民機燃油系統結冰威脅適航要求及符合性驗證試驗研究

劉春陽 李新

摘要：民用飛機燃油系統結冰威脅是型號設計審定過程中的重點和難點。通過分析適航局方及工業界對民用飛機燃油系統結冰威脅適航要求認知的變遷，嘗試給出一種合理的符合性驗證試驗方法，即獲得供油系統內的最大結冰量并驗證用戶系統（發動機/輔助動力裝置）對該最大結冰量瞬間脫落造成的推力損失的容忍度，并指出了符合性驗證活動中需要重點考慮的因素，為民用飛機申請型號合格證提供一定的適航技術支持。

關鍵詞：燃油系統；結冰威脅；適航；驗證試驗

0 引言

民用飛機燃油系統結冰威脅適航要求早在1974年即由美國聯邦航空局（FAA）提出，隨后適航局方及工業界便在型號合格審定過程中開始關注該適航要求的符合性方法。但是，早期普遍采用的符合性方法基于的假設之一是燃油中的水和冰晶總是均勻地分布在燃油中，忽視了冰晶在供油系統內壁面聚積，及其隨后由于可能的振動、溫升等因素造成瞬間脫落，并導致下游流道阻塞的不安全狀況，而這正是目前適航條款符合性研究的重中之重。目前，關于這種需考慮由冰在供油系統內壁積聚并瞬間脫落帶來的威脅的符合性驗證方法，在國內外適航指導文獻中均尚未給出明確的規范。本文將闡述民用飛機燃油系統結冰威脅適航要求的認知變遷，并嘗試對由供油系統內壁冰積聚并瞬間脫落造成威脅的驗證試驗方法提出合理的推薦及重點考慮因素。

1 適航要求變遷及解讀

FAA在早期調查多起因燃油系統部件結冰造成的非指令性燃油傳輸事件后（如單向閥等被冰卡在開位等），意識到有必要制定條款要求民用飛機燃油系統具備容忍含有一定量水的燃油的能力。因此，1974年10月31日，FAA對其14CFR25.951進行了第36修正案的修訂，增加了（c）款要求，即用于渦輪發動機的燃油系統在使用下述狀態的燃油時，必須能在其整個流量和壓力范圍內持續工作：燃油先在27℃（80T）時用水飽和，并且每10升燃油含有所添加的2毫升游離水（每1加侖含0.75毫升），然后冷卻到在運行中很可能遇到的最臨界結冰條件。該條款自1974年頒發至今保持有效且未再次修訂。在此條款修訂后相當長一段時間內，新申請的機型在表明該條款符合性時，通常采用的符合性方法包括：在發動機端設置燃油加溫器、在燃油中添加防冰添加劑、設計評估、將燃油系統部件與先前獲得型號合格證的機型進行相似性分析、審定試飛并結合計算分析以表明發動機和輔助動力系統的燃油系統內的燃油溫度不會長時間低于0℃，以及進行燃油系統部件結冰試驗或這些符合性方法的組合，所開展的符合性驗證試驗主要參照SAE ARP1401“飛機燃油系統和部件結冰試驗州”[1]，其基于的一個基本假設即是燃油中的水總是均勻分布的。在這一時期，適航局方及工業界也基本認為該符合性驗證方法是充分的。

2008年1月17日，一架安裝了羅羅公司RB211 Trent895-17型渦扇發動機的波音777-200型飛機在倫敦希斯羅機場著陸時沖出跑道而損毀，事故現場及起落架損傷情如圖1所示。對于此事件，英國空難調查處（AAIB）和美國國家運輸安全委員會（NTSB）對此事件展開了聯合調查。調查結果表明，該事件是由進近過程中燃油供油系統中的冰晶堵塞燃油濾網造成燃油流量降低進而導致雙發非指令性推力下降所致，同時反映出之前采用的適航符合性驗證方法并不能完全充分地表明不存在由燃油系統結冰引起的不安全狀態。隨后，AAIB和NTSB給出了一系列安全建議，要求對當時的適航審定要求進行重新評估以確保飛機和發動機供油系統均能夠容忍潛在的結冰和/或供油系統內突發的冰脫落[2]。與此同時，適航局方及工業界也認識到，除燃油中可能夾雜的冰晶外，可能影響正常供油功能的燃油管路內壁上積聚的危險量的冰的瞬間脫落才是更大的威脅和挑戰。因此，如何表明所評估機型在供油系統內壁上積聚最大量的冰以及瞬態冰脫落后的影響，成為了目前表明滿足25.951（c）款和25.952 （a）款適航要求的重點。

中國民用航空局（CAAC）規章體系建立較FAA晚，但對于燃油系統結冰威脅適航要求的認知變遷基本與FAA保持一致。前期，國內局方及工業界針對燃油系統結冰威脅方面的研究主要圍繞SAEARP1401“飛機燃油系統和部件結冰試驗”開展，如中國民用航空上海航空器適航審定中心主要起草的民航標準MH/T9004-2013“機燃油系統和部件結冰試驗”[3]等。目前，由于認知的變遷，各方均在重點圍繞瞬態冰脫落的情景開展試驗和驗證技術研究。

2 符合性驗證活動推薦

對于表明供油系統部件結冰符合性所采用的傳統符合性方法，如設計說明、計算分析、參照SAE AEP1401“飛機燃油系統和部件結冰試驗”開展實驗室試驗等，這些方法相對比較成熟，參考文獻及資料較多，本文不再贅述。以下將重點對供油系統內冰積聚及瞬間脫落的威脅進行符合性驗證活動闡述。

目前，針對25.951（c）款和25.952（a）款關于燃油供油系統內冰積聚并瞬態脫落的威脅，適航局方考慮的適航要求可表述如下。

飛機/發動機供油系統和飛機/APU供油系統均必須滿足：

·要么設計成能夠阻止在燃油箱內以及供油系統內的任何地方積聚的冰脫落進入發動機和APU供油系統；

·要么設計成在飛機/發動機運行包線內所有點上積聚的冰的脫落不會造成發動機推力/功率損失。

對于上文所提議的符合性方案，由于冰通常伴隨著燃油向下游流動，主機廠往往難以設計出既能阻止脫落冰進入用戶系統（發動機/APU）又能確保正常供油的供油系統方案。因此，通常主機廠將選擇通過表明用戶系統（發動機/APU）具備要求的燃油夾雜冰的容忍度來表明適航要求的符合性。以下給出通常推薦的試驗科目要素描述。

2.1 供油系統內最大結冰量試驗

1）試驗目的

獲得飛機供油系統內的最大結冰量，為用戶系統（發動機/APU）提供最嚴酷的瞬態冰脫落輸入。

2）試驗對象

飛機燃油系統，包含燃油箱、供油泵、供油管路、切斷閥、單向閥、接頭等所有不能表明對冰積聚無益的飛機燃油系統部件，不包含發動機和APU燃油系統。

3）試驗設施及程序

試驗設施可參考SAE ARP1401“飛機燃油系統和部件結冰試驗”給出的試驗平臺，試驗程序亦可在SAE ARP1401基礎上進行裁剪。需要注意的是，本試驗需在SAE ARP1401基礎上做必要的試驗條件更改，以便于觀察供油系統（管路）內的結冰情況，并測量最臨界試驗構型及條件設置情況下的最大結冰量。

4）試驗狀態及環境因素

影響試驗有效性的關鍵影響因素除上述試驗對象、試驗設施及程序外，還包括試驗燃油含水量、冷卻速率、燃油流速、試驗持續時間、燃油溫度、試驗燃油選取等[4]。為達到試驗目的，必須通過大量的文獻資料研究或工程試驗積累，將這些影響因素以最合理的方式組合，從而獲取驗證機型最可能遇到的最臨界的結冰量。

2.2 發動機/APU供油系統夾雜冰濃度容忍試驗

1）試驗目的

確認在2.1節所獲得的最大結冰量瞬間脫落并隨燃油進入發動機/APU燃油系統后不會造成發動機/APU的推力/功率損失。

2）試驗對象

被試系統及設備（發動機/APU）。

3）試驗設施

試驗臺架應具備向發動機/APU供油系統入口短時間內注入2.1節得出的最大結冰量當量的水且使得水在注入后的瞬間能夠冷卻結為冰晶的功能，此外，還應具備監測發動機/APU的推力/功率功能。

4）試驗程序

控制燃油溫度及環境溫度在最臨界溫度，將2.1節獲得的最大結冰量的冰換算成當量的含水量（水濃度），并以此作為試驗輸入，分別向發動機、APU的供油系統入口瞬間注入（注水時間由機型供油管路長度、供油流速確定）當量的水，監測發動機/APU的推力/功率波動情況。

5）試驗判據

試驗過程中發動機/APU推力/功率波動在可接受范圍內。

3 符合性驗證活動重點考慮

3.1 燃油臨界含水量

在開展2.1節試驗之前，必須首先確定臨界溫度下的臨界含水量（燃油臨界含水量），以確保2.1節驗證試驗獲得的最大結冰量為該型飛機燃油供油系統內可能積聚的最臨界結冰量。為此，主機廠往往需要結合燃油系統設計特征開展大量的分析與工程/驗證試驗，來獲得該機型可能存在的能夠造成供油系統內最大結冰量的臨界燃油含水量。

這里需要指出的是，25.951（c）款明確給出的燃油含水量[5]是通常情況下考慮工業界常規的飛機燃油除水、排水系統設計特征，未按照工業界燃油質量保證程序生產、運輸、存儲、加油等操作導致的燃油含水量。在規劃表明符合性試驗時，主機廠需通過分析及必要的試驗表明該含水量是否覆蓋其飛機型號燃油箱內可能的最大含水量（常溫狀態），如果已經覆蓋，則該含水量可作為研究本節提到的燃油臨界含水量的初始含水量。

3.2 冷卻速率

冷卻速率是25.951（c）條要求的過飽和水冷卻到臨界溫度過程中影響燃油臨界含水量的重要因素之一。SAEARP1401指出，在配置一定含水量的燃油（常溫過飽和燃油）通過熱交換器冷卻的過程中，冷卻介質與燃油之間的溫差一般不要超過13℃，否則將可能造成燃油中的水在熱交換器壁面上結冰[1]，影響燃油冷卻到最臨界結冰溫度時的非溶解水含水量，從而影響試驗結果。

此外，相同含水量配置的燃油（常溫過飽和燃油）通過不同的冷卻速率冷卻到最臨界結冰溫度時燃油中的非溶解水含水量也不相同，這將直接影響形成的最大結冰量，因此，這里推薦在驗證試驗時采取所驗證機型典型的冷卻速率。

3.3 燃油流速與試驗持續時間

燃油中的水在低溫環境下形成的冰晶隨燃油流經供油系統過程中，可能由于供油系統管路流道變化等影響在流道壁面積聚形成冰層，冰層厚度的增長造成的流道幾何形狀的變化反過來會影響局部的燃油流速。流動的燃油對壁面的冰積聚有一定的沖刷作用，不利于冰在流道壁面積聚，而這種對冰積聚的不利影響直接與燃油流速相關。當這種沖刷作用與冰積聚的粘滯作用達到平衡時，供油系統流道壁面上積聚的冰層的厚度將不再增長。

由此可見，燃油流速直接影響積聚冰層理論上能夠達到的最大厚度（假設試驗持續時間足夠長），而試驗持續時間則直接關系到所驗證機型實際能夠達到的冰層厚度（最大結冰量）。因此，2.1節試驗時推薦選取所驗證機型典型燃油流速與典型的低溫暴露時間（試驗持續時間）。

4 總結

現階段國際上尚無針對民用飛機燃油供油系統內冰積聚并瞬間脫落造成的威脅的符合性驗證試驗規范，國內主機廠也尚無符合性驗證試驗先例，主機廠需開展大量的理論研究、工程試驗來研究各項試驗影響因素的影響規律，從而確定合理的試驗方案。因此，本文在研究大量文獻資料的基礎上，闡述了適航要求的變遷，給出了推薦的試驗方法，在綜合分析的基礎上嘗試推薦了試驗中需要重點考慮的影響因素的選取，一定程度上為民機燃油系統結冰威脅適航驗證活動提供了適航技術支持。

參考文獻

[1]SAE ARP 1401 Aircraft FuelSystem and Component Icing Test[S]. SAE.

[2]Aircraft Accident Reportl/2010，Report on the accident to Boeing777-236ER， G-YMMM，at LondonHeathrow Airporton 17 January 2008[R].AAIB.

[3]中國民用航空上海航空器適航審定中心.飛機燃油系統和部件結冰試驗[S].MH/T 9004-2013.

[4] SAE AIR 790 Considerations onlceFormation in Aircraft Fuel Systems[S]. SAE.

[5]交通運輸部.《運輸類飛機適航標準》[S].北京：中華人民共和國交通運輸部令2016年第19號.