航空發(fā)動機吞鳥要求的發(fā)展

張 清，沈錫鋼，牛 坤，李 娜

（中國航發(fā)沈陽發(fā)動機研究所，沈陽 110015）

0 引言

隨著航空領域的快速發(fā)展，鳥類對飛行的危害不斷凸顯[1-3]。很多國家針對發(fā)動機吞鳥問題均制訂了相應的要求[4-6]，規(guī)定了發(fā)動機在遭遇鳥撞擊后必須具備的基本安全性和工作能力[7-9]，同時也規(guī)定了考核發(fā)動機具備上述能力所必須開展的驗證要求，形成了各自的吞鳥驗證體系[10-12]。總的來說，在民用航空發(fā)動機領域，主要依據(jù)適航規(guī)章開展吞鳥驗證[13]，目前應用比較廣泛的主要包括美國聯(lián)邦航空局FAA 頒布的FAR-33《航空發(fā)動機適航標準》、歐洲航空安全局EASA 頒布CS-E《歐洲發(fā)動機合格證規(guī)范》、俄羅斯洲際航空委員會MAK 頒布的АP-33《航空規(guī)章33部》和中國民航總局CAAC 頒布CCAR-33R2《航空發(fā)動機適航規(guī)定》等。在軍用航空發(fā)動機領域，主要依據(jù)航空發(fā)動機通用規(guī)范要求開展吞鳥驗證，主要包括美國國防部頒布的MIL -STD -3024《推進系統(tǒng)結構完整性大綱》、JSSG-2007B《航空渦噴渦扇渦軸渦槳發(fā)動機聯(lián)合使用規(guī)范指南》、MIL-HDBK-516C《軍用航空器適航性審查準則》、英國國防部頒布的DEF STAN 00-970 PART 11《軍用飛機用設計和適航性要求》、EMAR《歐洲軍用適航性規(guī)章》和中國人民解放軍總裝備部批準的GJB 241A-2010《航空渦輪噴氣和渦輪風扇發(fā)動機通用規(guī)范》。

目前，中國首次開展大涵道比渦扇發(fā)動機研制，缺少按照適航規(guī)章完成吞鳥驗證的經(jīng)驗，須繼承中國軍用航空發(fā)動機和國外同類型民用大涵道比發(fā)動機吞鳥驗證成果，建立完善、系統(tǒng)、適用的標準規(guī)范體系。吳晶峰等[14]開展了民用適航要求的解讀；丁水汀等[15]、李其漢[16]以安裝性、結構完整性為出發(fā)點開展了民機適航體系和軍用規(guī)范的分析研究；唐偉等[17]、于宏軍[18]初步開展了適航標準與軍用規(guī)范的對比分析；于宏軍[19]、李巖[20]、張華等[21]對國內(nèi)外軍用適航標準和通用規(guī)范進行了初步探索；鮑夢瑤等[22]對民航適航規(guī)章衍變與發(fā)動機研制的關聯(lián)性進行了初步分析；晏祥斌等[23]對軍用渦扇發(fā)動機吞鳥適航符合性驗證方法開展了研究，但未見到對國內(nèi)外軍、民用航空發(fā)動機吞鳥要求衍變過程和內(nèi)容的系統(tǒng)綜合分析，也未見到針對中國軍用大涵道比發(fā)動機研制特點提出的吞鳥適航符合性驗證方法。

本文針對大涵道比渦扇發(fā)動機吞鳥驗證需求，對世界各國的適航規(guī)章和發(fā)動機頂層通用規(guī)范中吞鳥要求的重點衍變過程和衍變內(nèi)容進行比較；并提出中國自主研制的軍用大涵道比渦扇發(fā)動機吞鳥驗證建議，為形成適用于中國軍用大涵道比發(fā)動機吞鳥要求提供參考。

1 民用航空發(fā)動機適航規(guī)章吞鳥要求衍變

1.1 民用航空發(fā)動機適航規(guī)章吞鳥要求的衍變歷程

目前，典型的民用航空發(fā)動機適航規(guī)章吞鳥要求分別在美國的FAR 33.76、歐洲的CS E800、俄羅斯的AP 33.76和中國的CCAR 33.76中提出。

1.1.1 美國的適航規(guī)章[24]

美國民用航空發(fā)動機適航規(guī)章，最早起源于1937年美國商務部航空局頒布的飛機發(fā)動機適航法規(guī)CAR 13。后隨美國民航機構改革，美國聯(lián)邦航空局代替了商務部，并隨渦輪發(fā)動機的問世和發(fā)展，1965年美國聯(lián)邦航空局FAA 頒布了第1 版FAR-33《航空發(fā)動機適航標準》。至今已經(jīng)過35個版本的34次修訂。據(jù)不完全統(tǒng)計，約有15個系列170型渦扇發(fā)動機按此規(guī)章完成適航取證。美國聯(lián)邦航空管理局FAA 頒布的美國民用航空發(fā)動機適航規(guī)章吞鳥要求，最早起源于1965年頒布的咨詢通告AC33-1《渦輪發(fā)動機外物吞咽和轉(zhuǎn)子包容性型號合格取證方法》，吞鳥要求隨外物吞咽要求與轉(zhuǎn)子葉片包容性一并提出。經(jīng)過2 次修訂后，于1974年首次在FAR 33部中以外物吸入條款FAR 33.77 提出，此時鳥同水、雹、冰、“砂-沙”混合物和飛失的葉片、輪胎碎片等外物共同納入其中，2000年首次以獨立的吞鳥條款FAR 33.76提出。

截至目前，美國適航條款吞鳥要求經(jīng)過9 次修正，涉及實質(zhì)性變化的有6 次，衍變?yōu)楝F(xiàn)行有效的FAR 33.76吞鳥條款，見表1。

表1 FAR 33.76吞鳥條款

衍變內(nèi)容具體來說：

（1）1965年，在AC33-1 中提出吞鳥要求時，驗證類型分為大鳥群和小鳥群，鳥重范圍分別對應0.9～1.8 kg 和56.7～113.4 g，鳥的數(shù)量按照發(fā)動機進口喉部面積進行計算。

（2）1968年，頒布咨詢通告AC33-1A 時，補充了吞中鳥群要求，驗證類型包括了大鳥群、中鳥群和小鳥群，形成了現(xiàn)行吞鳥要求的基礎。

（3）1970年，頒布咨詢通告AC33-1B 時，首次明確了大鳥數(shù)量減少到1 只，并對中鳥數(shù)量計算方法進行了優(yōu)化。小鳥的質(zhì)量、數(shù)量要求不變。

（4）1974年，正式頒布FAR33.77時，再次對小鳥、中鳥的質(zhì)量和計算方法進行了優(yōu)化，小鳥和中鳥質(zhì)量調(diào)整為唯一值，中鳥數(shù)量計算方法進行改進，其余保持不變。

（5）1984年，在1974年版本基礎上，對吞中鳥和小鳥驗證后增加了持續(xù)運行5 min 的要求，以滿足鳥撞后飛機返場的需求。

（6）2000年，通過AMD 33-20 提出，并于2002年正式以“33.76吞鳥”條款獨立出現(xiàn)，在大鳥、中鳥和小鳥的驗證要求上都發(fā)生了較大變化。

大鳥主要變化是質(zhì)量由統(tǒng)一的1.8 kg 調(diào)整為按照發(fā)動機進口喉部面積選取3 個等級；試驗程序由吞鳥后無要求調(diào)整為15 s內(nèi)不移動油門桿，實現(xiàn)與整機包容和轉(zhuǎn)子不平衡要求一致；撞擊位置由最嚴苛區(qū)域細化為第1級轉(zhuǎn)子葉片最危險的暴露部位。

中鳥是3 種驗證類別中變化最大的，鳥的質(zhì)量由統(tǒng)一的0.68 kg 調(diào)整為按照發(fā)動機進口喉部面積在4種質(zhì)量中組合選擇；鳥數(shù)計算方法進行優(yōu)化，優(yōu)化后同等面積下吞鳥數(shù)量更多；試驗程序由吞鳥后持續(xù)運轉(zhuǎn)5 min調(diào)整為20 min，并且給出了具體的運行程序；撞擊位置要求也顯著變化，由撞擊進口最嚴苛區(qū)域細化為撞擊核心機主流道和1 級轉(zhuǎn)子葉片暴露的最關鍵位置。同時，增加了中鳥群的附加完整性驗證，以考核核心機主流道以外的風扇組件最關鍵部位為目標，按照進口喉部面積，選取2 種質(zhì)量鳥進行驗證，驗證程序與中鳥群相同。

對于小鳥來說，撞擊位置優(yōu)化與大鳥相同。試驗程序優(yōu)化與中鳥相同。

（7）2007年，通過AMD 33-24，針對喉道面積≥2.5 m2的發(fā)動機[32-33]，新增了大型群鳥的驗證要求。鳥的數(shù)量為1 只，質(zhì)量為按照發(fā)動機進口喉部面積選取3 個質(zhì)量等級，撞擊位置為不小于第1 級暴露的轉(zhuǎn)子葉片50%葉高。

1.1.2 歐洲的適航規(guī)章[34]

歐洲民用航空發(fā)動機適航規(guī)章，最早起源于1926年英國民用航空管理局（CAA）頒布的BCAR《英國民航適航性要求》第C 章。1972年，出于民航領域同美國的競爭需要，成立了歐洲聯(lián)合航空局JAA，代表歐洲各參與國的民用航空局，并頒布了聯(lián)合適航性要求JAR-E《發(fā)動機聯(lián)合航空性規(guī)章》[35]替代BCAR，成為歐洲通行的航空發(fā)動機適航要求，到2003年JAR-E 共經(jīng)歷了13 個版本12 次修訂。2003年，隨著歐盟國家一體化及歐洲民用航空競爭的需要，建立了歐洲航空安全局EASA，并頒布了審定規(guī)范CS-E《發(fā)動機合格證規(guī)范》替代JAR-E，至今經(jīng)過5個版本的4次修訂，成為現(xiàn)行有效的發(fā)動機合格證規(guī)范。

CS-E 中的吞鳥要求，起源于1972年1月的JARE 的C3-4 第20 章[36]“外物撞擊和吞咽”條款。截至目前，吞鳥要求經(jīng)過涉及實質(zhì)性變化的4 次修訂，分別對應JAR-E 的1986年change 7[37]、1999年change 10[38]、2003年AMDT12 和2003年頒布的CS-E 800，衍變?yōu)楝F(xiàn)行有效的CS-E 800吞鳥條款，見表2。

表2 CS-E 800吞鳥條款

衍變內(nèi)容具體來說：

（1）1972年，吞鳥隨其他外物一并在JAR-E C3-4第20章“外物撞擊和吞咽”條款提出，對于鳥的驗證類型分為大鳥、中鳥和小鳥。

（2）1986年，JAR-E change7 版中渦輪風扇發(fā)動機的吞鳥要求以C3-4 第20 章“鳥撞”獨立出來，并提出了中鳥群考核時對發(fā)動機核心機的考核要求。在1990年change8中，以JAR-E 800“鳥撞”重新編號，內(nèi)容始終不變。

（3）1999年，JAR-E change10 版再次對JAR-E 800 吞鳥要求進行了完善，主要變化在小鳥質(zhì)量、中鳥的數(shù)量和運行程序上。變化后要求內(nèi)容，以1984年的FAR33.77 為基礎，吞鳥運行程序已經(jīng)與2002年的FAR 33.76 相同，表明該次吞鳥要求提升中，歐洲適航規(guī)章先于美國。

（4）2003年，JAR-E 的第12 次變化后，JAR E 800與2002年的FAR33.76完全相同。

（5）2003年，頒布CS-E 時，基于第12 次修訂的JAR E 800 中吞鳥要求，并吸納了JAA 的NPA-E-45號提案公告“大型群鳥”，針對喉道面積≥2.5 m2的發(fā)動機，新增了吞入大型群鳥的要求，形成了CS-E 800條款。此時，CS-E 800 與后續(xù)美國于2007年頒布的FAR 33.76要求相同，表明該次吞鳥要求提升過程中，歐洲適航規(guī)章先于美國。

1.1.3 俄羅斯的適航規(guī)章[39]

俄羅斯民用航空發(fā)動機適航規(guī)章，最早起源于1967年前蘇聯(lián)民航總局頒布的НЛГС《蘇聯(lián)民航適航性標準》第6 章，經(jīng)7 次修訂后于1984年衍變?yōu)椐ぇ?3《蘇聯(lián)民航適航性標準-3》第6 章[40]。1985年，按照經(jīng)濟互助委員會常務委員會的計劃，并與經(jīng)濟互助委員會民航常務委員會在民用航空方面的合作，將該標準修訂為ЕНЛГ-С《經(jīng)濟互助委員成員國的民用運輸機適航性統(tǒng)一標準》第6 章，由經(jīng)濟互助委員會民用航空常務委員會頒布，作為前蘇聯(lián)正式貫徹執(zhí)行的民航適航性標準。ЕНЛГ-С 與НЛГС-3 的第6 章所有內(nèi)容、引文與條例均相同。1994年，為了向西方國家出口民用飛機獲得西方國家適航當局的認可，俄羅斯洲際航空委員會以FAR-33（1993年1月1日）為基礎，同時兼顧ЕНЛГ-С《經(jīng)濟互助委員成員國的民航適航性統(tǒng)一標準》第6章和JAR-E（change8，1990年3月4日）的要求，首次發(fā)布了俄羅斯AP-33（俄文АП-33）《飛機發(fā)動機適航標準33 部》[41]，后經(jīng)2003年[42]、2012年2 次修訂形成了現(xiàn)行有效的АP-33。其章節(jié)號與FAR-33完全相同。

АP-33 中的吞鳥要求，起源于1974年頒布的НЛГС-2 中НЛГС 6.5.2.9 外物吸入條款，鳥隨水、冰雹、冰塊等外物共同納入其中。在條款衍變過程中，1994年頒布的版本AP 33.77 為分界線，吞鳥要求劃分為2個階段。1994年前，前蘇聯(lián)頒布的適航吞鳥要求與當時的歐洲標準JAR-E 吞鳥要求一致。1994年及以后，吞鳥要求與當時的美國規(guī)章FAR 33 保持一致，先后在1994、2003、2012年陸續(xù)修訂吞鳥要求，分別與對應時間的FAR 33.77 和FAR 33.76 相對應，完成了標準的國際化接軌，衍變成現(xiàn)行有效的АP 33.76吞鳥要求，見表3。

表3 АP 33.76吞鳥條款

1.1.4 中國的適航規(guī)章[43]

中國民用航空發(fā)動機適航規(guī)章，起源于1988年中國民航總局頒布的第1 版CCAR-33 部《航空發(fā)動機適航規(guī)定》[44]，主要是參考了美國FAR-33 部33-11修正案制定，之后分別于2002、2012年參考FAR-33部的修正案33-20 和33-24 頒布了CCAR-33R1[45-46]和CCAR-33R2[47]，至今合計頒布3個版本。

CCAR-33 中的吞鳥條款，起源于1988年版本的CCAR 33.77 條款，經(jīng)2 次修訂衍變?yōu)楝F(xiàn)行的CCAR 33.76 吞鳥條款，各次衍變過程分別與同時期美國FAR 33對應內(nèi)容相同，見表4。

表4 CCAR 33.76吞鳥條款

1.2 民用航空發(fā)動機適航吞鳥要求的衍變階段分析

針對吞鳥要求，美國、歐洲、俄羅斯和中國的民用航空發(fā)動機適航規(guī)章雖然起源和內(nèi)容不盡相同，但技術要求思路基本一致，并經(jīng)各自多年衍變與修訂，趨于一致，各適航規(guī)章吞鳥條款衍變歷程關系如圖1所示。

圖1 各適航規(guī)章中吞鳥條款衍變發(fā)展

典型適航吞鳥要求從起源開始，總體上可以劃分為6 個大的階段，并先后于1999、2003 和2012年在內(nèi)容實現(xiàn)統(tǒng)一：

（1）第1階段，吞鳥危害性認識起源。

1965～1971年，適航吞鳥要求處于對吞鳥危害性認識起源階段。以美國和歐洲為代表的國家、地區(qū)開始意識到發(fā)動機吞鳥的危害，率先啟動了吞鳥要求的研究工作，并在這期間按照各自的體系不斷完善要求。

（2）第2階段，規(guī)章條款統(tǒng)一融合。

1972～1983年，適航吞鳥要求處于規(guī)章條款統(tǒng)一融合的階段。以歐洲適航規(guī)章率先提出包含鳥在內(nèi)的“外物吸入”條款為標志，吞鳥正式納入各適航規(guī)章要求。美國、俄羅斯適航規(guī)章陸續(xù)增加了包含鳥在內(nèi)的“外物吸入”條款。同時，美國和歐洲按照各自的研制體系分別完善要求，并相互借鑒和參考，不斷更新，形成了吞鳥條款第1次統(tǒng)一的雛形。

這一階段處于第1 代大涵道比發(fā)動機全面誕生階段，這一階段的產(chǎn)品具有20 世紀60年代末的設計特征。典型民用大涵道比發(fā)動機產(chǎn)品JT9D、CF6-6呈現(xiàn)出采用常規(guī)雙轉(zhuǎn)子構型、涵道比在5-6 左右、采用凸肩窄弦大尺寸風扇葉片的技術特點。這類產(chǎn)品都是以當時生效的適航吞鳥條款，即對應美國適航規(guī)章FAR 33.77（1974年）內(nèi)容完成吞鳥驗證和適航取證。

（3）第3階段，與背景技術進步匹配。

1984～1993年，適航吞鳥要求處于與背景技術進步匹配階段。以美國適航規(guī)章FAR 33.77 率先完成修訂為標志，形成了各適航吞鳥條款第1 次統(tǒng)一的基礎。中國參考FAR-33 頒布了第1 版CCAR-33 部，吞鳥要求以“CCAR 33.77 外物吸入”條款提出。1994年前，吞鳥要求以美國和歐洲為代表分別衍變，中國的適航規(guī)章要求始終與美國相同，而俄羅斯的適航規(guī)章要求變化則一直追隨歐洲腳步。

這一階段處于第2 代大涵道比發(fā)動機快速發(fā)展階段，這一階段的產(chǎn)品具有吸取第1 代經(jīng)驗教訓的設計特征。典型民用大涵道比發(fā)動機產(chǎn)品CF6-80E1、CF6-80C2、CFM56-3、CFM56-3C、CFM56-5A1、PW4000 依然呈現(xiàn)出采用常規(guī)雙轉(zhuǎn)子構型、涵道比為5～6、采用凸肩窄弦大尺寸風扇葉片的技術特點。這類產(chǎn)品都是以當時生效的適航吞鳥條款，即對應美國適航規(guī)章FAR 33.77（1984年）內(nèi)容完成吞鳥驗證和適航取證。

（4）第4階段，利用規(guī)章實現(xiàn)國際壟斷。

1994～1998年，適航吞鳥要求處于利用規(guī)章實現(xiàn)國際壟斷階段。以蘇聯(lián)適航吞鳥要求的修訂完成為標志，首次實現(xiàn)了美國、俄羅斯和中國3 國適航規(guī)章吞鳥要求的統(tǒng)一，條款內(nèi)容上與1984年修訂后的FAR33.77 相同，鳥仍然包含在“外物吸入”條款中。隨后的1999年，歐洲適航規(guī)章“JAR-E 800 鳥的撞擊和吞咽”條款完成衍變，在3 國統(tǒng)一的規(guī)章基礎內(nèi)容上，率先增加了中鳥、小鳥驗證運行要求，與2000年的FAR 33.76相同。

這一階段處于第3 代大涵道比發(fā)動機初始發(fā)展階段，這一階段的產(chǎn)品具有吸取第2 代經(jīng)驗教訓的設計特征。典型民用大涵道比發(fā)動機產(chǎn)品CFM56-5B、CFM56-7B 、GE90-90B、Trent700、BR710、CF34-10，隨著大尺寸無凸肩寬弦風扇葉片技術的發(fā)展，呈現(xiàn)出涵道比開始增大的趨勢，已經(jīng)出現(xiàn)了涵道比8 的產(chǎn)品，同時風扇葉片的應用也開始由凸肩窄弦向著無凸肩寬弦葉片發(fā)展。這類產(chǎn)品雖然是按照當時生效的適航條款，即對應美國適航規(guī)章FAR 33.77（1984年）內(nèi)容完成吞鳥驗證和適航取證。但已經(jīng)開始按照FAR 33.76吞鳥要求的內(nèi)容進行吞鳥能力摸底和探索。

（5）第5階段，適航規(guī)章成熟與廣泛應用。

1999～2002年，適航吞鳥要求處于適航規(guī)章逐步成熟與廣泛應用階段。以美國率先提出修訂案對FAR 33.77 條款進行修訂，形成了獨立吞鳥要求FAR 33.76，即為各適航吞鳥條款第2 次統(tǒng)一的基礎。隨后，其他各規(guī)章條款陸續(xù)更新，并紛紛將吞鳥要求獨立出來，形成了各自的吞鳥條款“CCAR 33.76”和“AP 33.76”，并以2003年俄羅斯AP 33.76條款內(nèi)容更新完成為標志，第2 次實現(xiàn)了吞鳥要求的統(tǒng)一。統(tǒng)一后，條款內(nèi)容上與2000年的FAR33.76相同。

這一階段處于第3 代大涵道比發(fā)動機精細化設計階段，民用發(fā)動機設計技術迅速發(fā)展。典型民用大涵道比發(fā)動機產(chǎn)品GE90-92B、GE90-115B 涵道比達到8 以上，并且應用了無凸肩寬弦風扇葉片技術，以當時生效的適航吞鳥條款，即對應美國適航規(guī)章FAR 33.76內(nèi)容完成吞鳥驗證和適航取證。

（6）第6階段，專屬條款升級和壟斷。

2003～2012年，適航吞鳥要求處于專屬條款升級和壟斷階段。以歐洲頒布CS-E時率先在吞鳥條款CS-E 800 中增加多羽毛大鳥要求為標志，形成了各適航吞鳥條款第3 次統(tǒng)一的基礎。根據(jù)歐美規(guī)章一體化關于安全性分析要求，美國等各國陸續(xù)修訂要求，并最終在2012年以俄羅斯適航吞鳥要求修訂完成，實現(xiàn)了第3 次統(tǒng)一。即全部實現(xiàn)了要求申請人必須驗證發(fā)動機吸入單只大鳥、中鳥群、小鳥群和大鳥群4種類型鳥的能力。

這一階段處于第4 代大涵道比發(fā)動機一體化發(fā)展階段，各類先進民用設計技術層出不窮，典型民用大涵道比發(fā)動機產(chǎn)品GP7200、Leap-X、GENX、TRENT1000 呈現(xiàn)出涵道比逐步增大到8-10 左右、大量應用無凸肩寬弦風扇葉片的技術特點，其中3 型為常規(guī)雙轉(zhuǎn)子構型，1 型采用常規(guī)3 轉(zhuǎn)子構型。這些產(chǎn)品都是以當時生效的適航吞鳥條款，即對應美國適航規(guī)章FAR 33.76內(nèi)容完成吞鳥驗證和適航取證。

由于歐洲與美國在航空工業(yè)技術實力上處于同一技術水平，因此在有關航空器適航審定上達成了妥協(xié)和相互認可。經(jīng)過二者對FAR 33.76 和CS-E800的不斷修訂，2項規(guī)章的吞鳥驗證要求已經(jīng)一致。

1.3 民用航空發(fā)動機適航吞鳥要求的內(nèi)容衍變分析

綜觀世界適航規(guī)章吞鳥要求衍變的6個階段，主要驗證參數(shù)要求有8個版本。以對應美國適航規(guī)章吞鳥要求各版本的內(nèi)容為代表，按照衍變的各階段分別對應為AC33-1、AC33-1A、AC33-1B、FAR 33.77（1974年）、FAR 33.77（1984年）、FAR33.76（2002年）、FAR33.76（2007年）共計7個版本參數(shù)。此外，由于缺少與英國適航規(guī)章JAR-E C3-4第20章（1972年）吞鳥參數(shù)對應的美國適航規(guī)章，因此單獨表達，具體見表5。

表5 民用吞鳥要求及其等效條款

各適航規(guī)章8 次核心內(nèi)容修訂中，鳥的質(zhì)量、數(shù)量、運行程序、驗證類型等方面都有了細化的要求，條款修訂都得嚴苛程度都在大幅增加，具體如下：

（1）吞鳥驗證類型方面，在單只大鳥、中型群鳥、小型群鳥基礎上，從2003年起統(tǒng)一增加了中鳥群的附加完整性驗證，從2013年起統(tǒng)一的增加了多羽毛大鳥驗證。其中，要求吞入單只大鳥后發(fā)動機不產(chǎn)生危害性后果，吸入其他鳥型則要求發(fā)動機具有持續(xù)運行的能力。

（2）吞鳥驗證方法方面，從1994年起統(tǒng)一增加了中鳥群通過可以替代小鳥群試驗，從2003年起統(tǒng)一增加了包容性試驗通過可以等效大鳥試驗的驗證方法；

（3）單只大鳥和小型群鳥驗證參數(shù)方面，從統(tǒng)一的2003版起，對鳥重、運行程序和撞擊位置進行了優(yōu)化。

（4）中型群鳥驗證參數(shù)方面，質(zhì)量、數(shù)量和撞擊位置都進行了大幅調(diào)整，嚴苛成度逐漸加大。此外，增加了中鳥群的附加完整性驗證，以考核核心機主流道以外的風扇組件最關鍵部位為目標。

2 軍用航空發(fā)動機通用規(guī)范/適航規(guī)章吞鳥要求的衍變

目前，典型的軍用航空發(fā)動機規(guī)范/規(guī)章吞鳥要求在依據(jù)美國軍用標準MIL-STD-3024《推進系統(tǒng)完整性大綱》、美國軍用適航要求MIL-HDBK-516C《軍用航空器適航性審查準則》、英國國防標準Def Stan00-970《軍用飛機用設計和適航性要求》11部、歐洲軍用適航要求EMAR《歐洲軍用適航性規(guī)章》21部、GJB 241A-2010《航空渦輪噴氣和渦輪風扇發(fā)動機通用規(guī)范》和GJB 3727-1999《航空發(fā)動機吞鳥試驗要求》中提出。

2.1 軍用航空發(fā)動機規(guī)范/規(guī)章吞鳥要求的衍變歷程

2.1.1 美國的規(guī)范/規(guī)章

2.1.1.1 美國通用規(guī)范[48]

美國航空發(fā)動機通用規(guī)范的起源于20世紀50年代頒布的MIL-E-5007A《航空發(fā)動機通用規(guī)范》，到2008年4月15日頒布軍用通用規(guī)范MIL -STD -3024《推進系統(tǒng)完整性大綱》為止，共頒布了14 部，其中包括專門針對發(fā)動機結構而頒布的3 部結構完整性大綱。主要衍變歷程為，70年代針對不同類型發(fā)動機，相繼分別頒布了MIL-E-5007D《航空渦輪噴氣和渦輪風扇發(fā)動機通用規(guī)范》和MIL-E-8593A《航空渦槳、渦軸發(fā)動機通用規(guī)范》[52]；80年代相繼對MIL-E-5007D 進行了2 輪修訂，形成了MIL-E-5007E、MIL-E-5007F，并增加MIL-E-1783 內(nèi)容，合并頒布了MIL-E-87231《航空渦噴渦扇發(fā)動機通用規(guī)范》，1995年年頒布了JSGS-87231A《航空渦噴渦扇渦軸渦槳發(fā)動機聯(lián)合使用指導規(guī)范》替代MIL-E-87231。1998年經(jīng)過對JSGS-87231A 修訂形成JSSG-2007《航空渦噴渦扇渦軸渦槳發(fā)動機聯(lián)合使用規(guī)范指南》[49]。進入21 世紀后，2004年經(jīng)對JSSG-2007 修訂形成了JSSG-2007A，2008年又對JSSG-2007A 修訂形成JSSG-2007B[50]，并于2008年與MIL -STD -1783《發(fā)動機結構完整性大綱》合并形成了MIL -STD -3024《推進系統(tǒng)完整性大綱》[51-52]，作為研制依據(jù)一直延續(xù)至今。

MIL-STD-3024 中的吞鳥要求直接引用JSSG-2007 的吞鳥要求，即對應的3.3.2.1 吞鳥、4.3.2.1 吞鳥試驗和對應的A3.3.2.1、A4.3.2.1 條內(nèi)容，要求起源于1973年的MIL-E-5007D 的3.2.5.6.1 吞鳥和3.2.5.6.1吞鳥試驗2 個章節(jié)，后隨通用規(guī)范變更和章節(jié)的合并，衍變?yōu)楝F(xiàn)行有效的軍機吞鳥要求JSSG-2007的為3.3.2.1 吞鳥、4.3.2.1 吞鳥試驗、A3.3.2.1、A4.3.2.1 條吞鳥相關要求。其間，涉及吞鳥實質(zhì)性變化的修訂為由MIL-E-5007D到MIL-E-5007E的參數(shù)細化。

美國軍標吞鳥要求提出開始至今，主要內(nèi)容及變化如下：

（1）吞鳥要求在MIL-E-5007D 中提出開始時，對于鳥的驗證類型也分為大鳥、中鳥和小鳥，形成了現(xiàn)行軍機吞鳥要求的基礎。

（2）在MIL-E-5007E 修訂吞鳥要求時，主體要求不變，但細化了參數(shù)，驗證要求更加嚴格。鳥的質(zhì)量都有所增加。計算方法改為按照進氣道面積或發(fā)動機進口面積；撞擊位置方面，強調(diào)了1 kg 以上鳥撞擊進口的關鍵位置；驗證程序方面增加了高度的限制。

2.1.1.2 美國適航標準[53]

在軍用航空器適航性方面，美國軍方在20 世紀90年代初率先提出軍機適航性的概念，在追求性能指標的同時，提高了安全性要求，并對F-15、F-16、F-22和F-35飛機進行了適航性審查。2002年10月，美國國防部頒布MIL-HDBK-516《軍用航空器適航性審查準則》，隨后分別于2004年2月25日、2005年9月26日、2018年1月、2008年2月，修訂形成MILHDBK-516A、MIL-HDBK-516B、MIL-HDBK-516B1、MIL-HDBK-516C。

MIL-HDBK-516C 中對于吞鳥要求直接引用了JSSG-2007 的吞鳥章節(jié)和內(nèi)容，在3.3.2.1、4.3.2.1、A.3.3.2.1 和A.4.3.2.1 中體現(xiàn)，具體要求內(nèi)容與JSSG-2007一致，未發(fā)生變化。

2.1.2 歐盟的規(guī)范/規(guī)章

2.1.2.1 歐盟通用規(guī)范[54]

英國國防標準Def Stan00-970《軍用飛機用設計和適航性要求》第11 部起源于1987年5月29日的國防標準Def Stan00-971，2006年1月27日完成更新。

Def Stan00-970 Part11 中吞鳥要求在3.E 800 中體現(xiàn)，具體要求為按照飛機的類型進行分類，內(nèi)容涵蓋CS-E 和JSSG-2007 中吞鳥要求。其中明確，運輸機、海上偵察機和直升機發(fā)動機按照CS-E條款要求，高性能戰(zhàn)斗機或教練機使用的發(fā)動機按照JSSG-2007要求。

2.1.2.2 歐盟適航性標準[55-56]

21 世紀初，歐盟各國分別發(fā)展了自己的軍用航空器適航性準則。為解決歐盟內(nèi)各國在軍用航空器協(xié)作過程中的問題，歐盟各國成立論壇，參考美國的MIL-HDBK-516B 制定了EMAR《歐洲軍用適航性規(guī)章》和EMACC Hand Book《歐洲軍用適航性審查準則》，并對CH-47D（法國），安-70（烏克蘭）、A400M（空客）、臺風戰(zhàn)斗機等開展了軍用航空器適航性工作。

EMACC 依據(jù)和引用更多現(xiàn)有的規(guī)章條例標準規(guī)范執(zhí)行，如其他MIL 標準規(guī)范、JSSG、FAR、TSO、AC等條例。更詳細地規(guī)定了用于確定所有軍用航空器系統(tǒng)的適航性審查標準，以方便有關軍事適航當局、有關當局或其他實體用這份文件來界定航空系統(tǒng)適航性審查依據(jù)的基礎文件。

EMAR 規(guī)定了軍用航空器設計、制造、試驗、運營、適航審定、TC/PC 的取證流程等各項適航性規(guī)章。其中，EMAR 21 是軍用航空器適航性基礎準則，包含適航技術和有關當局的程序2 部分。它主要包括了軍用航空器的設計、制造、試驗、維修等相關的各項適航技術要求；軍用航空器型號合格證/限制型號合格證/補充型號合格證的授權、變更和批準等。對于吞鳥的具體要求在涵蓋了JSSG-2007、Def Stan00-970-11、FAR 33和CS-E中吞鳥內(nèi)容。

2.1.3 中國的規(guī)范/規(guī)章[57-59]

中國目前沒有軍用航空器適航性審查準則，吞鳥要求在通用規(guī)范和專用軍標中提出。

中國航空渦輪噴氣和渦輪風扇發(fā)動機通用規(guī)范起源于1987年2月17日頒布的GJB 241-1987，吞鳥驗證的相關要求完全借鑒了美國MIL-E-5007D；2010年9月16日，頒布GJB 241A-2010，代替GJB 241-1987，吞鳥驗證的相關要求完全借鑒了美國MIL-E-5007E，要求主體不變，在細節(jié)上按照MIL-E-5007E進行了完善。

GJB 3727 是針對吞鳥的專用要求，規(guī)定了航空發(fā)動機吞鳥試驗技術要求和試驗方法，目前頒布的只有GJB 3727-1999 版本。GJB 3727-1999 在編制過程中引用了GJB 241-1987，并參考國外相關標準。其關于吞鳥試驗條件的要求與GJB 241-1987 一致，另外對吞鳥過程中的一些細節(jié)提出了進一步說明，如試驗設備及鳥的準備、試車程序、試車數(shù)據(jù)記錄與整理等。本質(zhì)上來說，其內(nèi)容與MIL-E-5007E 中吞鳥要求相同，亦即與GJB 241A-2010 A 3.8.6.1 和4.4.2.4.5完全相同。

2.2 軍用航空發(fā)動機規(guī)范/規(guī)章吞鳥要求的衍變階段分析

各軍用航空發(fā)動機規(guī)范/規(guī)章吞鳥要求衍變過程關系如圖2所示。

軍用吞鳥要求從起源開始，吞鳥要求的變化可以分為4個階段：

（1）第1階段，軍機吞鳥要求首次提出。

1951～1979年，從美國軍用航空發(fā)動機通用規(guī)范MIL-E-5007A 出現(xiàn)開始，于1973年首次在MIL-E-5007D提出吞鳥要求，形成了第1版軍機吞鳥要求；

（2）第2階段，軍機吞鳥要求參數(shù)固化。

1980～2001年，以完成參數(shù)細化的MIL-E-5007E 吞鳥要求為標志，形成了現(xiàn)行有效的軍機吞鳥要求，并一直沿用至今，成為世界通用的軍機吞鳥驗證依據(jù)；

（3）第3階段，軍機適航規(guī)章陸續(xù)頒布。

2002～2008年，以美國國防部頒布MIL-HDBK-516《軍用航空器適航性審查準則》為標志，適航理念被引入軍機研制，開啟了軍機適航驗證階段。后續(xù)，英國和歐洲陸續(xù)頒布了英國國防部標準和歐洲軍用適航性規(guī)章，制定了在原軍用吞鳥要求基礎上增加了民機適航規(guī)章吞鳥要求的軍機適航規(guī)章。

（4）第4階段，歐美吞鳥要求自成體系。

2009年至今，以美國和歐洲為代表，軍機吞鳥要分為2 類各自執(zhí)行。美國軍用航空發(fā)動機通用規(guī)范和適航規(guī)章中吞鳥要求相同，始終與1980年形成的吞鳥要求相同。英國和歐洲的軍機吞鳥要求則在美國軍用吞鳥要求上增加了民機適航要求內(nèi)容，并按照不同飛機類型執(zhí)行對應的要求。

2.3 軍用航空發(fā)動機規(guī)范/規(guī)章吞鳥要求的內(nèi)容衍變分析

綜觀世界軍機吞鳥要求衍變歷程，涉及核心驗證參數(shù)的主要有3個版本。以對應美國軍機通用規(guī)范吞鳥要求內(nèi)容為代表，按照衍變的各階段分別對應MIL-5007D（3.2.5.6.1、3.2.5.6.1）和JSSG - 2007（3.3.2.1、4.3.2.1、A3.3.2.1、A4.3.2.1）條內(nèi)容。此外，由于缺少與英國國防部標準DEF 00-970-11 3.E800 吞鳥參數(shù)對應的美國軍機通用標準，因此單獨表達，具體見表6。

表6 軍用吞鳥要求等效情況

對于前2 個版本的吞鳥，要求內(nèi)容基本不變，僅為參數(shù)細化和圓整。引入適航理念后，美國仍然沿用軍機通用規(guī)范要求，其他的軍機適航規(guī)章驗證要求在原有基礎上增加了民機適航條款要求，具體如下：

（1）軍機吞鳥要求自美國通用規(guī)范MIL-E-5007D 提出，在80年代修訂的MIL-E-5007E 后，吞鳥要求一致持續(xù)至今，吞鳥驗證要求在發(fā)展歷程中沒有本質(zhì)變化，并一直作為各國軍機吞鳥要求的基礎。

（2）軍機適航規(guī)章從2002年頒布提出開始，美國規(guī)章要求與通用規(guī)范要求協(xié)調(diào)一致；英國國防標準和歐洲軍用適航要求中，吞鳥要求都涵蓋了CS-E 和JSSG-2007 二者內(nèi)容，且給出了根據(jù)不同類型飛機選擇執(zhí)行的具體內(nèi)容。

（3）中國發(fā)動機通用規(guī)范在修訂過程中主要借鑒美國航空發(fā)動機通用規(guī)范要求，吞鳥要求與美軍標和美軍機適航規(guī)章保持一致。

3 軍民用航空發(fā)動機通用規(guī)范/適航規(guī)章吞鳥要求內(nèi)容差異分析

隨著英國和歐洲適航規(guī)章的頒布和更新，軍機適航規(guī)章吞鳥要求已經(jīng)完全涵蓋了民機適航規(guī)章和軍用航空發(fā)動機通用規(guī)范的要求。

本節(jié)對民用航空發(fā)動機適航規(guī)章和軍用航空發(fā)動機通用規(guī)范內(nèi)容差異進行分析，以民機適航規(guī)章吞鳥要求8 個版本內(nèi)容和軍用航空發(fā)動機通用規(guī)范吞鳥標準3 個版本內(nèi)容為對象，對比軍民機吞鳥要求的具體差異。吞鳥條款/標準如圖3所示。

3.1 試驗類型

民用航空發(fā)動機適航規(guī)章和軍用航空發(fā)動機通用規(guī)范/適航規(guī)章對吞鳥驗證的試驗類型都包括了單只大鳥、中鳥和小鳥3 種類型。但民用航空發(fā)動機適航規(guī)章的中鳥驗證要求包括了2 種驗證要求，且從2007年起又增加了大型群鳥的驗證要求。

3.2 試驗參數(shù)

試驗參數(shù)方面包括鳥的數(shù)量、質(zhì)量、鳥速和發(fā)動機轉(zhuǎn)速、撞擊位置。

3.2.1 數(shù)量

FAR 33.76（2007年）版中只是增加了多羽毛大鳥的驗證項目，因此對前8 個版本的軍民用吞鳥要求的鳥數(shù)進行對比，見表7。

就鳥的數(shù)量來說，軍、民用要求在要求起始時都是按照面積計算得到，且計算方法和結果基本相同。在后續(xù)衍變過程中，小鳥數(shù)量計算方法始終相同，大鳥數(shù)量也始終相同，為吞1只。

但對于中鳥數(shù)量，按照計算方法軍用要求的數(shù)量始終多于民用。需要注意的是，這只是按照計算方法得到的結論，具體到軍用規(guī)范中鳥驗證內(nèi)容中，始終強調(diào)的是每次試驗吞1只中鳥。

3.2.2 質(zhì)量

就鳥的質(zhì)量來說，軍民用要求起始時各鳥型質(zhì)量等級基本相同，見表8。

表8 鳥的質(zhì)量

FAR33.76 條款沒有頒布前，同等驗證類型下軍用要求的鳥重高于民用要求。在FAR33.76條款正式頒布之后，中鳥和大鳥的質(zhì)量在原要求質(zhì)量基礎上根據(jù)進口面積增加了不同質(zhì)量要求。

3.2.3 驗證狀態(tài)

驗證狀態(tài)包括鳥速和發(fā)動機轉(zhuǎn)速，具體來說軍用規(guī)范的驗證狀態(tài)要求遠遠高于民用航空發(fā)動機適航規(guī)章要求。在大鳥驗證狀態(tài)二者相當，但中小鳥相差較大。

軍用發(fā)動機通用規(guī)范始終要求在3 種狀態(tài)下進行驗證，分別包括了鳥速等于飛機起飛飛行速度，發(fā)動機轉(zhuǎn)速為最大狀態(tài)轉(zhuǎn)速；鳥速等于3000 m 高度內(nèi)飛機巡航飛行速度，發(fā)動機轉(zhuǎn)速為巡航規(guī)定轉(zhuǎn)速；鳥速等于1500 m 高度內(nèi)飛機下滑飛行速度，發(fā)動機轉(zhuǎn)速為下滑規(guī)定轉(zhuǎn)速。

而民用航空發(fā)動機適航規(guī)章始終要求一種驗證狀態(tài)，鳥速為反應反映從地面到地面上460 m 的正常飛行高度所使用的空速范圍內(nèi)的最嚴酷條件的，但不應小于飛機的V1最小速度，發(fā)動機在100%起飛功率或者推力條件下進行。

3.2.4 撞擊位置

就撞擊位置，隨著民機適航吞鳥要求的演變，相對于軍用要求越來越嚴格，特別是從FAR33.76 頒布以后，明確提出了對準核心機主通道的要求，見表9。

表9 撞擊位置

3.3 試驗程序

就試驗程序，民用適航吞鳥要求經(jīng)過演變，要求已遠高于軍用航空發(fā)動機通用規(guī)范要求。其中，大鳥的驗證程序二者沒有明顯差別，中、小鳥的試驗程序，民用航空發(fā)動機適航規(guī)章對吞咽后的運行狀態(tài)和時間做出明確的要求，具體如圖4、5所示。

圖4 軍用航空發(fā)動機通用規(guī)范吞鳥運行程序

圖5 民用航空發(fā)動機適航規(guī)章吞鳥要求運行程序

3.4 通過標準

就通過標準來說，軍民用航空發(fā)動機吞鳥要求都分為安全性和運轉(zhuǎn)能力2個方面要求，見表10。

表10 通過標準

對于大鳥，都要求發(fā)動機不應發(fā)生導致飛機損壞的危險性事件，對于中鳥和小鳥，則都要求吞咽之后具有足夠的推力。所不同的是，推力損失量級上軍用吞小鳥后的推力損失要求更加嚴格，而吞咽后的運行時間和程序方面，民用航空發(fā)動機要求更加嚴格。

3.5 吞鳥典型案例

本節(jié)通過對民用大涵道比發(fā)動機CFM56-5B 吞鳥典型案例介紹，加深對國外大涵道比發(fā)動機吞鳥適航驗證的印象。

1993年，CFM56-5B 發(fā)動機按照FAR33.77 外物吸入條款完成FAA的適航取證。

采用整機級試驗完成吞入0.68 kg 中鳥群試驗。在發(fā)動機低壓轉(zhuǎn)子物理轉(zhuǎn)速5070 r/min 狀態(tài)，在0.3 s內(nèi)6只0.68 kg的鳥先后投射到風扇葉片的葉中、凸肩和葉尖位置，發(fā)動機在1.5 s 內(nèi)恢復穩(wěn)定，通過了試驗驗證。

同時，采用部件試驗完成了吞入1只1.15 kg中鳥試驗。在旋轉(zhuǎn)地坑中采用1 只1.15 kg 中鳥撞擊風扇葉片70%葉高位置，并將受損葉片換裝到整機上驗證了87.2%推力。

4 結論

4.1 適航要求與通用規(guī)范吞鳥要求的關系[60]

國內(nèi)外適航要求和通用規(guī)范吞鳥要求衍變歷程和應用情況對比分析結果表明，歐美等國家、地區(qū)，適航規(guī)章、通用規(guī)范研究起步較早，經(jīng)歷了長期的、系統(tǒng)的研究與大量的型號應用驗證，規(guī)章的不斷修訂和提高要求，經(jīng)過了多個型號驗證考核。吞鳥要求的頒布和實施借鑒了航空發(fā)動機的研制的實踐經(jīng)驗，與技術/產(chǎn)品的相互促進，并呈現(xiàn)出螺旋式增長關系。各發(fā)動機吞鳥驗證過程中，應用的吞鳥要求與同期技術能力相匹配，而更新內(nèi)容或提高要求的吞鳥要求隨工業(yè)技術水平的提升推廣應用。

俄羅斯和中國的適航規(guī)章制定過程，具有一定的相似性，更多的是借鑒了適航領域更具話語權的美國和歐洲適航規(guī)章，缺少了適航要求的制定和發(fā)動機技術互鎖，發(fā)動機研制過程和適航要求提高互促的過程，因此在具體的發(fā)動機驗證中都沒有嚴格的執(zhí)行適航要求。

因此，建議現(xiàn)階段中國軍用大涵道比渦扇發(fā)動機吞鳥驗證應用與中國工業(yè)技術水平或與發(fā)動機現(xiàn)有技術能力相匹配的吞鳥要求。

4.2 適航要求與通用規(guī)范吞鳥要求具體參數(shù)的關系

適航要求與軍用航空發(fā)動機通用規(guī)范側(cè)重點不同，即適航要求是保障航空發(fā)動機安全的最低要求，是以安全性為導向提出，但具體的應用需要考慮各個航空器制造商技術差異的平衡與妥協(xié)。軍用航空發(fā)動機通用規(guī)范是型號研制的技術要求，需要考慮的是軍機指標的先進性要求。因此，軍用航空發(fā)動機通用規(guī)范具體要求比民機適航規(guī)章更加嚴格。

就國內(nèi)外適航要求和通用規(guī)范吞鳥要求衍變歷程和具體參數(shù)對比分析結果來說，從試驗類型（科目）、試驗參數(shù)、試驗程序到驗收標準，適航規(guī)章和通用規(guī)范參數(shù)逐步統(tǒng)一，并且呈現(xiàn)出參數(shù)要求越來越嚴格的特點。

吞鳥參數(shù)變化特點代表了適航規(guī)章和通用規(guī)范對發(fā)動機研制要求的變化方向。因此，建議制定符合中國國情的軍機適航規(guī)章，作為未來軍用發(fā)動機研制的依據(jù)和技術牽引，加速中國工業(yè)技術水平或發(fā)動機技術能力提升。

4.3 中國軍用大涵道比發(fā)動機吞鳥能力驗證建議

從中國適航規(guī)章和通用規(guī)范的發(fā)展歷程來看，均沒有經(jīng)過技術進步的促進過程。中國航空發(fā)動機在吞鳥能驗證的相關標準應用方面，基本沒有可供大涵道比軍用發(fā)動機借鑒的經(jīng)驗，且沒有經(jīng)歷過規(guī)范要求與發(fā)動機研制、互相融合與完善的過程，同時也沒有經(jīng)歷過規(guī)范要求的提高和應用隨工業(yè)技術水平提升的過程。

從中國軍用大涵道比渦扇發(fā)動機技術特點來看，采用了大尺寸凸肩窄弦風扇葉片。國外這一技術特點的民用大涵道比發(fā)動機都是依據(jù)與1984年頒布FAR 33.77等效的吞鳥要求開展驗證。

因此，建議現(xiàn)階段中國軍用大涵道比發(fā)動機按照FAR 33.77條款要求開展吞鳥適航符合性驗證。