CCAR.适航符合性验证思路简述

CCAR.适航符合性验证思路简述
作者：沈东
来源：《科技视界》2017年第05期
【摘要】民用大型运输类飞机需要满足中国民用航空规章第25部《运输类飞机适航标准》才能取得型号合格证。

本文对其中的25.1093条款要求进行了分析，提出了建议的符合性验证方法和思路，并对符合性验证中的难点进行了简要说明，为运输类飞机25.1093条款的适航审查和符合性验证工作提供参考。

【关键词】CCAR25.1093；结冰条件；冰脱落；符合性验证
0 概述
飞机在穿越云层时，发动机进气道唇口蒙皮会出现结冰现象。

如果不进行发动机唇口蒙皮结冰防护，结冰到一定程度会造成发动机进气道进气畸变，导致发动机异常振动，另外，机体表面冰脱落被吸入发动机时可能造成发动机压气机叶片受损，严重的会导致发动机熄火[1]。

为了保证发动机能够在结冰条件下安全运行，针对发动机进气系统，CCAR25部规章制定了25.1093条款-进气系统防冰[2]。

具体要求如下：
（a）活塞发动机
活塞发动机的进气系统必须有防冰和除冰措施。

除非用其它方法来满足上述要求，否则必须表明，在温度为-1.1℃（30°F）的无可见水汽的空气中，每架装有高空发动机的飞机，均符合下列规定：
（1）采用普通文氏管式汽化器时，装有预热器，能在发动机以60%最大连续功率运转情况下提供67℃（120°F）的温升；
（2）采用可减少结冰概率的汽化器时，装有预热器，能在发动机以60%最大连续功率运转情况下提供56℃（100°F）的温升。

（b）涡轮发动机
（1）每台涡轮发动机必须能在下列条件下在其整个飞行功率（推力）范围（包括慢车）工作，而发动机、进气系统部件或飞机机体部件上没有不利于发动机运转或引起功率或推力严重损失的冰积聚：
（i）附录C规定的结冰条件；
（ii）为飞机作该类营运所制定的使用限制内的降雪和扬雪情况。

（2）每台涡轮发动机必须在温度-9～-1℃（15～30°F）、液态水含量不小于0.3克/米3、水呈水滴状态（其平均有效直径不小于20微米）的大气条件下，进行地面慢车运转30分钟，此时可供发动机防冰用的引气处于其临界状态，而无不利影响，随后发动机以起飞功率（推力）作短暂运转。

在上述30分钟慢车运转期间，发动机可以按适航当局可接受的方式间歇地加大转速到中等功率（推力）。

（c）增压式活塞发动机
每台装有增压器（对进入汽化器之前的空气进行增压）的活塞发动机，在判断符合本条（a）的规定时，在任何高度上均可利用由此增压所产生的空气温升，只要所利用的温升是在有关的高度和运转条件下因增压而自动获得的。

[中国民用航空局1995年12月18日第二次修订]
25.1093条款针对活塞发动机、涡轮发动机、增压式活塞发动机三种不同类型的发动机进行了专门的进气系统防冰要求。

目前，大型民用运输类飞机安装的发动机基本皆为涡轮喷气式发动机，因此，本文仅对25.1093（b）的验证思路和验证方法进行简述。

1 CCAR25.1093（b）条款关键点解析
整个飞行功率（推力）范围（包括慢车）：在可以防止慢车停车推力之外，整个推力范围都需要为发动机提供防冰措施。

“发动机、进气系统部件或飞机机体部件上没有不利于发动机运转或引起功率或推力严重损失的冰积聚”中发动机主要指发动机风扇叶片等结冰表面，进气系统部件主要指进气道唇口，飞机机体解释为任何可能有冰聚集、并且产生的冰可能被吸入发动机的机体部件，可能结冰的机体部件主要有机头、机翼（前缘和回流冰）、机身、天线屏蔽器、天线等。

“不利于发动机运转或引起功率或推力严重损失”：结冰对发动机的影响主要有异常振动、推力损失、机械损伤三种情况[3]。

不同型号的发动机对应不同的不可接受振动、推力损失、机械损伤的标准，在进行25.1093条款适航符合性验证时，需要发动机供应商提供这些标准。

2 CCAR25.1093（b）与CCAR33.68的区别
CCAR33.68从发动机本体出发，要求在结冰条件下，整个飞行推力范围内，发动机部件上没有影响发动机运转或造成不可接受的推力损失的冰积聚。

属于从发动机制造商角度考虑的条款，关注点是发动机自身的状态和能力，例如，熄火、喘振、压气机失速、转子卡死、异常振动、推力响应慢、丧失推力保持等。

CCAR25.1093（b）从飞机出发，要求在结冰条件下，整个飞行推力范围内，发动机、机体、进气道上没有影响发动机运转或造成不可接受的推力损失的冰积聚，关注点是发动机安装后与飞机的匹配。

一般适航验证中，CCAR33.68需要先于CCAR25.1093（b）完成验证，满足CCAR33.68是进行CCAR25.1093（b）验证的基础。

CCAR33.68的验证试验为CCAR25.1093（b）提供结冰条件下发动机的推力变化特性、振动特性、发动机机械损伤容限等关键参数。

3 25.1093（b）条款验证思路
对25.1093（b）条款的验证主要分为三个部分：机体冰脱落符合性验证、发动机风扇冰脱落符合性验证、短舱防冰系统符合性验证。

3.1 机体冰脱落符合性验证
机体冰脱落符合性验证的大致流程如图1下：
图1 机体冰脱落符合性验证流程
验证难点：1）大尺寸表面的结冰量计算缺乏冰风洞试验结果支持，计算结果仅能做参考，不能用来直接表明符合性。

2）冰脱落时破裂特性缺少理论和试验支持，一般按最保守的破裂成两块处理，为冰脱落的符合性验证增加了难度。

3）对于脱落后冰块运动轨迹模拟，由于冰块的尺寸和质量难以确定，叠加上飞行姿态和外界气流环境，模拟结果的可信性很难验证，不能用来直接表明符合性。

4）冰脱落自然结冰试飞无法验证到最临界的冰脱落条件，仅能验证个别结冰条件下的冰脱落符合性。

一般，大尺寸结冰表面（如机头）冰脱落的符合性验证采用计算分析、自然结冰试飞、相似性分析相结合的方式表明符合性。

冰脱落相似性分析的要点：
1）选取的相似机型具有足够的安全服役数据。

2）飞机布局和外形相似。

飞机布局和几何外形相似是发动机吸入机体脱落冰相似性分析的基础，也是后续流场相似和结冰特性相似分析工作的前提。

3）流场特性相似。

飞机的结冰特性和飞机气动流场密切相关，气动流场影响水滴的运动轨迹进而影响结冰外形，流场特性发生变化，水滴运动轨迹和结冰冰形也随之发生改变。

另一方面，如果冰块从机体（下转第290页）（上接第345页）表面脱落，脱落冰块的运动轨迹也受到飞机气动流场的影响。

4）结冰特性相似。

冰脱落轨迹与冰块初始脱落位置、冰块大小以及形状有关，结冰冰形和结冰位置必须具备相似性，才能保证在具有相似性的流场前提下，脱落冰块的运动轨迹具有相似性。

3.2 涡轮发动机风扇叶片冰脱落符合性验证
发动机风扇叶片冰脱落可能会导致发动机产生机械损伤，在符合性验证中，一般采用计算分析和试飞的方法来表明风扇叶片冰脱落不会对发动机造成机械损伤或不可接受的推力损失。

验证难点：风扇冰脱落的符合性风扇冰脱落自然结冰试飞，FAA AC20-147建议发动机风扇冰脱落飞行试验在飞机（发动机）爬升（最大爬升）、待机、下降（空中慢车）三个阶段中的每个阶段进行三次发动机风扇自然冰脱落试飞试验。

风扇冰脱落自然结冰试验条件要求高，试飞风险大，冰脱落判据难以确定。

在试验前需要做充分的分析和地面试验，包括：结冰条件下的实验室试验、发动机机械损伤判据、发动机振动特性等。

3.3 发动机进气道唇口防冰系统性能符合性验证
进气道唇口结冰带来的危害由：1）改变进气流场，导致进气畸变；2）进气道唇口冰脱落，造成发动机机械损伤。

进气道唇口防冰系统一般采用性能计算分析、结冰条件下的地面试验、自然结冰飞行试验的方法进行符合性验证。

验证难点：结冰条件下进气道唇口防冰系统地面试验需要在25.1093（b）（2）要求的结冰条件下进行，这种结冰条件在自然条件下很难遇到，需要通过地面结冰条件模拟设备模拟满足条款要求的结冰条件。

试验前需要对结冰条件模拟设备试验段的云雾模拟面积和质量、液态水含量、水滴颗粒直径、水滴分布的均匀性等参数进行标定和检查。

4 总结
本文提出的CCAR25.1093（b）符合性验证思路既是对以往经验的总结，又是对后续型号验证工作的指导，在CCAR25.1093（b）的适航验证过程中，符合性方法较为明确，主要为计算分析、地面试验、飞行试验、相似性分析。

但验证过程中还有诸多难点，例如，机体表面冰脱落特性、大尺寸表面结冰量的计算校核、冰脱落后的运动轨迹、发动机风扇叶片冰脱落计算模型的建立和校核、自然结冰试飞方法的改善等还需要进一步的研究。

另外，针对验证工作中的技术难点申请人需尽早与审查方沟通，共同寻找最优方案，避免后期出现分歧。

【参考文献】
[1]裘燮纲，韩凤华.飞机防冰系统[M].北京：航空专业教材审编组，1985.
[2]中国民用航空局.中国民用航空规章第25部：运输类飞机适航规章[S].2011.
[3]U.S.Department of Transportation Federal Aviation Administration，AC20-147，TURBOJET，TURBOPROP，AND TURBOFAN ENGINE INDUCTION SYSTEM ICING AND ICE INGESTION[Z].2004.
[责任编辑：田吉捷]。