燃气涡轮辅助动力装置的适航管理初探

李永佳 黄大鹏 宫新华

摘 要：从民机机载设备的适航管理方式入手，从燃气涡轮辅助动力装置这一典型、重要的机载设备的适航文件、适航证件、适航合格审定程序方面，介绍美国、欧洲和我国的辅助动力装置的适航管理。

关键词：适航；辅助动力装置；管理

1 探究的意义

1.1 适航研究的重要意义

民用航空关系到公众的安全和利益，各国政府都对本国和本国空域内的民用航空进行着严格的管理--适航管理。适航管理的核心是安全，我国民用航空适航管理制度和体系是参照美国的适航经验建立的。但在国际上，美国联邦航空安全局（FAA）的适航管理体系之外，还有欧洲航空安全局（EASA）建立的适航体系，这两个体系直接既有联系又有区别，因此，进行深入研究对具体民用航空型号的适航工作的开展甚至研究开发都有其重要意义。

1.2 辅助动力装置的适航管理特点

民用航空器由机体和机载设备组成。适航管理需要覆盖民用航空器每一个部分。而每一个部分的适航管理要求是不同的，如作为产生推力的重要设备——航空发动机和螺旋桨，其安全性要求与机体的要求是等价的，FAR等适航规章都以专章提出了详尽的要求；而对于燃气涡轮辅助动力装置，其适航管理要求也是与其他机载设备大为不同的，燃气涡轮辅助动力装置是结构上近似于发动机，但从属于飞行器电源、空调和动力系统的一种机载设备，燃气涡轮辅助动力装置一般采用颁发技术标准规定项目批准书（CTSOA）的方式进行适航批准。

2 燃气辅助动力装置的简要介绍

2.1 燃气涡轮辅助动力装置简介

在大、中型飞机上和大型直升机上，为减少对地面（机场）供电设备的依赖，都装有独立的小型动力装置，这就是辅助动力装置（Auxiliary Power Unit，简称APU）。APU和发动机一样，都是燃气涡轮动力装置。但它们的目的不同，发动机用于产生推力，而APU主要用来提供气源和电源，气源除用于发动机起动，还为飞机的空调系统供应连续不断的空气。这个特点使APU不同于发动机。它要求APU在设计时，使涡轮产生的机械能主要通过压气机转换为空气的压力能，还有一部分机械能通过齿轮传递给发电机以产生电能，而不是向后喷出产生推力。所以，能量分配的不同是APU和发动机的主要区别。有的APU还可输出液压能，早期的APU也有提供附加推力的。APU一般装在机身最后段的尾锥之内，在机身上方垂尾附近开有进气口，排气直接由尾锥后端的排气口排出。

在以前的小功率发动机上，起动主发动机时一般采用起动电机来带动发动机旋转，但是随着大推力发动机的出现，用电动机已无法提供如此大的能量来带动发动机，使发动机达到点火燃烧时的转速了，因此需要更大的能源来带转发动机。这时，如果采用APU，从APU产生压缩的空气，吹转装在发动机附件传动机匣上的空气涡轮起动机（ATS），从而起动发动机，这种起动方式成为了现在大功率发动机通常选择的工作模式。

图1 典型的APU结构示意图

APU的提供的压缩空气和电能，使飞机在地面上起飞前，不需要起动主发动机就可保证客舱和驾驶舱内的照明和空调正常工作。在飞机起飞时，有APU工作，可使发动机功率全部用于地面加速和爬升，改善了起飞性能。飞机降落后，仍由APU供应电力照明和空调用气，可使主发动机提早关闭。通常APU在飞机爬升到一定高度（5000米以下）关闭。但在飞行中当主发动机空中停车时，APU可在一定高度（一般为10000米）以下的高空中及时起动，为发动机重新起动提供动力。这种应急情况下的APU工作能力，提高了飞机的安全性。在发动机的适航规章中规定的“双发延程飞行（ETOPS）”状态中，就要求APU必须正常运行[1]。

综上，APU是结构上近似于发动机，但从属于飞行器电源、空调和动力系统的一种机载设备。

2.2 当前民用APU的主要制造商及我国民用APU现状

目前，国际上从事航空辅助动力装置研制生产的企业较少，主要有美国的霍尼韦尔、汉密尔顿·胜斯特兰（简称汉胜），法国的Microturbo（隶属于透博梅卡），俄罗斯Aerosila（原乌法航空附件厂）。其中在民用客机市场上主要由霍尼韦尔和汉胜两家公司垄断。

由于国际航空运输业的快速发展，民用APU也面临着具有巨大市场机会，在飞机机载设备中，APU的价值比较高，由于经常使用，其售后市场的价值更为可观，在APU上进行投入，存在着巨大的商业机会。

我国航空发动机的发展水平与国外先进水平相比，存在较大的差距，APU也是同样的状态，尤其在民机方面，这种差距更为明显。虽然，近年来，我们在军用APU方面积累了一些经验，但在民用APU方面，我们没有任何的经验可言。在民用APU的设计、制造、适航、组织管理和售后服务等方面，都在存在着巨大的差距。

3 APU的适航管理方式

3.1 民用航空机载设备的适航管理方式

按照中国民航适航规章CS-21[2]的规定，航空器的适航管理根据着眼点的不同，一般分为对民用航空器型号设计批准的“型号合格证（Type Certification，TC）”、对型号生产批准的“生产许可证（Production Certification，PC）”和投入运行前表征单个航空产品具有设计符合性和制造符合性、用以证明其安全可用的“适航证（Airworthiness Certification，AC）”。上述三证均由适航当局（或其授权代表）颁发，因此，适航管理也被称为“三證管理”。但航空发动机和螺旋桨确认具有设计符合性和制造符合性的后只能获颁“适航批准标签”，与“适航证”相似“适航标签”也证明了发动机或螺旋桨产品的安全可用性。在实践中，三证齐全，且发动机和螺旋桨（如有）三证齐全的航空器方可投入航线使用。

与民用航空器、发动机和螺旋桨的适航管理方式不同，民用航空机载设备的适航可以按照“技术标准规定（Technology Standard Order，简称TSO）”进行审定，取得“技术标准规定项目批准书（TSOA）”，或随民用航空产品（装有机载设备的航空器）的合格审定一同批准，一般称为随机取证。TSOA与航空产品的型号合格证（TC）不同， TSOA将设计和生产一起批准，而不分别颁发型号合格证和生产许可证，且不可以转让。与发动机和螺旋桨类似，符合设计要求且安全可用的机载产品获颁“适航标准标签”后才认为是适航的。

3.2 FAA及EASA对APU的适航管理方式

FAA为了简化审查要求，早在20世纪80年代末就取消了机载设备技术要求的总纲文件FAR37部，取而代之的是大量采用专业技术协会的标准作为技术要求，如环境适应性实验要求RTCA（无线电技术委员会标准）-160，计算机软件标准RTCA-178等。但是，FAA还是为部分机载设备保留了自己制定的技术標准。

作为一种重要的机载设备，FAA认为APU的适航管理应该与其他机载设备相类似，并为其单独颁布了技术标准规定FAA TSO C77《燃气涡轮辅助动力装置》，目前，现行有效的版本为b版。考虑到作为高温工作的涡轮机械，APU有结构的复杂性的特点，对安全性的要求已经超出了一般的机载设备，因此，EASA已经将APU的适航管理技术要求至与发动机相同的层级，即颁布专门的适航规章CS-APU《辅助动力装置合格证规范》。可见作为特殊的、复杂的机载设备，作为世界范围内最有经验的两个局方对APU的重要性都有着深刻的认识。

但遗憾的是，全球最主要的APU生产商霍尼韦尔和汉胜都位于美国，且EASA与FAA直接已经签署了双边协议。原则上，对方颁发的型号合格证和技术标准规定项目批准书都可以在对方获得认可，仅需要局方对其认为有区别的项目进行适航验证。在实际操作中，EASA往往补充审定FAA颁证的APU并颁发ETSOA（E即European，欧洲技术标准规定项目批准书），而对于EASA 颁发ETSOA的APU型号则由FAA进行确认。截至目前，虽然EASA为APU制定了专门的规章，但仅有法国Microturbo的Rubis系列和捷克První brněnská strojírna Velká Bíte， a.s.的Saphir 5系列等5个型号按CS-APU取得了ETSOA并由EASA负责持续适航管理，而且还有Microturbo的eAPU60还在适航审查过程中。

3.3 我国对APU的适航管理方式

我国适航主管部门没有独立审查APU的经验，根据现行有效的CCAR37部的规定，APU也应采用TSOA方式取证或采用随机取证的方式[3]。

4 FAA TSO C77b与EASA CS-APU的异同

美国的FAA是世界上历史最悠久、适航审查和处理事故经验最丰富的适航管理机构。在相当长的一段时间内，其制定的FAR系列规范一直作为世界通行的适航文件使用。在欧洲，英法航空工业强国的适航规范也是源于FAR。同样的，FAA制定的TSO标准也是各局方参考的重要文件之一。FAA于1981年7月20日首次颁布了TSO C77a作为APU的技术标准。

随着欧洲走向一体化，特别是为了推进空中客车项目的合作，1988年欧洲共同体成立了联合航空局（Joint Airworthiness Authorities，JAA），JAA在FAR系列规范的基础上结合英、法、德、意、西等国的适航工作经验，制定了更为详细具体的JAR规范。在制定标准之初JAA选择了TSO C77a的现行版本为蓝本编制了辅助动力装置的规范，并且将该规范上升至与发动机等重要机载设备的适航规范的高度，这就是JAR-APU《辅助动力装置许可证规范》。

随着欧洲一体化进程的推进，在2004年在欧盟的授权下，旨在统一各国民航安全体系的欧洲航空安全局（European Aviation Safety Agency， EASA）正式成立了，并在2009年取代JAA成为欧盟各国唯一的适航管理机构，在EASA正式成立之前，就已开始参考JAR系列适航规范进行了适航文件的编制工作，现行的EASA CS-APU是其2003年10月编制完成并生效的。目前，EASA CS系列规范已经发展成与FAR同等影响力的适航规范。

与CS系列标准相同，CS-APU《辅助动力装置许可证规范》分为2卷（book）。第一卷是适航标准，该卷共4个分部（Part A-D）。由于TSO C77a在2000年的更改中被换版，随后JAR-APU也相应做出了更改。因此，B分部至D分部与TSO C77b的附件1《燃气涡轮辅助动力装置装置最低可接受标准》的第5-7条基本对应。A分部则涵盖了附件1 前4条内容及附件2《型号规范编制要求》、附件3《安装操作说明编制要求》、附件4《持续适航说明编制要求》的大部分内容[4][5]。

与其他EASA颁布的适航规范相似，CS-APU的第二卷的卷名为“可以接受的符合规范要求的方法”（AMC部分），EASA在制定标适航规范时结合之前适航工作的经验，在这部分加入了更多的指导意见和验收方法和标准。第二卷是对第一卷内容的解说、分析和对满足规范的操作方法的具体规定。在AMC-APU主要的条目有AMC CS-APU210安全分析和AMC CS-APU220防火。AMC CS-APU210给出了确定关键件的原则及安全分析的方法和各等级风险的典型事故模式，为取证时完成安全分析带来了便利。AMC CS-APU220则明确了具体零件发生火灾的后果、防火和耐火2个等级在耐火试验验证中的具体差别、各典型零件的耐火试验的典型方法等信息，极为有利于新申请人参考操作。此外，AMC CS-460超温试验明确规定以涡轮后42℃超温代替涡轮前42℃可以接受；CS-470包容性给出了关键转子件的选取方法及可接受的替代分析方法。[5]

除此之外在具体条目、特别是具体试验要求上，EASA CS-APU与FAA TSO C77b基本一致，如持久试验的图谱完全一致、超转试验115%的最低超转转速、42℃的超温要求均完全相同。两者只存在一些表述上的区别，受篇幅所限不再一一赘述。

可见，EASA CS-APU与FAA TSO C77b在具体要求上没有差别，可视为等效规章。

5 我国APU适航工作的开展原则与展望

长期以来，我国航空工业在民用航空领域一直落后于世界先进水平，在APU研制方面未能有型号开展适航工作。因此，我国的适航当局中国民航局（CAAC）适航司一直未确定APU的适航规章或技术标准，且没有相关的审查经验。由于中美两国曾签署双边适航互认协议，且有其他机载设备的先例，中国民航局适航司接受新APU型号CTSOA申请人选取TSO C77b（或后续有效版本）作为审定基础的可能性较大。

而CS-APU的AMC部分对具体的分析和试验给出了操作性极强的指导意见，可以将其要求作为符合性验证方法进行申报，或作为进行具体试验、编制具体文件的重要依据。

综上，选择选取TSO C77b或后续有效版本作为辅助动力装置的CTSOA审定基础，同时，研究借鉴CS-APU中的具体要求作为确定符合性验证方法的依据，可作为我国后续开展辅助动力装置适航的一条有效途径。

参考文献

[1]中国民用航空总局适航司.中国民用航空器适航规章CCAR-33R2：航空发动机适航规定[Z].2011.

[2]中国民用航空总局适航司.中国民用航空器适航规章CCAR-21-R3：民用航空产品和零部件合格审定规定[Z].2007.

[3]中国民用航空局适航司.中国民用航空器适航规章CCAR-37：民用航空材料、零部件和机载设备技术标准规定[Z].1992.

[4]Federal Aviation Administration. Technical Standard Order Subject： TSO-C77b， GAS TURBINE AUXILIARY POWER UNITS[Z].2000.

[5]European Aviation Safety Agency. Certification Specification for Auxiliary Power Unites CS-APU[Z].2003.