陳君偉

(中國(guó)航發(fā)控制系統(tǒng)研究所，江蘇無(wú)錫214063)

航空發(fā)動(dòng)機(jī)超轉(zhuǎn)保護(hù)系統(tǒng)適航符合性研究

陳君偉

(中國(guó)航發(fā)控制系統(tǒng)研究所，江蘇無(wú)錫214063)

適航要求是利益相關(guān)方的需要，不能直接作為需求用于設(shè)計(jì)，如何解讀適航要求并實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)是適航符合性的重點(diǎn)。以民用航空發(fā)動(dòng)機(jī)超轉(zhuǎn)保護(hù)系統(tǒng)相關(guān)適航要求為基礎(chǔ)，利用系統(tǒng)工程中的需求分析方法，將超轉(zhuǎn)保護(hù)系統(tǒng)的適航要求轉(zhuǎn)化分解為全壽命周期的設(shè)計(jì)需求。針對(duì)分解識(shí)別出的設(shè)計(jì)需求，提出了發(fā)動(dòng)機(jī)超轉(zhuǎn)保護(hù)系統(tǒng)的適航符合性方法，以及電子和機(jī)械超轉(zhuǎn)保護(hù)系統(tǒng)在適航審定中的驗(yàn)證內(nèi)容，可為民用航空發(fā)動(dòng)機(jī)超轉(zhuǎn)保護(hù)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、驗(yàn)證提供參考和借鑒。

航空發(fā)動(dòng)機(jī)；超轉(zhuǎn)保護(hù)；符合性方法；發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子；控制系統(tǒng)；適航規(guī)章；需求分析

1 引言

現(xiàn)代燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)控制的基本任務(wù)，是在發(fā)動(dòng)機(jī)各個(gè)氣動(dòng)、熱力和機(jī)械設(shè)計(jì)限制內(nèi)，提供滿足飛機(jī)各種工作狀態(tài)所需要的燃油，并相應(yīng)調(diào)節(jié)一些可變幾何形狀，從而得到安全、穩(wěn)定的發(fā)動(dòng)機(jī)性能及快速響應(yīng)[1]。

在燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)的機(jī)械結(jié)構(gòu)限制中，比較典型的是轉(zhuǎn)子允許的最大轉(zhuǎn)速限制，即發(fā)動(dòng)機(jī)超轉(zhuǎn)限制。航空發(fā)動(dòng)機(jī)超轉(zhuǎn)事故輕則造成發(fā)動(dòng)機(jī)自身物理結(jié)構(gòu)受損(如葉片斷裂)，重則危及飛機(jī)飛行安全。鑒于超轉(zhuǎn)的巨大危害，超轉(zhuǎn)保護(hù)系統(tǒng)被認(rèn)為是發(fā)動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)中最關(guān)鍵的保障系統(tǒng)之一[2-3]。

當(dāng)前國(guó)內(nèi)外民用航空發(fā)動(dòng)機(jī)主要采用了全權(quán)限數(shù)字電子控制(FADEC)系統(tǒng)，其超轉(zhuǎn)保護(hù)系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)方式主要有機(jī)械液壓式和電子式兩種。CFM56-5B發(fā)動(dòng)機(jī)是典型的機(jī)械液壓式超轉(zhuǎn)保護(hù)系統(tǒng)，其利用離心轉(zhuǎn)子實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速測(cè)量與液壓執(zhí)行機(jī)構(gòu)動(dòng)作的關(guān)聯(lián)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)超轉(zhuǎn)的抑制，可防止發(fā)動(dòng)機(jī)超過(guò)穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)速106%。應(yīng)用電子式超轉(zhuǎn)保護(hù)的典型是V2500發(fā)動(dòng)機(jī)，其由數(shù)字電子控制器(EEC)實(shí)現(xiàn)超轉(zhuǎn)保護(hù)電子電路，硬件和軟件信號(hào)組合作動(dòng)力矩馬達(dá)，驅(qū)動(dòng)燃油計(jì)量裝置中獨(dú)立的超轉(zhuǎn)活門，以達(dá)到超轉(zhuǎn)后減少燃油流量到最小值的目的[4-5]。

在發(fā)動(dòng)機(jī)適航審定過(guò)程中，超轉(zhuǎn)保護(hù)系統(tǒng)作為發(fā)動(dòng)機(jī)的重要保護(hù)系統(tǒng)，必然也要滿足適航規(guī)章要求。美國(guó)聯(lián)邦航空管理局(FAA)在2008年頒布了Amdt33-26號(hào)修正案，對(duì)FAR33部[6]的發(fā)動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)要求進(jìn)行了修訂，明確提出了保護(hù)系統(tǒng)的適航要求，因此在其頒布后提出適航審定申請(qǐng)的發(fā)動(dòng)機(jī)型號(hào)均應(yīng)滿足這一要求。中國(guó)民用航空局(CAAC)在2011年參考FAR33部的第21～30修正案對(duì)CCAR33部[7]進(jìn)行了修訂，也增加了保護(hù)系統(tǒng)的適航要求。但由于國(guó)內(nèi)目前尚無(wú)一型自主研發(fā)的民用航空發(fā)動(dòng)機(jī)通過(guò)適航審定，超轉(zhuǎn)保護(hù)系統(tǒng)如何落實(shí)適航要求、表明對(duì)規(guī)章的符合性，還沒(méi)有可參考的經(jīng)驗(yàn)。因此，充分理解超轉(zhuǎn)保護(hù)系統(tǒng)適航要求，將其轉(zhuǎn)化為設(shè)計(jì)需求并落實(shí)，是當(dāng)前亟需開展的工作。本文使用系統(tǒng)工程的需求分析方法，結(jié)合控制系統(tǒng)全壽命周期管理，將超轉(zhuǎn)保護(hù)系統(tǒng)相關(guān)適航要求分解成為全壽命周期活動(dòng)中的設(shè)計(jì)需求，并針對(duì)性地提出了適用的符合性方法和驗(yàn)證內(nèi)容。

2 超轉(zhuǎn)保護(hù)系統(tǒng)適航要求及需求轉(zhuǎn)化

2.1 超轉(zhuǎn)保護(hù)系統(tǒng)適航要求

美國(guó)聯(lián)邦航空條例FAR33部和中國(guó)民用航空條例CCAR33部中，均對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)超轉(zhuǎn)保護(hù)系統(tǒng)做出了要求。以CCAR33部為例，其中對(duì)超轉(zhuǎn)保護(hù)系統(tǒng)最直接的要求是33.28條款的第f條[7]，其規(guī)定為：

(1)發(fā)動(dòng)機(jī)控制設(shè)備、系統(tǒng)和發(fā)動(dòng)機(jī)儀表的設(shè)計(jì)和功能，以及發(fā)動(dòng)機(jī)使用和維護(hù)說(shuō)明，必須合理保證，影響渦輪、壓氣機(jī)、風(fēng)扇、渦輪增壓器轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)完整性的發(fā)動(dòng)機(jī)使用限制在工作中不會(huì)被超出。

(2)當(dāng)提供電子式超轉(zhuǎn)保護(hù)系統(tǒng)時(shí)，設(shè)計(jì)必須包括系統(tǒng)的檢測(cè)方法，以確定保護(hù)功能的可用性，并且至少每個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)/停車循環(huán)檢測(cè)一次。該方法必須能以最少的循環(huán)數(shù)完成系統(tǒng)的全面測(cè)試。如果這種測(cè)試不是完全自動(dòng)的，則必須在發(fā)動(dòng)機(jī)使用說(shuō)明手冊(cè)中包含手動(dòng)測(cè)試的規(guī)定。

(3)如果超轉(zhuǎn)保護(hù)是液壓機(jī)械式或機(jī)械式的，必須通過(guò)試驗(yàn)或其他可接受的方法驗(yàn)證，超轉(zhuǎn)保護(hù)功能在檢查和維修周期內(nèi)可用。

從國(guó)內(nèi)外適航規(guī)章對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)超轉(zhuǎn)保護(hù)系統(tǒng)的要求可以看出，當(dāng)前發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)無(wú)論采用電子式超轉(zhuǎn)保護(hù)還是機(jī)械式超轉(zhuǎn)保護(hù)，都是民航審定許可的方式，只是在檢測(cè)手段上存在一定差別?？梢钥隙ǖ氖?，發(fā)動(dòng)機(jī)應(yīng)具有超轉(zhuǎn)保護(hù)系統(tǒng)，且該系統(tǒng)應(yīng)保證其在需要時(shí)可用。另外，超轉(zhuǎn)保護(hù)系統(tǒng)如果作為發(fā)動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)的一部分，還應(yīng)滿足控制系統(tǒng)的環(huán)境限制要求，即在聲明的環(huán)境條件下，包括電磁干擾(EMI)、高強(qiáng)度輻射場(chǎng)(HIRF)和閃電條件，系統(tǒng)功能不會(huì)受到有害影響。

除設(shè)計(jì)相關(guān)的適航規(guī)章外，在持續(xù)適航階段也有對(duì)超轉(zhuǎn)保護(hù)的要求。如在FAA對(duì)配裝FADEC系統(tǒng)的發(fā)動(dòng)機(jī)限時(shí)簽派的政策[8]中就明確提出，發(fā)動(dòng)機(jī)可簽派構(gòu)型必須保持關(guān)鍵的發(fā)動(dòng)機(jī)保護(hù)能力(包括超轉(zhuǎn)保護(hù)或其他關(guān)鍵限制功能)。即在民用發(fā)動(dòng)機(jī)日常運(yùn)營(yíng)時(shí)，當(dāng)發(fā)現(xiàn)超轉(zhuǎn)保護(hù)系統(tǒng)發(fā)生不能執(zhí)行保護(hù)能力的故障時(shí)，必須在飛行前修復(fù)，否則不能放飛簽派。

2.2 超轉(zhuǎn)保護(hù)系統(tǒng)適航要求的需求分解

適航要求本質(zhì)上屬于利益攸關(guān)者的要求，不屬于設(shè)計(jì)需求，所以適航要求不能直接用于設(shè)計(jì)。要想使設(shè)計(jì)滿足適航要求，可以按照系統(tǒng)工程的原則和方法對(duì)適航要求進(jìn)行轉(zhuǎn)化并實(shí)現(xiàn)。因此，需要對(duì)適航要求開展需求分析，將適航要求轉(zhuǎn)化為可實(shí)現(xiàn)的設(shè)計(jì)需求、驗(yàn)證需求和使用需求等。為保證需求的完整性，適航要求的分解應(yīng)在系統(tǒng)全壽命周期活動(dòng)上開展。發(fā)動(dòng)機(jī)數(shù)控系統(tǒng)的全壽命周期可能包括以下活動(dòng)，超轉(zhuǎn)保護(hù)系統(tǒng)一般作為數(shù)控系統(tǒng)的一部分，可以參考相關(guān)活動(dòng)定義：①工程設(shè)計(jì)_系統(tǒng)定義；②工程設(shè)計(jì)_工作包線；③工程設(shè)計(jì)_工作環(huán)境；④工程設(shè)計(jì)_環(huán)境排放；⑤工程設(shè)計(jì)_物理和工作界面；⑥工程設(shè)計(jì)_硬件設(shè)計(jì)；⑦工程設(shè)計(jì)_軟件開發(fā)；⑧工程設(shè)計(jì)_硬件驗(yàn)證；⑨工程設(shè)計(jì)_系統(tǒng)集成與驗(yàn)證；⑩工程設(shè)計(jì)_安全性(異常工作)；?工程設(shè)計(jì)_安裝設(shè)計(jì)；?工程設(shè)計(jì)_持續(xù)適航文件；?制造和裝配；?操作規(guī)程；?持續(xù)適航活動(dòng)/檢查等。

咨詢通告(AC)是對(duì)適航規(guī)章的解讀和符合性指導(dǎo)，因此對(duì)超轉(zhuǎn)保護(hù)系統(tǒng)適航規(guī)章開展需求分析時(shí)，主要依據(jù)AC33.28-3[9]第8章的指導(dǎo)內(nèi)容。對(duì)AC內(nèi)容進(jìn)行解析形成規(guī)章與需求追溯矩陣，如圖1所示。這些需求即可以納入需求文檔，作為設(shè)計(jì)需求的一部分。

按照?qǐng)D1的解析，形成與發(fā)動(dòng)機(jī)超轉(zhuǎn)保護(hù)系統(tǒng)相關(guān)的需求如下：

R01：控制系統(tǒng)應(yīng)明確提供超轉(zhuǎn)保護(hù)方式，是否是獨(dú)立的超轉(zhuǎn)保護(hù)系統(tǒng)？保護(hù)系統(tǒng)采用電子式還是機(jī)械式？是否有多個(gè)實(shí)施途徑？(工程設(shè)計(jì)_系統(tǒng)定義)

R02：發(fā)動(dòng)機(jī)應(yīng)證明任何可簽派構(gòu)型不存在單一失效造成喪失超轉(zhuǎn)保護(hù)的超轉(zhuǎn)事件。(工程設(shè)計(jì)_安全性)

R03：發(fā)動(dòng)機(jī)應(yīng)證明喪失超轉(zhuǎn)保護(hù)的超轉(zhuǎn)事件發(fā)生的概率小于10-8/飛行小時(shí)。(工程設(shè)計(jì)_安全性)

R04：應(yīng)避免燃油計(jì)量裝置和燃油關(guān)斷裝置有共模故障。(工程設(shè)計(jì)_安全性、硬件設(shè)計(jì))

R05：應(yīng)證明超轉(zhuǎn)保護(hù)系統(tǒng)的失效概率小于10-4/飛行小時(shí)。(工程設(shè)計(jì)_安全性)

R06：超轉(zhuǎn)保護(hù)系統(tǒng)應(yīng)具有合理的檢測(cè)/檢查方式用以確定超轉(zhuǎn)保護(hù)功能可用。(工程設(shè)計(jì)_系統(tǒng)定義)

R07：應(yīng)驗(yàn)證電子超轉(zhuǎn)保護(hù)系統(tǒng)每個(gè)實(shí)施途徑的檢測(cè)方式的完整性，確保超轉(zhuǎn)保護(hù)系統(tǒng)喪失可以在飛行前被獲知。(工程設(shè)計(jì)_系統(tǒng)集成與驗(yàn)證)

R08：應(yīng)描述檢查電子超轉(zhuǎn)保護(hù)系統(tǒng)每個(gè)實(shí)施途徑的功能可用性的方法和周期。(工程設(shè)計(jì)_持續(xù)適航文件；操作規(guī)程)

R09：應(yīng)在每次飛行前證明電子超轉(zhuǎn)保護(hù)系統(tǒng)功能至少有一個(gè)實(shí)施途徑的可用性。(持續(xù)適航活動(dòng)/檢查)

R10：應(yīng)驗(yàn)證機(jī)械超轉(zhuǎn)保護(hù)系統(tǒng)的耐久性。(工程設(shè)計(jì)_硬件驗(yàn)證)

R11：應(yīng)確定機(jī)械超轉(zhuǎn)保護(hù)系統(tǒng)的檢查間隔。(工程設(shè)計(jì)_安全性)

R12：應(yīng)描述機(jī)械超轉(zhuǎn)保護(hù)系統(tǒng)的檢查方法和最大檢查間隔。(工程設(shè)計(jì)_持續(xù)適航文件)

R13：應(yīng)制定合理的維修間隔/檢查計(jì)劃。(持續(xù)適航活動(dòng)/檢查)

R14：在聲明的電磁干擾、高強(qiáng)度輻射場(chǎng)、閃電環(huán)境下，超轉(zhuǎn)保護(hù)系統(tǒng)仍具有保護(hù)能力，且不會(huì)產(chǎn)生錯(cuò)誤操作。(工程設(shè)計(jì)_工作環(huán)境)

以上需求條目將成為超轉(zhuǎn)保護(hù)系統(tǒng)工程設(shè)計(jì)、使用維護(hù)的最直接要求。當(dāng)然，除此之外可能還存在一些通用的過(guò)程要求，如系統(tǒng)開發(fā)應(yīng)滿足SAE ARP4754A的系統(tǒng)構(gòu)型管理要求，若采用FPGA等可編程邏輯器件還需滿足DO-254的開發(fā)過(guò)程。

圖1 規(guī)章與需求追溯矩陣圖Fig.1 Traceable matrix of regulations and requirement

3 超轉(zhuǎn)保護(hù)系統(tǒng)適航符合性

3.1 超轉(zhuǎn)保護(hù)系統(tǒng)符合性方法

型號(hào)合格審查過(guò)程中，為獲得所需證據(jù)資料以表明適航條款的符合性，申請(qǐng)人通常需要采用不同的方法，而這些方法統(tǒng)稱為符合性驗(yàn)證方法(簡(jiǎn)稱符合性方法)。航空器型號(hào)合格審定程序[10]中推薦了10種符合性方法，方法名稱及說(shuō)明見表1。

參考審定程序推薦的符合性方法，對(duì)上文分解的超轉(zhuǎn)保護(hù)系統(tǒng)需求提出適用的符合性方法：

R01：①說(shuō)明性文件。需要在控制系統(tǒng)的超轉(zhuǎn)保護(hù)方案中明確闡述超轉(zhuǎn)保護(hù)系統(tǒng)的組成及工作原理，并描述超轉(zhuǎn)保護(hù)系統(tǒng)功能的實(shí)施途徑，如采用幾種輸入，有幾種決斷方式，輸出幾路控制量等。②模擬器試驗(yàn)。證明超轉(zhuǎn)保護(hù)系統(tǒng)能夠在發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子超過(guò)約定轉(zhuǎn)速時(shí)自動(dòng)實(shí)施保護(hù)功能。

R02：安全評(píng)估。利用安全性評(píng)估的方法分析控制系統(tǒng)的每種簽派構(gòu)型，確定在任何可簽派構(gòu)型下不會(huì)由單一故障造成發(fā)動(dòng)機(jī)超轉(zhuǎn)。

R03：安全評(píng)估。采用安全性評(píng)估證明相應(yīng)事件滿足概率要求。

R04：安全評(píng)估。采用共因分析方法(CCA)分析確定控制系統(tǒng)的燃油控制功能和超轉(zhuǎn)保護(hù)功能間不存在共因失效。

R05：安全評(píng)估。采用安全性評(píng)估證明超轉(zhuǎn)保護(hù)系統(tǒng)的功能可用性滿足概率要求。

R06：說(shuō)明性文件。需要在超轉(zhuǎn)保護(hù)方案中闡述功能的檢測(cè)/檢查方法，如機(jī)內(nèi)自檢測(cè)(BIT)的設(shè)計(jì)，或使用自動(dòng)檢測(cè)設(shè)備的輔助檢測(cè)手段等。

R07：模擬器試驗(yàn)。證明電子超轉(zhuǎn)保護(hù)發(fā)生故障能夠被檢測(cè)并正確通知機(jī)組或維護(hù)人員。若超轉(zhuǎn)保護(hù)功能的實(shí)施存在多個(gè)途徑，應(yīng)證明每個(gè)途徑的故障都能被檢測(cè)。

R08：說(shuō)明性文件。應(yīng)在合適的文件中說(shuō)明電子超轉(zhuǎn)保護(hù)系統(tǒng)的檢測(cè)方法、檢測(cè)周期及告警方式。

R09：航空器檢查。按持續(xù)適航文件執(zhí)行超轉(zhuǎn)保護(hù)系統(tǒng)的檢測(cè)/檢查。

R10：試驗(yàn)室試驗(yàn)。驗(yàn)證機(jī)械超轉(zhuǎn)保護(hù)系統(tǒng)的機(jī)械結(jié)構(gòu)件的壽命滿足使用要求。

R11：安全分析。通過(guò)分析確定能夠滿足機(jī)械超轉(zhuǎn)保護(hù)系統(tǒng)可用性的最大檢查間隔。

R12：說(shuō)明性文件。應(yīng)在合適的文件中說(shuō)明機(jī)械超轉(zhuǎn)保護(hù)系統(tǒng)的檢測(cè)方法和最大檢查間隔。

R13：說(shuō)明性文件。應(yīng)在合適的文件中給出建議的機(jī)械超轉(zhuǎn)保護(hù)系統(tǒng)的維修檢查間隔。

R14：試驗(yàn)室試驗(yàn)。通過(guò)試驗(yàn)證明超轉(zhuǎn)保護(hù)系統(tǒng)在特定環(huán)境下的可用性和完整性。

3.2 超轉(zhuǎn)保護(hù)系統(tǒng)驗(yàn)證內(nèi)容

通過(guò)上文分析得知，超轉(zhuǎn)保護(hù)系統(tǒng)的驗(yàn)證至少應(yīng)包括保護(hù)功能驗(yàn)證、檢測(cè)功能驗(yàn)證、環(huán)境適應(yīng)性驗(yàn)證、安全性驗(yàn)證、機(jī)械壽命驗(yàn)證。

(1)保護(hù)功能驗(yàn)證

系統(tǒng)集成時(shí)應(yīng)對(duì)超轉(zhuǎn)保護(hù)功能驗(yàn)證，目的是驗(yàn)證發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速超過(guò)特定值時(shí)，系統(tǒng)能夠正確執(zhí)行保護(hù)功能。以雙轉(zhuǎn)子渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)為例，超轉(zhuǎn)保護(hù)系統(tǒng)可能對(duì)低壓轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速(n1)和高壓轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速(n2)都具有保護(hù)作用，所以該超轉(zhuǎn)保護(hù)系統(tǒng)具有兩條保護(hù)途徑，應(yīng)對(duì)每條保護(hù)途徑進(jìn)行功能驗(yàn)證。驗(yàn)證方法是選擇發(fā)動(dòng)機(jī)典型包線點(diǎn)，將n1物理轉(zhuǎn)速紅線值調(diào)低(如調(diào)整至原紅線轉(zhuǎn)速的90%)，利用控制系統(tǒng)使發(fā)動(dòng)機(jī)達(dá)到最大狀態(tài)，觸發(fā)n1超轉(zhuǎn)保護(hù)。合格判據(jù)是當(dāng)n1轉(zhuǎn)速超過(guò)調(diào)整后紅線值給定設(shè)計(jì)判斷時(shí)間時(shí)，超轉(zhuǎn)保護(hù)系統(tǒng)應(yīng)能快速給出燃油關(guān)斷或降低燃油指令。同理，對(duì)n2保護(hù)途徑進(jìn)行驗(yàn)證。

(2)檢測(cè)功能驗(yàn)證

對(duì)于電子超轉(zhuǎn)保護(hù)系統(tǒng)，應(yīng)驗(yàn)證系統(tǒng)BIT的有效性。由于規(guī)章要求每次飛行前必須保證電子超轉(zhuǎn)保護(hù)系統(tǒng)至少有一個(gè)保護(hù)途徑可用，所以一般電子超轉(zhuǎn)保護(hù)系統(tǒng)采用飛行前BIT對(duì)系統(tǒng)可用性進(jìn)行檢測(cè)。對(duì)于BIT檢測(cè)有效性的驗(yàn)證，通常采用故障注入的手段，如探針注入、插拔注入、轉(zhuǎn)接注入、軟件注入等。下面給出某型電子超轉(zhuǎn)保護(hù)系統(tǒng)檢測(cè)功能的驗(yàn)證步驟：

①發(fā)動(dòng)機(jī)正常起動(dòng)，系統(tǒng)自動(dòng)執(zhí)行自檢程序，系統(tǒng)正常不報(bào)故，關(guān)閉發(fā)動(dòng)機(jī)，超轉(zhuǎn)保護(hù)系統(tǒng)斷電。

②斷開控制器向超轉(zhuǎn)保護(hù)電磁閥的輸出路徑，對(duì)超轉(zhuǎn)保護(hù)控制回路進(jìn)行故障注入。超轉(zhuǎn)保護(hù)系統(tǒng)上電，起動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)，系統(tǒng)自動(dòng)執(zhí)行自檢程序，應(yīng)發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)故障，并發(fā)送既定超轉(zhuǎn)保護(hù)系統(tǒng)故障指示。否則檢測(cè)功能異常，驗(yàn)證失敗。關(guān)閉發(fā)動(dòng)機(jī)，超轉(zhuǎn)保護(hù)系統(tǒng)斷電。

表1 審定程序推薦的符合性方法Table 1 Means of compliance suggested by AP

③將系統(tǒng)恢復(fù)到故障注入前狀態(tài)，再次執(zhí)行①步驟，系統(tǒng)故障指示消除。

若超轉(zhuǎn)保護(hù)系統(tǒng)有多個(gè)途徑，應(yīng)對(duì)每個(gè)途徑進(jìn)行故障注入，以驗(yàn)證每一保護(hù)途徑的檢測(cè)功能符合設(shè)計(jì)預(yù)期。

對(duì)于機(jī)械超轉(zhuǎn)保護(hù)系統(tǒng)，不需要每個(gè)飛行周期都進(jìn)行檢測(cè)。一般采用物理方法進(jìn)行地面檢查，但有些發(fā)動(dòng)機(jī)也采用飛行周期內(nèi)的檢測(cè)方法，如CFM56-5發(fā)動(dòng)機(jī)通過(guò)起動(dòng)過(guò)程和停車過(guò)程中離心飛重上接近開關(guān)的指示來(lái)判斷超轉(zhuǎn)保護(hù)系統(tǒng)可用性。由于機(jī)械結(jié)構(gòu)故障注入會(huì)造成試驗(yàn)件損壞，所以不進(jìn)行檢查手段的驗(yàn)證，而是通過(guò)壽命驗(yàn)證方式證明超轉(zhuǎn)保護(hù)系統(tǒng)能夠在規(guī)定時(shí)間內(nèi)可用。

(3)環(huán)境適應(yīng)性驗(yàn)證

在控制系統(tǒng)進(jìn)行電磁干擾、高強(qiáng)度輻射場(chǎng)、雷擊試驗(yàn)時(shí)，應(yīng)完成對(duì)超轉(zhuǎn)保護(hù)系統(tǒng)的驗(yàn)證。一般機(jī)械結(jié)構(gòu)不會(huì)受到此類環(huán)境影響，而常見電子超轉(zhuǎn)保護(hù)與發(fā)動(dòng)機(jī)控制單元裝在一個(gè)機(jī)箱內(nèi)，所以該項(xiàng)驗(yàn)證對(duì)電子超轉(zhuǎn)保護(hù)系統(tǒng)尤為重要。驗(yàn)證應(yīng)包括兩項(xiàng)內(nèi)容：一是正?？刂茣r(shí)，上述環(huán)境不會(huì)造成超轉(zhuǎn)保護(hù)誤觸發(fā)，進(jìn)而引起渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)的推力或功率突變。該項(xiàng)驗(yàn)證可與控制系統(tǒng)環(huán)境驗(yàn)證合并，在控制系統(tǒng)驗(yàn)證中增加不會(huì)錯(cuò)誤觸發(fā)超轉(zhuǎn)保護(hù)的合格判據(jù)。二是在上述環(huán)境下驗(yàn)證超轉(zhuǎn)保護(hù)功能，以證明在聲明環(huán)境條件下超轉(zhuǎn)保護(hù)系統(tǒng)的有效性。試驗(yàn)方法與保護(hù)功能驗(yàn)證的方法相同，只是將系統(tǒng)置于電磁干擾、高強(qiáng)度輻射場(chǎng)或閃電環(huán)境下開展試驗(yàn)，合格判據(jù)與保護(hù)功能驗(yàn)證一致。

環(huán)境驗(yàn)證的試驗(yàn)條件應(yīng)與發(fā)動(dòng)機(jī)型號(hào)聲明的環(huán)境限制條件一致，具體試驗(yàn)方法和設(shè)備應(yīng)滿足DO-160[11]第15、19、20、21和22章要求。

(4)安全性驗(yàn)證

安全性驗(yàn)證主要是利用安全評(píng)估的方法，驗(yàn)證超轉(zhuǎn)保護(hù)系統(tǒng)滿足各項(xiàng)安全指標(biāo)要求?？梢岳霉收蠘浞治?、相關(guān)圖、馬爾可夫分析等方法，證明超轉(zhuǎn)保護(hù)系統(tǒng)的失效概率滿足10-4/飛行小時(shí)的要求。發(fā)動(dòng)機(jī)制造商同時(shí)要證明在各種簽派構(gòu)型下喪失超轉(zhuǎn)保護(hù)的動(dòng)力渦輪超轉(zhuǎn)滿足10-8/飛行小時(shí)的要求。此外，應(yīng)通過(guò)共因分析證明發(fā)動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)和超轉(zhuǎn)保護(hù)系統(tǒng)充分獨(dú)立，避免由共因失效造成喪失超轉(zhuǎn)保護(hù)的動(dòng)力渦輪超轉(zhuǎn)。

(5)壽命驗(yàn)證

壽命驗(yàn)證主要用于機(jī)械超轉(zhuǎn)保護(hù)系統(tǒng)，用以表明超轉(zhuǎn)保護(hù)系統(tǒng)的機(jī)械部件在維修/檢查間隔內(nèi)可以無(wú)故障運(yùn)行。對(duì)機(jī)械部件開展壽命試驗(yàn)時(shí)，至少要證明部件的壽命滿足維修/檢查間隔要求。若保護(hù)系統(tǒng)的機(jī)械部件隨發(fā)動(dòng)機(jī)的機(jī)械液壓裝置按發(fā)動(dòng)機(jī)使用壽命考核，則可以合并驗(yàn)證，不必額外開展。

4 結(jié)束語(yǔ)

超轉(zhuǎn)保護(hù)作為燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)的重要保護(hù)功能，其對(duì)保證發(fā)動(dòng)機(jī)安全運(yùn)行起到了至關(guān)重要的作用。因此，對(duì)超轉(zhuǎn)保護(hù)系統(tǒng)適航要求的充分解讀，并進(jìn)行完整設(shè)計(jì)和充分驗(yàn)證，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)適航審定具有重要意義。本文采用系統(tǒng)工程中的需求分析方法，對(duì)超轉(zhuǎn)保護(hù)系統(tǒng)的適航要求進(jìn)行了解讀和分解，形成了與系統(tǒng)全壽命周期活動(dòng)關(guān)聯(lián)的、可直接用于設(shè)計(jì)的需求。針對(duì)形成的設(shè)計(jì)需求，提出了超轉(zhuǎn)保護(hù)系統(tǒng)適用的符合性方法，并給出了用于滿足適航要求的驗(yàn)證內(nèi)容，可為超轉(zhuǎn)保護(hù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)、驗(yàn)證和民用發(fā)動(dòng)機(jī)適航審定提供參考。

[1]許春生，馬乾綽.航空發(fā)動(dòng)機(jī)電子控制[M].北京：中國(guó)民航出版社，1999：2—3.

[2]《航空發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)手冊(cè)》總編委會(huì).航空發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)手冊(cè)：第3冊(cè)——可靠性及維修性[K].北京：航空工業(yè)出版社，2000：315—361.

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[11]DO-160.Environmental conditions and test procedures for airborne equipment[S].

Compliance with pertinent regulations for aero-engine overspeed protection system

CHEN Jun-wei
(AECC Control System Institute，Wuxi 214063，China)

Airworthiness regulations are not requirements,but stakeholder’s needs.So the importance is how to transform regulation use to design.Based on pertinent regulations for civil aero-engine overspeed protection system,these regulations were transformed into requirements of life cycle using requirement analysis method of systems engineering.Means of compliance and verification scheme of electronic/mechanical overspeed protection in type certification were brought forward,which could be used as reference to design and verification of aero-engine overspeed protection system.

aero-engine；overspeed protection；means of compliance；engine rotor；FADEC；airworthiness regulation；requirement analysis

V328；V233.7

A

1672-2620(2016)06-0056-05

2016-10-20；

2016-11-30

陳君偉(1988-)，男，內(nèi)蒙古呼倫貝爾人，工程師，碩士，主要從事航空發(fā)動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)可靠性工程及適航技術(shù)研究。