■ 查筱晨 張森 / 中國民用航空適航審定中心 蘇聚英 盧永強 / 中國航發(fā)動研所

配裝雙發(fā)或多發(fā)的旋翼航空器通常具備單發(fā)失效（OEI）功率狀態(tài)，即短時高應急功率狀態(tài)。適航規(guī)章對旋翼航空器在遭遇單發(fā)失效的情況下能安全結束飛行而不出現(xiàn)意外事故提出了要求。

單發(fā)失效（OEI）功率狀態(tài)是為了雙發(fā)或多發(fā)航空器應對空中運行時由于供油或進氣不良、機械故障、云中積冰及防冰系統(tǒng)使用不當?shù)瘸Ｒ娫蚩赡軐е碌陌l(fā)動機停車現(xiàn)象。旋翼航空器通常是垂直起降，沒有足夠的跑道或直升機機場，在起飛或著陸等需要大功率的關鍵飛行階段出現(xiàn)單發(fā)失效時，為確保仍有足夠的功率實現(xiàn)安全著陸，剩余發(fā)動機需應用短時高功率應急功率狀態(tài)，其使用場景如圖1 所示。該狀態(tài)可能導致發(fā)動機零部件損傷或壽命損耗，為確保安全性水平，在CCAR-33 部《航空發(fā)動機適航規(guī)定》中，包含了對OEI 狀態(tài)的設計、驗證及適航限制條款要求，規(guī)章中提到了5 種OEI 功率分別是：30s 單發(fā)失效功率、2min 單發(fā)失效功率、2.5min 單發(fā)失效功率、30min 單發(fā)失效功率和連續(xù)單發(fā)失效功率，需要對其加以驗證。

圖1 單發(fā)失效狀態(tài)使用場景

單發(fā)失效功率狀態(tài)

在對單發(fā)失效相關適航規(guī)章和相關技術資料的研究過程中發(fā)現(xiàn)，美國適航體系針對OEI經(jīng)歷了多次前身概念及現(xiàn)今定義的修訂，具有完整的歷史演變過程。

30min單發(fā)失效功率

1963年2月12日起生效的CAR-13部第5修正案中，美國聯(lián)邦航空局（FAA）為多發(fā)運輸類旋翼航空器建立了一個新的30min額定功率，隨后在適航要求中納入了新的持久試驗譜以驗證該額定功率。30min額定功率是一項更高的功率，大于最大連續(xù)功率以及大于等于起飛功率。這項功率等級建立的來源依據(jù)是在多發(fā)旋翼航空器的應用中出現(xiàn)了一種使用頻率較高的場景，即一臺發(fā)動機失效，其余發(fā)動機以其最大功率運行，在此情況下仍然能夠確保旋翼航空器正常的起飛和爬升性能，提升航空器安全運行等級。由此得出，30min額定功率的建立是必要的。

根據(jù)當時工業(yè)界的意見，F(xiàn)AA同意這項新的額定功率應是可選的，只適用于多發(fā)旋翼航空器，并且只有申請人選擇申請這項額定功率，才需要進行相應適航驗證。

2.5min單發(fā)失效功率

1964年4月22日起生效的CAR-13部第6修正案，為多發(fā)運輸類旋翼航空器建立了一個新的2.5min額定功率。2.5min額定功率是一個更高的大于起飛功率的額定功率。使用場景是“起飛開始后的任何時刻，一臺發(fā)動機失效時，旋翼航空器有可能返回并安全停在起飛區(qū)域，或者繼續(xù)起飛爬升；在著陸進近路徑的任何一點上，當一臺發(fā)動機失效時，旋翼航空器有可能安全著陸停機，或安全爬升?！币虼诵枰_定一個額定功率，大于起飛功率，使用時間限制為2.5min，以確定多發(fā)旋翼航空器單發(fā)失效時的起飛和進近性能。隨著分析技術的發(fā)展，F(xiàn)AA提出了更高的功率等級，是因為根據(jù)材料蠕變性能分析來評估既定額定值的可靠性時，發(fā)現(xiàn)發(fā)動機還可以達到比現(xiàn)有額定功率水平更高的溫度和轉速。在更高的葉片溫度和機械載荷下，通過渦輪葉片蠕變分析發(fā)現(xiàn)，葉片的使用壽命仍然可以達標，從而得到了更高的功率和性能的限制，該限制的合理性也能夠通過發(fā)動機圓滿完成持久試驗來證實。同時，這一更高的功率等級有著嚴格的使用限制，在溫度和/或轉速略高于其既定極限的情況下繼續(xù)運行特定發(fā)動機可能會導致使用壽命顯著縮短，只有在起飛或接近著陸時發(fā)動機發(fā)生故障，才需要2.5min的額定功率，而這一額定功率的建立是必要的。

連續(xù)單發(fā)失效功率

1988年10月3日生效的FAR-33部第12修正案，首次直接引入了單發(fā)失效的概念，具體包括連續(xù)單發(fā)失效額定功率、30min單發(fā)失效額定功率、2.5min單發(fā)失效額定功率。新增了連續(xù)單發(fā)失效額定功率，30min單發(fā)失效額定功率和2.5min單發(fā)失效額定功率則是在原有基礎上加上了“單發(fā)失效”短語，目的是為了明確說明使用這些額定值的操作限制，是在多發(fā)旋翼航空器的單發(fā)出現(xiàn)故障后。在修訂說明中，記錄了連續(xù)單發(fā)失效額定功率的需求來源主要是那些為遠距離海上石油鉆井活動提供服務的旋翼航空器，它們需要更長一些的航線結構。20世紀80年代末，30min單發(fā)失效和連續(xù)單發(fā)失效在歐洲旋翼航空器中已經(jīng)存在，都屬于中級應急功率。FAA認為如果沒有類似的評級，F(xiàn)AA批準的旋翼航空器將面臨明顯的經(jīng)濟劣勢。另外，不能同時使用30min單發(fā)失效和連續(xù)單發(fā)失效這兩種評級，推測原因是這兩種功率等級比較接近。

30s單發(fā)失效和2min單發(fā)失效功率

1996年8月19日 生 效 的FAR-33部第18修正案首次建立了30s 和2min單發(fā)失效額定功率，高于當前所有單發(fā)失效功率水平。與2.5min單發(fā)失效額定值的功能類似，新的單發(fā)失效也是為了保證多發(fā)旋翼航空器單發(fā)失效時起飛和著陸性能。當旋翼航空器在起飛和著陸時發(fā)生單發(fā)失效，剩余動力不足以繼續(xù)飛行時，需要在整個飛行路徑上有一個安全著陸區(qū)，對安全著陸區(qū)需要有一定的距離范圍要求，旋翼航空器要有足夠的時間可以到達。30s和2min單發(fā)失效額定功率應對的是更惡劣的飛行環(huán)境，周圍不存在合適的安全著陸區(qū)（如山區(qū)），這時候就需要一個更大的發(fā)動機功率等級。

根據(jù)工業(yè)界的建議，30s和2min單發(fā)失效額定功率應包含一個特定的限制，即在任何一次飛行中，這些功率可以使用的次數(shù)應有限，F(xiàn)AA采納了意見，將新功率級別的使用限制為最多3個循環(huán)，并增加了使用新功率級別后的強制性檢查和規(guī)定維護要求。

FAA在AC 33.7-1渦輪發(fā)動機的額定值和使用限制的附錄2中記錄了渦輪發(fā)動機額定值定義的修訂歷史，其中與單發(fā)失效額定功率相關的時間節(jié)點如表1所示。

1.1.1 傳染病它是由于特定的微生物病原體造成對動物機體的襲擊而引發(fā)的疾病，具有很高的傳染性。就傳染病的發(fā)病因素來說，病原是最為重要的一個方面，比如我們?？梢越佑|到的真菌、細菌都有可能成為病原引發(fā)傳染病。一般來說，動物在感染傳染病之后，都會出現(xiàn)一些不同的癥狀或者生理反應。傳染病可以通過接觸傳染，也可以通過空氣等介質傳染，預防難度極大。

表1 OEI額定功率修訂歷史

相關規(guī)章要求

CCAR-33部中與單發(fā)失效額定功率相關的適航條款可大致分為手冊類、設計類、試驗類與未直接提及OEI短語類。

手冊類

手冊類條款主要包括33.5、33.7以及附錄A33.4，分別涉及發(fā)動機持續(xù)適航文件、安裝和使用說明手冊以及型號合格證數(shù)據(jù)單。

33.5 發(fā)動機安裝和使用說明手冊（b）（4）要求手冊中必須包括的內(nèi)容中有“對于有一個或多個OEI額定功率的旋翼航空器發(fā)動機，申請人必須提供發(fā)動機性能特性和變化的數(shù)據(jù)，以使航空器制造商能夠建立航空器功率保證程序”，即要求發(fā)動機申請人向航空器制造商提供發(fā)動機數(shù)據(jù)。對于該功率保證程序，必須通過程序的實際操作來確保該程序具有良好的可操作性。由于功率保證數(shù)據(jù)不包括由于發(fā)動機硬件可能快速劣化而導致的最高單發(fā)失效額定功率水平的檢查，申請人必須向發(fā)動機安裝人員提供必要的發(fā)動機性能特征和可變性。該數(shù)據(jù)將使安裝人員能夠建立功率保證程序，從而能夠將功率提升至最高單發(fā)失效額定功率。發(fā)動機數(shù)據(jù)應包括熱力學模型，在開發(fā)和認證測試期間從經(jīng)驗中獲得的數(shù)據(jù)，以及從類似設計發(fā)動機的服務經(jīng)驗中獲得的數(shù)據(jù)。

33.7發(fā)動機額定值和使用限制要求如果選擇了額定30 min單發(fā)失效功率、額定2.5min單發(fā)失效功率、額定連續(xù)單發(fā)失效功率、額定2 min單發(fā)失效功率、額定30s 單發(fā)失效功率，必須將功率狀態(tài)功率值及相關的限制值記錄在型號合格證數(shù)據(jù)單中。

附錄A33.4適航限制條款要求中有一個段落用于具有30s和2min單發(fā)失效評級的旋翼機發(fā)動機。該功率在服務中使用有限，使用后進行強制檢查和維護，原因在于一些發(fā)動機零件或部件可能不適合進一步使用，在應用這些額定值后需要更換。使用30s和2min單發(fā)失效額定值后的強制性檢查和維護措施必須能夠識別和糾正任何可能顯著降低后續(xù)發(fā)動機可靠性或阻止發(fā)動機達到30s和2min單發(fā)失效額定功率的部件損壞，保持發(fā)動機處于單發(fā)失效安全飛行狀態(tài)。申請人必須確認所需檢查和維護措施的充分性，所需的檢查和維護措施通常通過取證試驗確定，并輔以取證時具有類似設計的同類型發(fā)動機的開發(fā)試驗和服務經(jīng)驗。

設計類

設計類條款主要包括33.28、33.29，分別涉及發(fā)動機控制系統(tǒng)和儀表連接。

33.28控制系統(tǒng)（k）款要求了30s單發(fā)失效額定功率控制和自動可用性。具體形式為申請人應在安裝說明手冊中對30s單發(fā)失效功率可用性進行說明，通過試驗表明控制系統(tǒng)能夠自動控制30s單發(fā)失效的額定功率，并且不會出現(xiàn)發(fā)動機超限。

33.29儀表連接（c）款和（d）款要求具有30s和2min 單發(fā)失效功率額定值的旋翼航空器渦輪發(fā)動機必須提供方法或措施，以便在進入或退出相應功率狀態(tài)時，能夠提示飛行員；記錄每次單發(fā)失效功率狀態(tài)的使用及持續(xù)時間；主動提示維修人員已經(jīng)使用單發(fā)失效功率狀態(tài)，并提供記錄數(shù)據(jù)的輸出接口；允許對以上3種方法是否正確運行進行常規(guī)的驗證；30s和2min單發(fā)失效功率狀態(tài)在飛行中使用的次數(shù)和持續(xù)時間等記錄參數(shù)在飛行過程中不允許被復位，只能由維修人員在檢索記錄數(shù)據(jù)后重置。

試驗類

試驗類條款主要包括33.84、33.85、33.87、33.88、33.93，分別涉及發(fā)動機的超扭、校準、持久、超溫、部件試驗和分解檢查。

33.84發(fā)動機超扭試驗（b）款要求超扭試驗的試驗條件必須滿足：當工作在與30s或2min單發(fā)失效功率狀態(tài)無關的條件下，渦輪進口燃氣溫度應等于已批準的工作時間長于20s期間的最高穩(wěn)態(tài)溫度。

33.85校準試驗 、33.87持久試驗、33.93分解檢查是對持久試驗進行中及試驗前后提出的要求，對于具有30s、2min或2.5min單發(fā)失效額定值的發(fā)動機，可使用在33.87中規(guī)定的持久試驗期間進行的測量，以表明其符合限制要求。33.87持久試驗條款中，對單發(fā)失效功率狀態(tài)提出了明確的驗證時間的要求。如果旋翼航空器需要申請單發(fā)失效功率額定值，不同的單發(fā)失效功率額定值對應了不同的驗證時間，如表2所示。

表2 33.87持久試驗條款OEI狀態(tài)的驗證時間要求

33.88發(fā)動機超溫試驗（b）款要求帶有自動溫度控制功能的發(fā)動機，如需要申請30s和2min單發(fā)失效功率狀態(tài)，則必須在30s 單發(fā)失效功率額定值至少超過工作限制溫度19℃時，以接通最大功率轉速運轉4min。在此運轉后，只要通過局方認為必要的分析或試驗表明發(fā)動機能保持渦輪部件的完整性，則在渦輪部件上可以有超出該超溫條件限制范圍的損傷。

未直接表明類

有一些條款在文字中并未直接提及單發(fā)失效字樣，但實際也包含相關要求。

33.4持續(xù)適航文件條款，要求包括修理和維護說明，選擇了30s和2min 單發(fā)失效功率狀態(tài)的渦軸發(fā)動機必須要向局方提交使用該功率狀態(tài)后的修理和維護項目及要求。

33. 8發(fā)動機功率和推力額定值的選定條款，要求申請人必須選擇功率或推力額定值，所選額定值必須為該型號的所有發(fā)動機在相同條件（用于確定該額定值的條件）下可能產(chǎn)生的最低功率或推力，所選額定值包括所有單發(fā)失效額定功率。

33.27 渦輪、壓氣機、風扇和渦輪增壓器轉子條款，要求30s單發(fā)失效額定值超速試驗后轉子的狀況應確保發(fā)動機將有足夠的安全裕度，以便繼續(xù)運行，并能夠完成30s和2min單發(fā)失效功率的3次使用。

航空器規(guī)章層面，單發(fā)失效額定功率相關的航空器規(guī)章包括CCAR-27正常類旋翼航空器適航規(guī)定和CCAR-29運輸類旋翼航空器適航規(guī)定。以上適航要求可以大致分為兩類：針對航空器（安裝具有單發(fā)失效額定功率的發(fā)動機）自身，對其安裝的發(fā)動機并無額外要求，如爬升率、著陸性能、儀表的標記設置等；對發(fā)動機提出了要求，但是該要求并未高過發(fā)動機規(guī)章本身的要求，如旋翼傳動系統(tǒng)和操縱結構試驗、爬升冷卻試驗等，具體條款編號及名稱如表3所示。

表3 航空器規(guī)章對OEI狀態(tài)有驗證要求的條款

結束語

單發(fā)失效功率的來源為工業(yè)應用中實際需要發(fā)生使用場景，并且發(fā)動機的相關修訂早于航空器規(guī)章；除常規(guī)發(fā)動機取證試驗外，型號合格證發(fā)動機申請人需要建立數(shù)據(jù)庫，包括航空器功率保證程序所需發(fā)動機性能特性和變化的數(shù)據(jù)、單發(fā)失效使用后檢查和維護措施數(shù)據(jù)、發(fā)動機轉子裂紋增長和損壞工程判據(jù)等；航空器規(guī)章中，發(fā)動機配裝航空器后無須進一步補充單發(fā)失效驗證要求。