民用航空發動機ETOPS 型號設計和符合性驗證方法研究

李昊燃，雷延生，龔昊偉

（1.中國航發商用航空發動機有限責任公司適航工程中心，上海200241）（2.中國航發商用航空發動機有限責任公司科技委，上海200241）

0 引言

隨著交通運輸行業的發展，洲際航行增多，飛機航路需要進行跨洋飛行或穿越荒蕪人煙的地區飛行，在這些地區一旦出現單發失效的情況，可供備降的機場很少，因此，飛機通常選擇沿海岸線飛行，這使得飛機消耗大量的時間和燃油。為了降低航空公司運營成本，開辟更多航線，國際民航組織（International Civil Aviation Organization，簡稱ICAO）和美國聯邦航空管理局（Federal Aviation Administration，簡稱FAA）提出了延程運行（Extended Operations，簡稱ETOPS）的概念，允許飛機進行延程運行。

具備ETOPS 資格的飛機，在縮短航程、節省時間和燃油以及提高運行有效性方面具有優勢。航空發動機作為飛機的重要系統，獲得早期ETOPS 型號設計批準有助于提高其型號的市場競爭力。

國外航空發動機制造商大多具備ETOPS 設計和符合性驗證能力。PW 公司按照FAR33 要求完成3 000 次起動停車循環試驗、模擬改航試驗、振動臺階試驗，并配套B777 獲得180 min 的ETOPS 資格；GE 公司GE90 發動機開展模擬ETOPS 任務循環持久試驗，模擬投入服役兩年的使用情況，并配合B777 開展ETOPS 飛行試驗；RR 公司的Trent 系列發動機也已獲得早期ETOPS 型號設計批準。PW、GE、RR 等航空發動機制造商所研制的發動機，已具備較高的可靠性水平，裝配波音、空客飛機投入ETOPS 航線運營。

ETOPS 對國內民航制造界是一個較新的概念，目前沒有國內民用飛機、航空發動機獲得ETOPS 型號設計批準。在國外對ETOPS 型號設計核心技術封鎖的背景下，近年來國內研究者對于ETOPS 型號設計及適航符合性驗證開展探索和研究。2013 年，韓冰冰等總結我國ETOPS 型號設計批準現狀，并預測未來的發展趨勢；2015年，王穩江等提出了民用飛機ETOPS 型號設計思路；2017 年，謝輝松提出了ETOPS 時間限制系統時間性能的估算方法，從飛機設計的角度提出了ETOPS 型號設計需關注的要點；2018 年，孫鐵源等給出了飛機ETOPS 系統計劃維修要求制定過程；2019 年，談琳娓等對民用飛機延程運行飛行試驗技術開展研究；2020 年，李新等給出了ETOPS 型號設計批準中評估飛機成熟度、可靠性的指標和ETOPS 事件報告流程；趙明等提出我國民用飛機和航空發動機ETOPS 技術研究方向。目前國內對ETOPS 技術研究主要針對民用飛機，對航空發動機的相關技術研究較少，而航空發動機作為飛機的重要系統，其早期ETOPS 設計和適航符合性驗證對飛機ETOPS 型號設計批準有重要影響。為使國內航空發動機配套民用飛機早日投入ETOPS 航線運營，應開展航空發動機ETOPS 相關技術研究。

本文在研究航空發動機及飛機ETOPS 相關適航資料的基礎上，從飛機—發動機組合角度出發，對航空發動機相關ETOPS 型號設計批準要求進行分析，提出民用航空發動機ETOPS 型號設計與適航符合性驗證方法。

1 ETOPS 介紹

1.1 ETOPS 概念

在發動機型號合格審定中，ETOPS 是指除了全貨運行以外，飛行期間有部分飛行是在超出CCAR121 部《大型飛機公共航空運輸承運人運行合格審定規則》和CCAR135 部《小型航空器商業運輸運營人運行合格審定規則》所規定的時間極限下進行的一種運行。對于該時間極限，我國適航規章CCAR121 部W 章“延程運行與極地運行”第121.711 條規定：“合格證持有人除經局方批準外不得實施以下運行：在飛機計劃運行的航路上至少存在一點到任一延程運行可選備降機場的距離超過飛機在標準條件下靜止大氣中以經批準的一臺發動機不工作時的巡航速度飛行60 min 對應的飛行距離（以兩臺渦輪發動機為動力的飛機）或超過180 min 對應的飛行距離（以多于兩臺渦輪發動機為動力的載客飛機）的運行”“只有當機體發動機組合獲得中國民航局頒發的延程運行型號設計批準時，合格證持有人才有資格實施延程運行”。

ETOPS 認證等級以時間劃分，例如B787 已獲得330 min 的ETOPS 型號設計 批準，A350 已獲 得370 min 的ETOPS 型號 設計 批準，A320 和B737NG 已獲 得180 min 的ETOPS 型號 設計批準。

1.2 ETOPS 適航規章發展歷程

1953 年，基于當時活塞發動機的可靠性，FAA 在FAR121.161 中規定雙發或三發飛機不得在距備降機場單發飛行時間超過60 min 的航線上飛行。國際民航組織ICAO 隨后采取了類似的規定，即“60 min 限制”。

1964 年，FAA 對于 三發 飛機 免去“60 min 限制”，而雙發飛機由于運行中可靠性不足，依然受限于60 min 的規定。

20 世紀70 年代，隨著發動機可靠性的增加，國際民航組織ICAO 認可了空客公司提出的90 min改航標準。

隨著民航技術的進步，高涵道比渦扇發動機相繼投入使用，發動機可靠性的不斷增加。FAA先后于1985 年和1988 年頒布咨詢通告AC120-42和AC120-42A，對于延程運行引入ETOPS 的概念，允許雙發飛機超越FAR121 部的時間限制運行。AC120-42 允許雙發飛機在證明了特定的服役經驗和系統可靠性后，可在距備降機場120 min航程的航線上運行。AC120-42A 將這一限制提升至180 min，這使得飛機可飛越世界大部分地區。

應工業界要求，2000 年FAA 頒布政策信函EPL20-1，針對北太平洋地區，允許在AC120-42A規定的180 min 改航時間基礎上增加15%改航時間，即最大207 min 改航時間運行。

2007 年FAA 發布FAR25 部第120 修正 案，在25 部中增加25.1535“ETOPS 批準”，將ETOPS 主要設計技術要求和符合性驗證方法置于附錄K中。同時，FAA 在33 部中 增加33.201“早期ETOPS 資格的設計和試驗要求”，對申請安裝于早期ETOPS 資格的雙發飛機的發動機給出設計和試驗要求。

截至 目前，FAA 未對 FAR25.1535 和FAR33.201 條款做出任何修訂，我國的CCAR 25.1535 和CCAR33.201 采納以上條款內容。

2008 年3 月EASA 發布NPA No.2008-01，決定增加CS-E1040 ETOPS。2010 年EASA 頒布了最新的適航規章CS-E 部“發動機審定規范”，作為民用航空發動機適航審定標準。CS-E1040 ETOPS 條款的內容在CS-E 第3 修正案中首次出現，而在第3 修正案以前CS-E1040 僅保留條款編號無內容，CS-E 第4 修正案CS-E1040 條款延用第3 修正案內容。

根據以上條款演化背景分析，中、美及歐洲國家和地區適航法規在發動機ETOPS 型號設計批準條款的要求具有一定關聯性，版本對應關系如表1 所示。

表1 航空發動機ETOPS 條款對應關系Table 1 Correspondence of ETOPS airworthiness for aircraft engine

目前CCAR33.201 條款的有效版本與FAR33部第21 修正案中關于ETOPS 的內容保持一致。CS-E 規章中的ETOPS 條款從第3 修正案到第4修正案未發生變化。CS-E1040 條款具體要求在AMC20-6 附錄1 中，FAR33.201 條款 與AMC20-6 附錄1 關于3 000 次起動—停車循環及3 次模擬改航循環試驗要求是相同的，其他要求有所差異，但本質要求是一致的。

2 ETOPS 型號設計批準要求分析

2.1 發動機早期ETOPS 資格型號設計要求分析

CCAR33.201 條款適用于雙發飛機的發動機，在沒有25 萬飛行小時服役經歷的條件下申請ETOPS 型號設計批準。

根據CCAR33.201（a）~（b）的要求，為消除已知的故障、失效，或因發動機設計引發的空中停車、失去推力控制或其他功率損失的問題，增加審查方對發動機可靠性的信心，申請人應建立設計質量保證過程。同時，申請人應根據申請的ETOPS 最大改航時間，制定發動機可靠性指標，滿足空中停車率的要求，并將整機可靠性指標分解至部件/系統。結合飛機ETOPS 改航場景，開展ETOPS 安全性評估，確定部件/系統安全性指標。開展部件/系統故障樹分析及故障模式、影響及危害性分析，依據分析結果完善設計，減少ETOPS 相關故障的發生。進行部件/系統及整機可靠性評估及安全性評估，校驗是否滿足可靠性指標及安全性指標要求，若不滿足要求則進行設計完善后開展可靠性評估及安全性評估，迭代該過程直至滿足部件/系統及整機可靠性指標及安全性指標要求。

CCAR33.201（c）要求通過模擬ETOPS 任務循環的持久試驗查明發動機服役中可能發生的問題或失效。除非申請人根據CCAR33.201（f）條款規定使用其他等效的任務循環持久試驗代替CCAR33.201（c）中的持久試驗，否則需要通過CCAR33.201（c）的持久試驗進行符合性驗證。模擬ETOPS 任務循環持久試驗包括：轉子不平衡量調節、起動停車循環、模擬改航、振動臺階試驗等。

根據CCAR33.201（d）、（e）的要 求，模擬ETOPS 任務循環持久試驗前及試驗后分別進行校準試驗，確保功率或推力特性的變化在批準的限制值內。持久試驗結束后應依據持續適航文件開展目視檢查及分解檢查，確認沒有出現可以導致空中停車、失去推力控制或其他功率損失的磨損或損壞，并依據試驗結果完善持續適航文件。

2.2 初始維修檢查與ETOPS 條款符合性驗證關系

ETOPS 與初始維修檢查存在關聯關系，根據CCAR33.201（g），申請人通過模擬ETOPS 任務循環持久試驗驗證CCAR33.90 初始維修檢查符合性的要求。該條款要求與CCAR33.90（b）相對應，通過CCAR33.201 的試驗支撐CCAR33.90初始維修檢查的驗證。在完成初始維修檢查要求與CCAR33.90（a）一致的試驗的全部試驗循環后，申請人可以中斷33.201 試驗接受在翼檢查或其他檢查，以表明CCAR33.90 的符合性，但在服役前仍需完成CCAR33.201 剩余部分的試驗。

2.3 CCAR33 部與CCAR25 部ETOPS 條款關聯關系

CCAR33 部與CCAR25 部ETOPS 條款 緊密相關。CCAR25 部附錄K“ETOPS 批準”規定了飛機ETOPS 型號取證的三種方法，其中，雙發飛機早期ETOPS 中K25.2.2（b）推進系統設計，要求“用于申請人飛機設計的發動機必須按CCAR33部進行早期ETOPS 合格批準”，也就是說，若雙發飛機申請人希望通過早期ETOPS 進行CCAR25.1535 條款的符合性驗證，則安裝于該雙發飛機上的發動機必須取得CCAR33.201“早期ETOPS 資格的設計和試驗要求”的型號合格證。同時，根據CCAR25 部K25.1.4K（c）的要求，發動機滑油箱設計需符合33.71（c）第（4）條的要求。根據CCAR25 部K25.1.5 的要求，發動機狀態 監控 程序 需符 合A33.3（c）的要 求。CCAR33 部與CCAR25 部ETOPS 條款關系如圖1所示。

圖1 CCAR33部與CCAR25部ETOPS 相關條款關聯關系Fig.1 Connection relations between CCAR33 and CCAR25 ETOPS related regulations

3 發動機早期ETOPS 資格型號設計與符合性驗證方法

在航空發動機研制過程中，有必要在產品研發初期開展ETOPS 型號設計，并在型號合格審定各階段開展ETOPS 型號設計的適航符合性驗證。基于對航空發動機及飛機ETOPS 適航條款及相關咨詢通告的研究，本文提出一種航空發動機早期ETOPS 資格型號設計與符合性驗證方法，具體內容如圖2 所示。

圖2 航空發動機早期ETOPS 型號設計與符合性驗證方法Fig.2 Aircraft engine early ETOPS type design and com?pliance verification flow

3.1 概念設計階段

收集發動機目標機型及航空公司對發動機ETOPS 能力的需求，根據客戶需求及發動機型號市場定位，確定發動機ETOPS 能力的設計目標。

根據飛機方需求，確定發動機ETOPS 指標：ETOPS 最大改航時間及空中停車率等。

申請人與審查方開展ETOPS 相關規章熟悉性交流，對規章要求及符合性問題初步達成共識。

建立ETOPS 設計質量管控體系，確保研發、生產各環節滿足ETOPS 質量要求，同時，在后續各階段持續收集設計、制造、試驗、外場使用中ETOPS 相關故障數據，進行分析并給出糾正措施。

3.2 要求確認階段

基于對規章要求的理解，編制ETOPS 條款技術狀態表，梳理規章資料、規章理解及符合性方法等；明確專用條件、豁免的使用；確定ETOPS 條款技術要求及符合性方法。

3.3 符合性計劃制定階段

形成ETOPS 符合性驗證思路，繪制ETOPS符合性驗證路線圖；制定ETOPS 符合性驗證實施方案，確定CAI、CPI 項；根據規章要求，明確ETOPS 符合性驗證技術要求，最終形成ETOPS適航審定計劃。

3.4 計劃實施階段

（1）通過ETOPS 設計質量管控體系提升設計質量

通過設計質量管控體系積累的故障數據及改進措施，持續提升發動機設計質量，表明已消除已知的故障、失效，或因發動機設計引發的空中停車、失去推力控制或其他功率損失的問題，增強審查方對發動機可靠性的信心。

（2）開展可靠性和安全性設計、分析及評估

進行可靠性工作策劃及安全性工作策劃，在項目中設定可接受的可靠性指標及安全性指標，并規定所開展的設計分析、評估與驗證活動。

依據可靠性工作策劃及安全性工作策劃，將發動機可靠性指標及安全性指標分解到部件/系統，依據可靠性指標及安全性指標開展設計、分析及相關評估與驗證。

①開展故障樹分析，明確可導致發動機空中停車、失去推力控制或其他功率損失的失效、故障、缺陷和維修錯誤等問題。

②針對故障樹分析得到的失效、故障、缺陷和維修錯誤等問題，分析故障原因，給出設計保證措施、檢測方法等，確保零組件的設計特征最大限度地減少這些問題的發生。

③進行可靠性評估及安全性評估，表明設計狀態滿足可靠性指標及安全性指標要求，并通過部件/系統試驗驗證相關數據。

（3）建立ETOPS 循環試驗譜及試驗方法

根據適航條款及相關咨詢通告要求，制定ETOPS 循環試驗譜，包括起動—停車循環試驗譜及ETOPS 模擬改航試驗譜。

起動—停車循環試驗譜應包含以下飛行剖面：起動、地面慢車、起飛、爬升、巡航、下降/最小慢車、進近慢車/下滑道切入、降落、反推打開（如果適用）、停車。

ETOPS 模擬改航試驗譜需滿足如下要求：

①最大改航時間與申請的ETOPS 資格一致。

②最大連續額定推力運行時間不小于最大改航時間。

③試驗任務譜包含空中等待狀態運行15 min。

④試驗任務譜包含復飛運行1 min。

根據33.201（c）~（e）條款要求建立開展整機ETOPS 持久試驗方法，制定維護檢查計劃。申請人應在持久試驗前及持久試驗后進行發動機推力校準，持久試驗期間還應進行定期維護檢查，試驗前應明確振動檢查計劃及試驗期間維護檢查計劃。其中，關于振動檢查AC33.201-1 建議檢查間隔不大于500 個起動—停車循環，推薦使用發動機緩慢加速緩慢減速的方法測定振動峰值，并給出等效振幅判定公式，累積損傷不滿足要求需進行加罰循環試驗。

申請人開展模擬ETOPS 任務循環持久試驗，應滿足如下要求：

①進行至少3 000 次起動—停車循環試驗，以最大連續功率或推力進行3 次模擬改航飛行至最大改航時間。

②模擬改航試驗需均勻分布在3 000 次循環中，其中最后一次試驗必須在3 000 次循環結束前的100 次以內進行。

③試驗需包含發動機起動和停車，停車時高壓軸轉速應不大于由于大氣主導風向導致的風車轉速。

④試驗需包含至少50 次的冷起動（發動機關閉至少3 h 后再起動）。

⑤試驗需包含最大功率起飛推力、降功率推力（如果適用）以及最大連續推力工況。

⑥試驗需包含正常的發動機引氣及功率提取。如發動機使用引氣防冰，則3 000 次任務循環中至少三分之一需要開啟防冰引氣；試驗需要與飛機方共同確認試驗工況、引氣量和功率提取值等。

⑦進行高壓轉子臺階試驗：在高壓轉子工作轉速范圍內，以60~200 r/min 任意轉速臺階遞增開展試驗。工作轉速范圍包括代表起飛、爬升、降落、進近、著陸和反推的穩態轉速點。當以60 r/min 為遞增臺階，則試驗全程內該臺階應至少進行三百萬次振動循環；當以大于60 r/min 為遞增臺階，則最小振動循環數相應地線性增加；達到200 r/min 則應進行至少一千萬次循環（試驗全程）。而從最小空中慢車到巡航功率，當以60 r/min 為遞增臺階，在該臺階至少進行三十萬次振動循環（試驗全程）；當以大于60 r/min 為遞增臺階，最小振動循環數相應地線性增加；達到200 r/min 時，最小振動循環數為一百萬次（試驗全程）。

（4）早期ETOPS 符合性驗證

為獲取發動機早期ETOPS 型號設計批準，開展ETOPS 符合性驗證，包括設計質量保證過程符合性驗證、整機可靠性評估及開展ETOPS 任務循環持久試驗等。

其中，ETOPS 任務循環持久試驗，發動機應在不超限（推力、轉子轉速、燃氣溫度、滑油壓力、滑油溫度、發動機振動、滑油消耗率）的前提下達到建議的推力等級，且無明顯異常情況。

試驗結束后通過目視檢查、試驗后分解檢查判斷零部件的可用性，并依據試驗結果完善持續適航文件。

（5）早期ETOPS 型號設計批準

獲得ETOPS 批準后，申請人將批準的ETOPS 最大改航時間寫入型號合格證數據單（Type Certificate Data Sheet，簡稱TCDS）。

根據適航取證安排，可同時驗證33.90（b）的符合性。如沒有服役經歷，可在適航當局頒發型號合格（TC）后申請ETOPS 型號設計批準。

3.5 證后管理階段

發動機裝配飛機積累服役經歷，收集服役數據，根據CCAR25 部ETOPS 相關條款要求，開展試飛驗證，表明飛機ETOPS 能力，獲得ETOPS型號設計批準。

本文提出的驗證方法已應用于國內某機型的符合性驗證，并獲得局方認可。

4 結論

（1）航空發動機早期ETOPS 型號設計，對航空發動機各部件系統的設計、可靠性、安全性提出了更高的要求，國產航空發動機應在研制初期引入ETOPS 設計驗證理念，并貫穿型號設計和適航取證的各階段。

（2）航空發動機早期ETOPS 型號設計和符合性驗證方法為國產民用航空發動機早期ETOPS資格適航取證提供指導，為國產民用航空發動機早日裝配飛機投入ETOPS 航線運營提供思路。