力裝置在航空器系統中的層級出發，結合FAA TSO-C77b分析其產生和衍變歷史；然后根據條款內容和技術特點對條款重新分類。在上述基礎上，通過對比分析FAR-33/CCAR-33R2與CTSO-C77b條款要求的關聯性，提出可以借鑒航空發動機適航規章的技術資料及相關研究成果來分析研究APU輔助動力裝置的適航要求，并對以“CTSO-C77b：第5.11條壽命限制”為代表的典型條款進行實例分析。主要結論可概括如下：

(1)輔助動力裝置適航條款研究的重點是CTSO-C77b，而難點在于我國直接借鑒美方技術標準，缺乏與工業實踐的融合和經驗積累。

(2)按照CTSO-C77b內容和技術特點的條款重新分類方法，便于條款的技術解讀及分析工作。

(3)FAR-33/CCAR-33R2條款與CTSO-C77b條款存在對應或關聯關系，且FAR-33/CCAR-33R2條款的要求和技術內涵要高于CTSO-C77b條款，借鑒FAR-33/CCAR-33R2條款的技術內涵有助于合理分析輔助動力系統的適航條款，也可在一定程度上保證分析的充分性。

[1]金中平.輔助動力裝置及其標準發展綜述[J].航空標準化與質量，1998，(4)：19—22.

[2]李東杰.輔助動力裝置的應用現狀和發展趨勢[J].航空科學技術，2012，(6)：7—10.

[3]李永佳，黃大鵬，宮新華.燃氣渦輪輔助動力裝置的適航管理初探[J].科技創新與應用，2014，(5)：15—16.

[4]CTSO-C77b-2014，燃氣渦輪輔助動力裝置(APU)[S].

[5]CCAR-25-R4-2011，運輸類飛機適航標準[S].

[6]TSO-C77b-2000，燃氣渦輪輔助動力裝置[S].

[7]FAR-25-2016，運輸類飛機適航標準[S].

[8]MIL-P-8686-1995，飛機輔助動力裝置通用規范[S].

[9]MIL-P-85573-1983，飛機輔助動力裝置通用規范[S].

[10]MIL-A-87229-1985，機載輔助動力裝置通用規范[S].

[11]AIR 4204-1991，飛機輔助動力裝置安裝設計指南[S].

[12]HB 7114-94-1994，飛機燃氣渦輪輔助動力裝置通用規范[S].

[13]HB/Z 312-98-1998，飛機輔助動力裝置安裝設計指南[S].

[14]FAR-33-2015，航空發動機適航規定[S].