民用支线飞机辅助动力装置的适航要求分析

鲍梦瑶，李 果，徐 亮

(1.中国民航管理干部学院航空器适航审定系，北京100102；2.国际民航组织航行局运行安全科适航室，蒙特利尔H3C5H7；3.北京航空航天大学飞机/发动机综合系统安全性北京市重点实验室，北京100191；4.中国航空工业集团公司金城南京机电液压工程研究中心，江苏211106)

1 引言

辅助动力装置(APU)是安装在飞机上的一套不依赖机外任何能源、自成体系的小型发动机，其具有压气机、燃烧室、涡轮和控制等系统，且大都是从燃气涡轮发动机直接衍生发展而来[1-3]。APU作为飞机辅助动力系统中最为核心的子系统，其进排气装置、发动机起动装置、控制子系统及安装子系统是围绕APU建立并服务的。目前，面对我国MA700、C919和蛟龙600等民用飞机的适航取证及未来市场压力，适航审定部门及工业部门按照国际和国内的适航标准，从APU的初始设计到组装生产实施全过程的质量监控；同时，从方案制定开始，适航标准应贯穿到设计、工程、验收和产业化等各个阶段。

现阶段我国辅助动力装置的中国民用航空技术标准规定CTSO-C77b[4]及运输类飞机适航规章CCAR-25-R4[5]，基本上是依据美国联邦航空局(FAA)的技术标准规定 TSO-C77b[6]及 FAR-25[7]制定。但我国适航规章制定与美方适航规章制定航空技术和产品融合发展的历程不同，我国CTSO-C77b和CCAR-25-R4很大程度上直接借鉴了美方适航规章和技术标准，缺少先期对于规章所覆盖技术的专门性、系统性研究，且缺乏经历与工业实践融合的过程。这种现状导致各方在研究条款的符合性方法和验证项目上存在资料缺乏、基础薄弱的问题，这也是制约顺利取证的关键。

基于此，本文从上述问题出发，针对辅助动力装置的CTSO-C77b追溯产生及衍变历史，并根据条款内容和技术特点对条款分类；并在此基础上，通过对比分析FAR-33/CCAR-33R2与CTSO-C77b条款要求的关联性，提出一种借鉴FAR-33/CCAR-33R2技术资料及相关研究成果来分析APU辅助动力装置的适航要求的方法，并对代表性适航条款进行实例分析，研究结果对我国辅助动力装置适航体系建设提供一定的依据和参考。

2 APU适航要求的确定

在民用飞机的适航要求下，辅助动力装置有着专门的技术标准规定CTSO-C77b[4]。该技术标准规定适用于燃气涡轮辅助动力装置申请技术标准规定项目批准书(CTSOA)，规定了APU为获得适航批准和使用适用的最低性能标准，即主要对APU系统的适航要求做出了明确的规定。

此外，由于APU属于航空器的子系统且需考虑其对航空器本身的影响，故APU同样受到更高层级(飞机级)的CCAR-25-R4[5]的约束。如：CCAR-25-R4“G分部：使用限制和资料”中第25.1522“辅助动力装置限制”条款，其原文要求是“如果飞机上装有辅助动力装置，必须将为辅助动力装置制定的各项限制，包括使用类别，规定为飞机的使用限制”。对于该条款，要求辅助动力装置的限制应包含在飞机使用限制中，而对辅助动力装置本身未涉及具体技术要求。再如：“C分部：结构”中第25.363“发动机和辅助动力装置支架的侧向载荷”条款，其原文要求是“(a)发动机和辅助动力装置支架及其支承结构必须按横向限制载荷系数(作为作用在发动机和辅助动力装置支架上的侧向载荷)进行设计，此系数至少等于由偏航情况得到的最大载荷系数，但不小于下列数值：(1)1.33；(2)第 25.333(b)条所述的飞行情况A的限制载荷系数的三分之一”。对于该条款，其明确给出了辅助动力装置支架及其支承结构在设计中应考虑的所受载荷系数值，同样对辅助动力装置本身未涉及具体技术要求。可见，CCAR-25-R4部中有关APU的要求往往与飞机级的要求结合在一起，在具体要求的描述中并不是以APU为重点，而主要是飞机对辅助动力装置的限制和安装方面的规定。因此，本文主要围绕CT⁃SO-C77b开展其适航要求和条款的研究。

3 CTSO-C77b的历史衍变

如前所述，由于我国的CTSO-C77b很大程度上直接借鉴FAA的TSO-C77b，故对我国CTSO-C77b历史衍变的分析，可通过梳理美国TSO-C77b的历史衍变并结合美军标中的APU要求进行。

FAA为简化审定流程和要求，在20世纪80年代末彻底取消技术标准规定的总纲性文件FAR-37，改为采用专业技术协会的标准作为技术要求。由于APU是一种重要的机载设备，FAA一直为其单独颁布技术标准规定TSO-C77，自1963年5月发布TSO-C77以来共修订过2次，即1981年7月发布的TSO-C77a及2000年12月发布的TSO-C77b，现行有效版本为b版。两次修订的历史背景主要是由于APU技术的发展带来的APU标准的不断修订，展开而言：

第一阶段：在20世纪50、60年代，APU结构简单，作用单一，主要是轴功率输出型APU在军用飞机上得到广泛采用，与之对应的MIL-P-8686《飞机辅助动力装置通用规范》[8]的要求也比较少[1]。同时，对于民用飞机主要采用压缩空气输出型APU，该阶段APU的特点是：APU压比小于4，涡轮前温度为1 100～1 150 K，采用机械液压式燃油控制器，功率在200 kW左右。所以，随后产生的TSO-C77标准中的适航要求也比较简单。

第二阶段：20世纪80年代，由于压缩空气输出型APU安装位置灵活，有利于飞机系统布局，并能提供气、电等多种能源，压缩空气输出型APU成为主要发展方向，所以美国海军和空军分别相应地制定出了更为全面详细要求的MIL-P-85573《飞机辅助动力装置通用规范》[9]和MIL-A-87229《机载辅助动力装置通用规范》[10]，且美国汽车工程师协会(SAE)以美国Garrett公司的安装手册为蓝本，制定出了AIR 4204《飞机辅助动力装置安装设计指南》[1，11]。同时，由于燃料价格飞涨，要求压缩空气输出型APU向提高性能方向发展，在降低单位燃油消耗率的同时减少APU体积和质量。在这种背景下，FAA发布了TSO-C77a，修订对该型APU的最低性能标准以满足适航要求。

第三阶段：20世纪90年代末，为适应电传操纵对不间断提供辅助能源的要求，在军用战斗机上APU开始与应急动力装置(EPU)进行组合和综合。同时，为降低使用费用，更加注重提高APU的可靠性，相继出现了一些压比、涡轮前温度和使用高度更高的APU新产品。因此，对APU需求的增加促进了APU技术的发展，也带动了FAA针对新的APU技术和更高的安全性要求对TSO-C77a进行修订并最终发布了TSO-C77b。

随着我国军民用飞机对APU需求的增加，APU标准的制定也日益迫切。为此，我国以MIL-P-85573为蓝本，参考TSO-C77a中的部分内容，制定了HB 7114-94《飞机燃气涡轮辅助动力装置通用规范》[12]，并以AIR 4204《飞机辅助动力装置安装设计指南》为蓝本制定了HB/Z 312-98《飞机辅助动力装置安装设计指南》[13]。同时，在借鉴并翻译TSO-C77b的基础上，于2014年5月30日批准形成我国的CTSO-C77b。所以我国CTSO-C77b很大程度上直接借鉴了美方适航规章和技术标准，没有经历与工业实践融合的过程。

4 APU适航条款在CTSO-C77b中的分类要求

CTSO-C77b给出了辅助动力装置详细的适航条款要求，并包含了对进排气装置、发动机起动装置、控制子系统的规定。其中，CTSO-C77b的附录1中明确了APU的最低性能指标，并分为总则、所有APU的设计和构造、所有APU的型号验证、I类APU的附加要求4个大类；此外，包含附录附加要求的为I类APU，不包含附录附加要求的为II类APU，如表1所示。

表1 CTSO-C77b中的APU条款分类Table 1 The classification of APU provision in CTSO-C77b

需要指出：由于CTSO-C77b涉及到辅助动力系统相关的各类技术问题，如果按照技术标准原文分类，较不便于综合分析研究。如：条款6.1“总则”仅是说明“所有APU的型号验证”部分要求适用于I类APU和II类APU，所以本文按照各条款的内容和技术特点重新进行分类。其中，将如条款6.1这类描述性条款和通用条款归为“一般性要求”或“手册和文件类要求”，如表2所示，并按表中分类对部分条款进行初步研究和解读。

5 APU适航条款的技术内涵研究方法

如上所述，我国的CTSO-C77b基本依据FAA的TSO-C77b制定，虽然FAA针对APU的技术标准规定进行了两次修订，但对上述修订背后的具体技术内涵没有相关公开可查询的咨询通告(AC)或解释说明性文件。传统的中美适航规章对比分析研究，通常基于条款和咨询通告的解读。但由于TSO-C77b现状和上述特点，直接分析其条款背后的技术内涵存在一定困难。

值得注意的是，辅助动力系统的核心是APU，其他4个子系统(进排气装置、发动机起动装置、控制子系统及安装子系统)是围绕其服务的，而辅助动力装置从本质上来说可看成航空涡轮发动机的改进或改型。由此说明，该辅助动力装置在设计和符合性说明及验证时，可尝试借鉴航空发动机适航规章FAR-33/CCAR-33R2[14-15]的条款要求。对此，特将FAR-33/CCAR-33R2条款与CTSO-C77b条款进行了对比，如表3所示。可见，除“一般性要求”和“手册和文件类要求”的相关条款(表中以删除线表示)这类本身并无特别技术内涵的叙述类条款外，绝大多数条款具有一一对应或关联的性质。

表2 以技术和内容特点为基础的CTSO-C77b适航条款分类Table 2 The classification of airworthiness provision in CTSO-C77b based on technical and content characteristics

此外，从内容上看，FAR-33/CCAR-33R2条款的要求和技术内涵要高于CTSO-C77b条款要求，选择CTSO-C77b部第5.11条“寿命限制”和CCAR-33R2中第33.70条“发动机限寿件”进行典型适航条款要求的关联性对比，如表4所示。可见，尝试借鉴FAR-33/CCAR-33R2条款的技术内涵分析辅助动力系统的适航条款基本合理可行，并可保证分析的充分性。

表3 CTSO-C77b与FAR-33/CCAR-33R2适航条款的关联性Table 3 The relevance of airworthiness provision between CTSO-C77b and FAR-33/CCAR-33R2

表4 CTSO-C77b部和CCAR-33R2部中典型适航条款要求的关联性对比(寿命限制/发动机限寿件)Table 4 The relevance of typical airworthiness provision between CTSO-C77b and CCAR-33R2(Life limitations/Engine life-limited parts)

6 结论

本文针对民用支线飞机辅助动力装置适航条款CTSO-C77b开展初步研究。首先从辅助动力装置在航空器系统中的层级出发，结合FAA TSO-C77b分析其产生和衍变历史；然后根据条款内容和技术特点对条款重新分类。在上述基础上，通过对比分析FAR-33/CCAR-33R2与CTSO-C77b条款要求的关联性，提出可以借鉴航空发动机适航规章的技术资料及相关研究成果来分析研究APU辅助动力装置的适航要求，并对以“CTSO-C77b：第5.11条寿命限制”为代表的典型条款进行实例分析。主要结论可概括如下：

(1)辅助动力装置适航条款研究的重点是CTSO-C77b，而难点在于我国直接借鉴美方技术标准，缺乏与工业实践的融合和经验积累。

(2)按照CTSO-C77b内容和技术特点的条款重新分类方法，便于条款的技术解读及分析工作。

(3)FAR-33/CCAR-33R2条款与CTSO-C77b条款存在对应或关联关系，且FAR-33/CCAR-33R2条款的要求和技术内涵要高于CTSO-C77b条款，借鉴FAR-33/CCAR-33R2条款的技术内涵有助于合理分析辅助动力系统的适航条款，也可在一定程度上保证分析的充分性。

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[8]MIL-P-8686-1995，飞机辅助动力装置通用规范[S].

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[11]AIR 4204-1991，飞机辅助动力装置安装设计指南[S].

[12]HB 7114-94-1994，飞机燃气涡轮辅助动力装置通用规范[S].

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