基于功能接口的直升機對渦軸發動機安全性指標要求分析

王 智

（中國直升機設計研究所，江西 景德鎮333001）

0 引言

作為直升機平臺安全性關鍵部件之一，民用渦軸發動機在批準裝直升機使用時，需要取得CCAR—33“航空發動機適航規定”。此種獨立取證方式固然便于實現發動機廠商在研制過程中對發動機進行相對獨立的技術管理、過程管控，但同時也帶來了發動機同直升機平臺對安全性指標要求存在不一致，導致直升機難以取證等缺點。

在直升機飛/發集成設計過程中，一種安全性分析方法是通過對直升機開展功能危險分析，將全機級的安全性指標逐級分配給發動機，從而建立“整機-系統-發動機”安全性指標聯系，用于實現主機需求對發動機設計的頂層策劃，使得發動機在滿足自身取證的條件下，也能滿足裝直升機取證安全性要求。

本文以典型民用雙發直升機為例，通過建立并開展功能危險性分析，定義對發動機的主要安全性指標提要求。

1 直升機與渦軸發動機功能接口及風險類事件

對于渦軸發動機，常規的認知是為直升機提供動力來源，但是從安全性的角度，有必要對其功能進行更為詳盡的分析識別。發動機對于直升機的功能可分為兩大類：

（1）發動機正常工作時實現的功能；

（2）保證發動機正常工作所需要的功能。

通過進一步分解，總結出直升機同渦軸發動機的功能接口以及對應功能失效帶來的風險類事件。此類風險事件在分析過程中，一般又稱為不期望事件（簡稱UE事件）。

（a）通過發動機動力輸出軸為直升機傳動系統提供機械功率。對應的不期望事件為“一臺發動機停車時另一臺發動機無法提供應急功率”以及“發動機停車或大幅度功率損失”。

（b）通過發動機附件為電氣系統提供發電所需的機械功率。對應的不期望事件為“發動機無法提供電氣提取功率”。

（c）通過發動機引氣口為環控系統提供高溫高壓氣源。對應的不期望事件為“發動機無法提供引氣”。

（d）通過發動機監控/信息接口為航電系統提供發動機告警信息。對應的不期望事件為“發動機喪失告警功能/錯誤告警”。

（e）通過發動機監控/信息接口為航電系統提供發動機參數監控信息。對應的不期望事件為“發動機喪失參數監控功能/錯誤的監控數據”。

（f）確保機組可控制發動機。對應的不期望事件為“無法起動/關閉發動機”。

（g）確保發動機安裝。對應的不期望事件為：“發動機脫離安裝位置”。

除此之外，還需要考慮安裝渦軸發動機后產生的特定風險：

起火：發動機以及其附件燃油、滑油蒸汽泄漏等引起的起火。

轉子破裂：高能轉子破裂帶來風險。

高溫高壓系統：故障時導致引氣壓力溫度超過限定值。

燃油、滑油蒸汽，一氧化碳氣體等有害氣體泄露：故障時導致引氣有毒物質濃度使機組人員或乘客失去能力。

2 功能風險的指標分配

完成功能風險識別后，需要對不期望事件的危險性進行進一步分類，以確認相關風險的危險等級。按照安全性文件ARP4754的規定，危險性等級根據其對直升機的影響和危害性大小一般可分為下述5類，即：災難級（CAT），危險級（HAZ），嚴重級（MAJ），輕微級（MIN）以及無影響（NSE）。在初步的風險分析中，可只考慮嚴重級以上的風險。

綜合分析雙發直升機的常規設計構型，可以將直升機的安全性指標向下分解，從而得出發動機相關的不期望事件以及對應的嚴酷度和分配的安全性指標規定，如表1所示。

表1 直升機對發動機的主要安全性指標要求

3 同發動機適航條款規定的指標對比

CCAR——33航空發動機適航規定的33.75條款（g）項定義了一些常見的失效和危害性發動機后果，此類定義為發動機的取證基礎，通過對比分析發動機適航條款定義以及直升機對發動機安全性風險的要求可知：

發動機失效：在發動機適航規定中，可以被最低識別為輕微級（MIN）風險，然而在直升機分析中，此類風險為嚴重級（MAJ），并期望更低的出現概率。

發動機脫離安裝位置：在發動機適航規定中被定義為危險級（HAZ），同直升機的分析一致。

發動機不可控火情、無法關閉發動機、引氣污染等外部風險，發動機適航規定同直升機對于危險性等級的定義一致，但是由于此類風險依賴于直升機的相關系統作為最后的安全性保障，因此直升機方一般希望發動機能夠依靠自身達到相關的可靠性等級。

高能轉子破裂屬于差異較大的危險性事件。一方面由于技術和試驗條件的限制，發動機方對高能轉子破裂危險性事件的設計保證僅能達到危險級（HAZ）。但在直升機設計中，如果發動機布置不當，可能會引起至多災難級（CAT）的故障。因此，給發動機在機上布置帶來了相當多的限制和不便。

4 結語

本文以典型民用雙發直升機為例，通過定義直升機與渦軸發動機功能接口并對相關功能失效對應的危險性等級建立同發動機的聯系，從而定義對發動機的主要安全性指標提要求，并同發動機適航條款的安全性指標只要要求做了對比分析。通過相關分析可知，直升機對發動機主要安全性指標要求一般會多于并高于發動機適航取證要求，因此，有必要在飛/發匹配初期協調定義相關的安全性要求，避免直升機付出過大補償代價或者帶來后期難以取證的風險。