航空發動機吞鳥與鳥撞飛機適航通用分析方法

羅 剛，張海洋，吳春波，陳 偉，丁振東

（1.南京航空航天大學能源與動力學院，南京210016；2.中國航發沈陽發動機研究所遼寧省航空發動機沖擊動力學重點實驗室，沈陽110015）

0 引言

航空發動機吞鳥和飛機遭遇鳥撞擊極易導致嚴重事故，引發公眾對航空安全的高度關注[1-3]。世界各航空大國均針對發動機吞鳥和鳥撞飛機問題制訂了適航規章，規定了發動機和飛機在遭遇鳥的吸入或撞擊后必須具備的基本安全性能和工作能力，同時也以明確或潛在的方式規定了考核發動機或飛機具備上述能力所必須開展的設計、分析、考核、驗證等的流程、方法和設備技術要求[4-6]。目前，強制貫徹相應適航規章要求及其背后隱藏的符合性設計與驗證技術方法已成為保障航空安全和公共利益的主要措施，也是各類先進航空器裝備市場準入的主要手段[7]。

發動機吞鳥和鳥撞飛機的危害性究其本質，是鳥體與發動機部件/飛機部件間高速相對作用所帶來的機械損傷及其衍生的安全性問題[8-9]，鑒于發動機吞鳥和鳥撞飛機具有一定類似性，國外以美、歐為代表，依托美國聯邦航空局（Federal Aviation Administration，FAA）、美國國家交通安全局（National Transportation Safety Board，NTSB）、國際鳥撞委員會（International Bird Impact Committee，IBSC）、歐洲航空安全局（European Aviation Safety Agency，EASA）等部門和機構，對發動機吞鳥和鳥撞飛機開展了系統的事故調查、調研分析、數值模擬與試驗驗證，以及部件、組件和整機的適航符合性設計與驗證等大量工作[10-16]。國內目前主要針對各自領域的適航符合性方法開展了初步研究[17-20]，在規章制定、調研分析、驗證工作等方面，需要掌握相關適航規章的內涵和外延，才能為進一步發展相應的適航符合性設計與驗證工作奠定基礎。

本文針對現行有效的適航規章第14部（14 Code of Federal Regulation，14 CFR）CFR 的 Part 25/Part33中與發動機吞鳥和鳥撞飛機有關的內容，分析了相關規章產生的背景、來源、歷史沿革、發展軌跡、重點涵蓋內容等，掌握了相應規章的內涵和外延，梳理了相應技術體系與設備技術要求，提出了可借鑒的通用適航符合性分析方法與流程。

2 規章歷史沿革與內容分析

2.1 規章歷史沿革

Part25與Part33是美國FAA頒布的有關飛機和發動機的現行有效適航規章，通過梳理美國CFR規章的歷史沿革，可以清晰地把握規章的發展背景和技術要求，上述相應規章的歷史發展沿革如圖1所示。

在鳥撞飛機的適航規章方面，早在1952年美國民航局（Civil Aviation Bureau，CAB）頒布的民用航空規章（Civil Aviation Regulation，CAR）CAR 4b.612就規定了空速管系統規避鳥撞的要求[21]，1953年，CAR 4b.352中規定了飛機風擋和支撐必須承受海平面飛行速度下1.8kg鳥的撞擊[22]，FAA從1964年起陸續將CAR 轉變為 CFR，Part25.571[23]、Part25.775[24]分別對飛機的結構疲勞、鳥撞風擋做出了規定，繼承了CAR 4b.352的要求；Part25.1323[25]繼承了CAR 4b.612的規定；1962年，子爵號飛機在飛行中遭遇小天鵝撞擊而失事[26]，隨后Amdt25-23[27]新增了25.631尾翼鳥撞評估內容，Amdt25-45[28]針對鳥撞后飛機的總體結構和損傷容限進行了規定，Amdt25-72[29]新增了驗證時需滿足海平面至海拔高度約2438m條件下V c撞擊速度的要求；Amdt25-96進行了撞擊速度要求的補充說明[30]。

發動機吞鳥的適航規章制定的時間稍晚于鳥撞飛機規章。1960年，美國東方航空公司Electra L188型渦輪螺旋槳客機波士頓吞鳥事故[31]引發了對于航空發動機吞鳥適航管理問題的關注；1965年FAA頒布了專門針對航空發動機吞鳥適航的規章Part33.13/19[32]，首次強制規定了民用航空發動機必須通過吞鳥符合性驗證；1968年的AC33-1A[33]提高了吞鳥驗證時采用的大鳥的質量標準，將其質量上限提升為2.27kg磅；Part33.77 Amdt33-6[34]進一步規范了吞鳥適航驗證時采用的鳥的質量和數量；Amdt33-20[35]要求根據發動機迎風面積等參數開展發動機吸群鳥驗證試驗；Amdt33-23/24[36]進一步提升了發動機吞鳥后的性能要求，并增加了吸入大型群鳥的驗證內容；2009年的AC33.76-1A[37]更加重視分析/計算與試驗驗證相結合的符合性驗證方法。

從圖1中可見，無論是Part25還是Part33，從問世起就處在不斷的動態調整中，Part25在46年內總共升級調整了7次，Part33在44年內同樣升級調整了7次，每次的升級和調整都進一步提升了相應的技術指標，或者對符合性驗證的技術要求進行了進一步說明。從規章的歷史發展沿革中可以發現，雖然由于早期受技術條件限制，FAA對于航空事故原因調查時間較長，但一定會有最終確認的調查結果，且調查結果深度推動了適航規章的發展，FAA分別經過8年和5年的調查分析，在管控相應事故原因基礎上，創新性地提出了Part25.631、Part33.13/19；Part25最近更新的時間是1998年，Part33最近更新時間是2009年，近年來，Part33的更新頻率比Part25的快，這也從側面說明了目前航空發動機吞鳥對航空安全帶來的威脅與挑戰要高于鳥撞飛機的情況。

2.2 規章內容

Part33中有2條與發動機吞鳥相關的規章，分別從吞鳥后限制出現的發動機故障（33.75）和吞鳥適航取證的具體規定（33.76）2個方面給出了發動機吞鳥的適航符合性要求，分別規定了發動機吸入大鳥和中鳥后不得出現具有危害性的發動機故障，以及取證時不同發動機迎風面積要求吸入的鳥的數量、質量及試驗流程的具體要求。具體內容對比見表1。

從表中可見，發動機吞鳥與鳥撞飛機適航符合性驗證所需要的鳥的質量上限基本相同，但驗證時對投鳥速度有各自特定的要求，投鳥的數量、形式、撞擊部位與飛機和發動機的工作特點密切相關，在適航驗證的具體要求中均考慮了部件、組件、整機的性能、結構安全和損傷容限。從規章發展沿革可見，國外業界對鳥撞飛機的認識較早，相應的規范要求制訂時間也較早，對于發動機吞鳥的認識時間跨度較短，但是對發動機吞鳥的危害性認識較為深刻，對發動機吞鳥適航驗證的具體要求十分詳細。無論是Part25還是Part33，都結合了規章起源、事故調查、數據資料升級等大量工作，使得相應的規章不斷保證航空安全。

從條款對比也可見，航空發動機吞鳥的設計和驗證要求的復雜程度要超過鳥撞飛機的情況，主要表現在：（1）航空發動機吞鳥試驗設備需要具備涵蓋發射14個質量等級彈丸的能力，而飛機鳥撞試驗只要求發射2個質量等級的彈丸；此外，航空發動機吞鳥適航驗證早期分析時彈丸投射的相對速度可能達到350m/s以上的水平，遠超飛機鳥撞分析與試驗時的相對速度范圍，因此，發動機吞鳥驗證設備設計與分析技術要求較高；（2）發動機吞鳥試驗需要在極短時間內按約定順序發射多個彈丸，而飛機鳥撞試驗只需要單發發射，因此吞鳥試驗驗證還有額外的對鳥體數量和發射順序的控制要求；（3）發動機吞鳥試驗最大的特點是需要沖擊旋轉葉片，而飛行器鳥撞試驗只需要撞擊固定標靶，旋轉試驗中的彈丸落點控制難度遠超固定打靶。上述差別也對航空發動機吞鳥適航符合性設計與驗證提出了更高的技術要求。

3 規章內涵與外延分析

3.1 公眾安全需求

Part25中有關鳥撞飛機的4個規章設置的主要目的是保證飛機在一定飛行速度下遭遇一定質量的鳥撞擊后，必須保證主體結構、風擋、尾翼、控制系統和測量系統具有最低安全性；Part33中有關發動機吞鳥的2個規章的主要目的是保證發動機在一定工作狀態下吸入不同質量和數量的鳥類后，必須保證最低的工作性能和結構安全性。其規章設計的核心是通過強制的指標要求和驗證手段保障飛行器和發動機的安全工作，使得乘坐、使用相應飛行器和發動機的公眾航空安全得到根本保障，維護公眾的生命安全和財產利益。因此，維護航空活動中的公眾利益是Part25和Part33相關規章訂立的歷史背景和根本需求，這也促使了適航管理部門采用類似的手段不斷建立規章基礎、提升技術指標和驗證要求，并通過AC通告、AMDT修正案等不斷升級規章，持續保護公眾的安全和利益，久而久之，這也成為成熟航空器和發動機產品進行市場準入管理的有效嘗試。

Part25和Part33有關規章的升級過程也印證了規章保護公眾利益需求的發展過程，由于航空事故極易造成重大人員財產損失，嚴重威脅了公眾利益，因此一旦發生事故，管理調查部門一定會進行詳盡的原因調查，從而不斷發現和填補強制規章中的漏洞，使得航空變得越來越安全，歷史上的幾次著名的航空事故均促成了相應適航規章的重要升級。保障航空安全和公眾利益，建立完善的規章建立、事故調查、使用數據反饋、咨詢通告、頒布修正案、強制準入等措施和體系，是CFR規章對國內相關適航工作的重要啟示，根據國外先進經驗，提出了中國CCAR25和CCAR33的鳥撞和吞鳥適航規章建立、升級與貫徹流程建議，如圖2所示。

圖2 吞鳥/鳥撞規章制定、升級與貫徹閉環流程

3.2 相同的故障本質和類似的故障模式

Part33涉及的發動機吞鳥及Part25所涉及的鳥撞飛機，其故障的本質是鳥體與發動機/飛機部件間高速相對運動而在發動機/飛機結構中產生的突加高能載荷分布、作用和傳遞導致的機械損傷，以及由上述機械損傷進一步衍生出的疲勞與損傷容限能力下降，機械組件結構失穩，部件或組件氣動性能惡化等二次損傷。相應的評估工作、涉及的發動機/飛機部件及對應的適航規章如圖3所示。

圖3 Part25和Part33涉及的部件及評估要求

從鳥撞引起機械損傷的機理角度而言，由于相對高速運動的鳥體撞擊目標后極短時間內減速流變，導致鳥體內產生激波后壓力作用于結構表面形成瞬間高壓載荷，當此載荷在結構中引發的動態響應超出了結構或材料的承受能力時，便會導致結構的彎曲、斷裂、撕裂、變形等機械損傷。無論鳥撞擊機頭、機身、機翼、尾翼或其他飛機部件，還是發動機吞鳥后鳥體撞擊帽罩、風扇葉片、支板等發動機部件，其鳥撞擊損傷的機理、過程和失效模式是相同的，因此其分析與驗證方法也是類似的，均須掌握鳥、金屬材料、復合材料等動態力學性能參數和高應變率下的本構模型，鳥撞擊單/多個靜止和旋轉部件的數值模擬技術以及鳥撞擊試驗技術。

從鳥吸入和撞擊導致的結構安全性分析角度而言，由于吞鳥和鳥撞擊損傷的根源在于鳥體與構件高速相對作用過程中產生的突加高能載荷的分布、作用與傳遞，因此，在Part25和Part33中涉及的疲勞壽命、損傷容限、結構安全及其評估等驗證工作必須掌握突加高能載荷在機械結構中的產生、分布與傳播規律，并針對不同的工作情況開展安全性評估，Part25與Part33在此方面的分析與驗證方法也是類似的，必須掌握復雜機械結構載荷傳遞的建模與數值分析方法、FMECA危害性分析方法及機械組件結構沖擊試驗與測試技術。

由于Part25和Part33中均提到了鳥撞和吞鳥后的飛行工作能力和總體性能，從鳥撞擊和吸入導致的氣動性能惡化角度分析，飛行器和發動機性能惡化的原因是鳥撞擊導致部件氣動構型變化，破壞了原先的氣動型面，導致流動效率降低、氣流分離、氣動阻力增加等問題，此外，由于撞擊破壞了原有的流固耦合平衡狀態，部件在復雜氣流的作用下可能發生顫振等問題，導致結構失穩或破壞，嚴重影響性能，因此，Part25和Part33要求在氣動性能分析方面也可采用通用的分析方法，即必須掌握變形表面的氣動性能分析方法和流固耦合分析方法。

3.3 通用的特種試驗設備和試驗方法

在Part25和Part33中均規定要對飛機部件和發動機部件/整機開展鳥撞和吞鳥試驗，以驗證其在遭遇鳥撞或吞鳥后保證基本安全性的能力，由于鳥和飛機/發動機間相互作用帶來的沖擊動力學分析和驗證需求表明二者的驗證手段有較大共通之處，雖然飛機和發動機具有不同的工作特點，所采用的關鍵技術設備和關鍵試驗方法存在一定的差別，但是在早期設計驗證或零部件級的設計和驗證工作中，仍可以采用大量的通用特種試驗設備與試驗方法。

目前，空氣炮沖擊試驗是世界上主流的鳥撞/吞鳥的試驗驗證方法，從表1中可見，發動機吞鳥試驗的復雜程度要高于鳥撞飛機試驗的復雜程度，主要體現在彈丸投射質量分布、數量和投射方式上，但上述復雜性僅限于最后的組件與整機吞鳥適航驗證，根據上述分析，從最初的材料力學性能試驗到零部件的沖擊試驗，Part25和Part33規定可采用基本類似的特種試驗設備與試驗方法，見表2、3。

表2 Part25和Part33需要開展的通用試驗

表3 關鍵試驗設備、試驗方法及功能

4 通用的適航符合性設計方法及流程

在審查過程中，為向適航管理當局表明發動機和飛機產品符合適航規章的要求，需要采取不同方法或多種方法組合，即向局方說明符合性驗證方法，或提供有說服力的驗證手段和結果。

常用的符合性驗證方法通過向適航管理當局提供相應的文件清單、技術說明書、計算報告、試驗報告、分析報告、現場檢查記錄等證明材料，分別根據需要驗證和說明的實際要求獲得應用，可以采用1種或幾種方法組合來驗證和說明是否符合適航規章的規定或技術要求。

根據對Part25和Part33規章的分析對比，考慮相應驗證方法所需要開展的工作和最終向局方提交的資料，將其反向映射到發動機和飛機產品的設計階段，提出1套通用的適航符合性設計方法，其流程如圖4所示。

圖4 通用的適航符合性設計流程

從圖中可見，根據技術性能指標要求進行關鍵部件如機頭、機翼、風扇/壓氣機葉片等的氣動型面設計，得到氣動外形后按結構強度和機械設計要求進行結構設計，形成具體部件的幾何模型后開展部件的適航性能預估，主要采用經空氣炮沖擊試驗驗證后的數值模擬方法結合適航規章中的“關鍵參數”分析方法進行規章中規定的部件強度性能評估，并對受撞擊后的變形部件開展氣動性能分析與校核，推算和評判受損件能否保證規章中規定的氣動性能，如受損變形風扇的推力、受損變形機翼的升力和氣動穩定性等，然后對含有多個部件的組件開展沖擊試驗，對組件進行抗沖擊強度校核，評估含有多個零部件的組件在遭遇鳥撞擊時的載荷分布、作用與傳遞導致的結構安全性影響，針對受撞擊件開展振動、疲勞等損傷容限試驗，判定其在相應的工作循環內是否符合損傷容限的要求，在上述評估基礎上，開展整機的性能與結構安全預估，在正式取證試驗前最終確定整機性能與結構安全是否符合規章需求，否則應回到相應的設計階段，在通過了真實件或整機鳥撞、吞鳥試驗后，運用相應的符合性驗證方法向適航管理局說明產品的適航性，最終通過產品使用反饋、事故調查、故障分析等手段建立使用數據庫，向適航管理局和設計單位提供使用數據和使用經驗，進而提升相應的考核技術指標，推動規章的升級，進一步保障航空安全和公共利益，為新一代產品的設計、改進、改型提供新一輪初始設計參數。

5 總結

本文對現行有效的Part33中有關發動機吞鳥和Part25中有關鳥撞飛機的適航驗證規章進行了歸納與分析，梳理了相關規章的發展歷史、實施范疇和實施重點，揭示了相關規章的設置目的、驗證方法、設備需求等關鍵技術問題，提出了通用的適航符合性分析方法與流程，總結如下：

（1）Part33和Part25的發展歷史高度相似，均采用了規章制定、事故調查、數據分析、咨詢通告、規章修正等手段不斷地提升技術水平和強制性要求，其實施范疇均高度集中于吸入/撞擊相關的零件、部件、組件、整機及其結構安全和損傷容限判定方法，其實施重點在于驗證發動機吞鳥后和飛機遭鳥撞后的性能保持與結構安全評估。

（2）公眾對航空安全的利益需求促使Part33和Part25中相關規章的制定背景、技術要求和升級方式具有高度的一致性。

（3）吞鳥/撞擊的損傷和故障模式決定了Part33和Part25所涉及的適航符合性設計與驗證方法具有高度的相似性。

（4）Part33和Part25中相關規章的驗證要求決定了發動機吞鳥和鳥撞飛機所需建設和發展的關鍵試驗設備與關鍵試驗方法具有一定的通用性和階段性，應在建設過程中予以考慮。

（5）提出了1套滿足Part33和Part25相應規章要求的通用適航符合性設計方法和流程，其核心內容包含初始設計、關鍵參數評估、零件/組件強度性能驗證、組件氣動性能驗證、組件結構安全性評估等環節。