军用涡扇发动机吞鸟适航符合性验证研究

晏祥斌，张 琼，许 多

(中国航发四川燃气涡轮研究院，成都610500)

军用涡扇发动机吞鸟适航符合性验证研究

晏祥斌，张 琼，许 多

(中国航发四川燃气涡轮研究院，成都610500)

针对我国军用涡扇发动机尚未形成吞鸟适航符合性验证要求及评价准则的问题，在分析国家军用标准与适航规章中有关涡扇发动机吞鸟验证要求异同的基础上，明确了适用于军用涡扇发动机吞鸟适航符合性验证的主要参数，并进一步阐明了吞鸟适航符合性验证的程序及评价准则。建议的吞鸟验证参数及试验程序以同时兼顾适航要求及国军标要求为前提，对我国军用涡扇发动机吞鸟适航符合性验证具有积极的指导意义。所确定的军用涡扇发动机吞鸟适航符合性验证评价准则，能够为吞鸟试验的符合性判定提供参考。

军用涡扇发动机；吞鸟；适航；符合性验证；评价准则

1 引言

随着航空领域的快速发展，鸟类对飞行的危害不断凸显。据美国空军统计，1956～1973年间发生航空发动机吞鸟事件112次[1]，且在此之后发动机吞鸟事件时有发生。2002年丹麦北方飞行航空公司一架飞机因遭遇鸟群在起飞后坠毁，2007年法航一架飞机因起飞吞鸟而失控，2009年全美航空一架飞机因发动机吞鸟导致双发失效而迫降。吞鸟已对航空发动机的安全性构成巨大威胁，为此适航规章中对航空发动机吞鸟提出了具体的验证要求。

欧美国家于上世纪40年代开始进行鸟撞击飞机的研究，70年代初针对发动机吞鸟问题提出了明确验证要求，并相继在FAR-33部[2]及CS-E[3]中提出民用航空发动机吞鸟适航要求。美国于上世纪80年代将适航理念引入军用航空器研制[4]，适航吞鸟要求成为军用航空发动机研制必须考虑的问题。我国亦针对军用航空发动机吞鸟陆续开展了相关研究[5-10]，并制定了相应标准。目前，我国军用航空发动机吞鸟 试验依据 GJB 3727-1999[11]及 GJB 241A-2010[12]要求实施，适航吞鸟验证则依据CCAR-33R2[13]开展，尚未在考虑适航要求的基础上对军用涡扇发动机吞鸟的符合性验证进行研究。为此，本文针对军用涡扇发动机吞鸟问题，以适航要求为基础，参考我国军用航空发动机吞鸟试验标准，研究军用涡扇发动机吞鸟适航符合性验证，以期获得可同时满足适航及国军标要求的吞鸟验证要求，为我国军用涡扇发动机吞鸟的适航符合性验证提供参考。

2 军用涡扇发动机吞鸟适航符合性要求的形成

我国军用航空发动机吞鸟研究始于20世纪80年代，并相继在GJB 3727-1999及GJB 241A-2010中提出了吞鸟试验要求，其适航验证要求则依据借鉴于FAR-33部的CCAR-33R2第33.76条“吞鸟”执行。FAR-33部“吞鸟”条款源于FAR-33部第6修正案33.77条“外物吸入”。因吞鸟危害的逐渐凸显，美国民用航空局(FAA)将吞鸟对发动机的影响确定为研究项目，并与JAR-E《发动机合格证规范》相协调，于FAR-33部第20号修正案中正式列入33.76条“吞鸟”条款。随之，为帮助验证吞鸟对33.76条的符合性，相继公布了咨询通告AC33.76-1[14]及AC33.76-1A[15]。当前，美国军用规范MIL-E-5007D及其他各国适航规章的发动机部分，如FAA的FAR-33部、欧洲航空安全局(EASA)的CS-E等，均对航空发动机的吞鸟进行了严格规定。而我国军用涡扇发动机适航吞鸟符合性验证，则综合参考了CCAR-33R2第33.76条、AC33.76-1A及GJB 3727-1999的要求，其验证要求的形成如图1所示。

图1 我国军用涡扇发动机吞鸟适航验证要求的形成Fig.1 Shape of bird ingestion airworthiness verification demands for military turbofan of China

3 发动机吞鸟军用要求与适航标准的差异性分析

适航性被引入军用涡扇发动机研制中，不但要求吞鸟试验符合国军标[11-12]要求，亦须满足适航CCAR-33R2第33.76条要求。发动机吞鸟的主要影响因素包括鸟的类型、鸟速、鸟的数量、转子转速、撞击密度及撞击位置等。分析可知，针对试验类型，适航要求在标准天气条件下产生100%(大型群鸟为至少90%)起飞推力(功率)条件下，按需进行大鸟、大型群鸟、中鸟及小鸟的符合性验证。而GJB 3727-1999及GJB 241A-2010要求，按需进行初始爬升、3 000 m高度内巡航及1 000 m高度内下滑3种条件下的小鸟和中鸟考核试验及最大状态(或连续状态转速)下的大鸟吞入考核试验。针对吞入大鸟、中鸟及小鸟，两类要求在鸟的质量、鸟的数量、撞击密度及撞击位置上等效，但因使用环境的差异，国军标与适航要求在鸟速、转子转速的选取上有差异，见表1。

表1 吞鸟适航要求与国军标要求主要影响因素的差异对比Table 1 Comparison of main influencing parameters between national military standards and airworthiness requirements of bird ingestion

4 军用涡扇发动机吞鸟适航符合性验证要求

4.1 吞鸟适航符合性验证参数

为获取建议的军用涡扇发动机吞鸟适航符合性验证参数，确定以下基本原则：①考虑军用涡扇发动机与民用航空发动机在用途上的差异；②鉴于适航要求源于近一个世纪的经验积累，以适航要求为基础确定符合性验证参数；③所确定的验证参数及程序至少能满足国军标要求及适航要求的最低标准。

基于以上原则可知，在鸟的质量、鸟的数量、撞击密度及撞击位置的要求上，CCAR-33R2第33.76条与GJB 3727-1999及GJB 241A-2010基本等效，因此以适航要求为标准选取试验参数。对于鸟速，军用航空发动机运用于作战环境，具有高于民机的速度要求，因此以GJB 3727-1999为基础，选取较为苛刻的一个鸟速。对于转子转速，因适航要求以标准天气条件下产生100%的起飞推力为基准进行转子转速选取，可操作性强，也较军用吞鸟要求更为苛刻，所以参数选取以适航要求为基准。同时，依据适航要求加入大型群鸟验证。确定的吞鸟适航符合性验证参数如表2所示。

表2 建议的吞鸟适航符合性验证参数[11-13]Table 2 The propositional parameters of airworthiness compliance verification

4.2 吞鸟适航符合性验证程序

以吞鸟适航符合性验证要求为基础，以国军标作为补充，获取的军用涡扇发动机吞鸟适航符合性验证程序见图2。

图2 吞鸟适航符合性验证程序Fig.2 Airworthiness compliance verification flow of bird ingestion

吞鸟适航符合性验证程序的确定，考虑了验证项目的全面性、验证程序的合理性及验证是否考虑了较苛刻的吞鸟条件等因素。开展吞鸟试验过程中，依据进气道喉道面积确定开展的吞鸟试验类型。如有规定数量的中鸟通过了发动机转子叶片，则可不再进行吞入小鸟试验[13]。根据验证程序可知，吞鸟试车为验证的关键环节。以CCAR-33R2第33.76条要求的试车程序为基础，以GJB 3727-1999为补充，获得的运用于不同吞鸟试验类型的试车程序如图3所示。

5 军用涡扇发动机吞鸟适航符合性验证评价准则

吞鸟对发动机造成的结构损伤主要有风扇损坏、风扇叶片断裂、压气机叶片损坏、叶片非包容等，性能影响则可能有推力(功率)损失、喘振、失速、起飞中断等。确定结构损伤及性能影响的依据主要通过以下手段获取：①吞鸟试车过程中所获取的发动机稳态数据及瞬态数据；②试车过程中获取的鸟的轨迹、撞击姿态、撞击部位、撞击速度，及试验件的变形和破碎、喘振、尾喷口喷火等过程；③分解检查中，以目视、磁力探伤、渗透检查、X射线、超声波等检测到的发动机损伤[12]。

图3 建议的吞鸟符合性验证试车程序[11、13]Fig.3 The suggested running up program of the bird ingestion compliance verification

发动机吞鸟试验的符合性评价通常从发动机结构强度及性能两方面来判定是否达到考核标准[16]。结构上主要关注吞鸟导致的发动机及部件(如风扇叶片、风扇进口导叶、前轴承机匣及发动机安装节等)的结构是否完整、能否正常工作。性能上主要关注吞鸟后的推力损失、恢复情况及发动机稳定工作情况[17]。依据文献[16]可知，吞入大鸟时，因其对结构的影响较气动性能的影响大，侧重关注其对结构强度的影响；吞入中鸟及小鸟，则需要重点关注结构强度和性能两方面的影响。符合性验证要求吞鸟后对发动机结构和性能的影响不超过规定的限制，其评判准则见图4。

图4 国军标与适航条款的验证评价准则Fig.4 Verification evaluation criteria of national military standard and airworthiness clause

可见国军标的评价准则与适航要求之间大同小异，其中适航的符合性评判更加关注试车过程中发动机状态的保持，而国军标更加注重吞鸟后发动机的恢复情况。通常，吞鸟会对发动机造成严重危害，发动机能够恢复正常运行状态的概率较低。国军标要求发动机吞入中/小鸟后能在规定时间内恢复吞鸟前的工作状态看似苛刻，实际上是要求发动机吞鸟后具有继续工作的能力，能够续航使飞机安全降落[18]。通过分析国军标与适航符合性评价准则，获得的军用涡扇发动机吞鸟符合性验证基本评价准则见表3。

表3 军用涡扇发动机吞鸟符合性验证评价准则Table 3 The verification evaluation criteria for the bird ingestion of military turbofan

6 结论

通过对比我国航空发动机吞鸟的适航标准与国军标要求之间的差异，在兼顾吞鸟适航要求与国军标要求的前提下，明确了军用涡扇发动机吞鸟适航符合性验证的主要参数及基本验证程序，对军用涡扇发动机吞鸟的符合性验证具有积极的指导作用。同时，本文确定的军用涡扇发动机吞鸟适航符合性验证的符合性评价准则，能为吞鸟试验的符合性判定提供指导。

[1]李应红，程 礼，张百灵，等.航空涡轮风扇发动机试验技术与方法[M].上海：上海交通大学出版社，2014.

[2]FAR-33.Federal aviation regulation part 33[S].

[3]CS-E.Certification specifications and acceptable means of compliance for engines[S].

[4]徐浩军.航空器适航性概论[M].西安：西北工业大学出版社，2012.

[5]尹 晶，高德平，范尔宁.鸟撞击叶片的载荷模型[J].航空动力学报，1993，8(4)：363—367.

[6]陈 伟，关玉璞，高德平.发动机叶片鸟撞击瞬态响应的数值模拟[J].航空学报：2003，24(6)：531—533.

[7]刘建明，蒋向华，武 卉，等.基于流固耦合的实体元空心叶片鸟撞数值模拟[J].航空发动机，2011，37(2)：7—11.

[8]文颖娟.叶片鸟撞击响应分析模化技术与验证研究[D].南京：南京航空航天大学，2006.

[9]Guan Y P，Zhao Z H，Chen W，et al.Foreign object dam⁃age to fan rotor blades of aeroengine Part I：experimental study of bird impact[J].Chinese Journal of Aeronautics，2007，(5)：408—414.

[10]张海洋，蔚夺魁，王相平，等.鸟撞击风扇转子叶片损伤模拟与试验研究[J].推进技术，2015，36(9)：1382—1388.

[11]GJB 3727-1999，航空发动机吞鸟试验要求[S].

[12]GJB 241A-2010，航空涡轮风扇及涡轮喷气发动机通用规范[S].

[13]CCAR-33R2，航空发动机适航规定[S].

[14]AC33.76-1，Bird ingestion certification standards[S].

[15]AC33.76-1A，Bird ingestion certification standards[S].

[16]高德平.叶片抗外物损伤的理论与试验研究[R].南京：南京航空学院，1992.

[17]吴大观.发动机吞鸟试验[J].航空标准化与质量，1984，(5)：27—29.

[18]葛治美，姜锡明.军用航空涡喷和涡扇发动机吞鸟试验[J].航空发动机，1998，24(1)：32—38.

Airworthiness compliance verification of bird ingestion for military turbofan engine

YAN Xiang-bin，ZHANG Qiong，XU Duo
(AECC Sichuan gas turbine establishment，Chengdu 610500，China)

Aiming at the problem that there are no airworthiness regulation requirements and evaluation cri⁃teria for bird ingestion of national military turbofan engine,based on analysis of the differences between air⁃worthiness requirements and national military standard requirements about bird ingestion,the main parame⁃ters applied to the airworthiness compliance of bird ingestion in verification process of military turbofan en⁃gine were put forward,also the airworthiness compliance verification processes and evaluation criteria for military turbofan engine are expounded.Propositional bird ingestion parameters and the verification process⁃es were confirmed on the premise of satisfying the requirements from airworthiness minimum safety and na⁃tional military standard,which have positive guidance significance for bird ingestion airworthiness compli⁃ance verification of the military turbofan engine.And the defined evaluation criteria are referential for the judgment of bird ingestion compliance verification test.

military turbofan engine；bird ingestion；airworthiness；compliance verification；evaluation criteria

V23；V328

A

1672-2620(2017)04-0051-05

2016-08-16；

2017-07-30

晏祥斌(1988-)，男，云南宣威人，助理工程师，硕士，主要研究方向为适航技术与适航管理。