国外航空发动机火山灰环境试验研究综述

卜旭东

(中国飞行试验研究院，陕西 西安 710089)

1 引 言

火山喷发时释放出大量的火山灰，这些火山灰会上升到大气对流层顶部并蔓延数百公里，严重威胁飞机的飞行安全。中国周边的东南亚、日本、堪察加半岛等地火山众多，随着国内航空运输的快速发展，火山灰云对航空的威胁日益显著。火山灰的主要成分是硅酸盐，其熔点约1100℃。发动机正常运行时，其内部温度远高于火山灰的熔点，发动机吸入的火山灰会熔化并在涡轮导向器冷却，附着于导向器和高压涡轮叶片，引起发动机喘振甚至停车。

2015年，欧洲航空安全局(EASA)在航空发动机适航审定规章CS-E 1050中增加了需要评估火山灰对发动机危害程度的条款。美国国家航空航天局(NASA)在2015年7月对F117涡扇发动机进行了火山灰环境试验，俄罗斯在2021年10月对MC-21客机的PD-14发动机进行了火山灰环境试验并将其作为发动机型号取证的一部分。目前，国内在涡扇发动机火山灰环境试验领域的研究较少。本文主要整理了火山灰对发动机的危害及NASA完成的发动机火山灰环境试验相关资料，为试验设备的研发、试验方法的设计、试验结果的分析提供参考。

2 火山喷发对航空业的影响

全球约有500座活火山，大多数分布在地球板块交界处。就世界范围而言，火山主要集中在环太平洋一带。据资料记载，全球80%的火山喷发位于环太平洋一带，主要发生在北美、堪察加半岛、日本、菲律宾和印度尼西亚，全球活火山分布如图1所示。

图1 全球活火山分布图

火山喷发时会释放出大量的火山灰，严重威胁飞机的飞行安全。1982年6月24日，英国航空公司的一架波音747从马来西亚吉隆坡飞往澳大利亚珀斯，在飞行高度37000ft遭遇火山灰云，4台发动机全部熄火失去动力。在随后的16min内，该飞机在无动力情况下从37000ft下降到12000ft，驾驶员在这个高度成功地重新启动了3台发动机，并在印度尼西亚雅加达成功迫降，人们自此开始意识到火山灰对航空安全的严重影响[1]。

1989年12月5日，荷兰皇家航空一架由阿姆斯特丹飞往东京的B747-400客机，在阿拉斯加空域进入里道特火山(Mount Redoubt)爆发后的火山灰云，4台发动机全部熄火，所幸在下降过程中发动机空中启动成功，飞机在安克雷奇国际机场迫降，无人员伤亡。2014年2月14日，克卢德火山喷发，半径500km范围内降下火山灰，部分地区的火山灰厚达2cm，多个国际航班受到影响(火山灰覆盖的飞机见图2)。

图2 被火山灰覆盖的飞机

根据美国地质调查局的数据，1953年至2016年期间，超过253架次商用飞机在飞行中遭遇到了火山灰云(如图3所示)，其中9架次出现发动机空中停车[2]。2010年4月，位于冰岛埃亚菲亚德拉冰盖的火山突然喷发，虽然其喷发的规模不大，但由于气流和天气原因，飘散的火山灰致使欧洲西部和北部及北大西洋地区东部的航空器运营瘫痪多天，对整个欧洲乃至全球的航空业造成了巨大的损失。

图3 1953～2016年飞机遭遇火山灰云的次数

火山灰大都由边缘锐利、坚硬的玻璃颗粒和粉化岩砾组成，磨蚀性极强。同时，火山灰带有二氧化硫(硫酸)和氯气(盐酸)气态溶液。不难想象，火山灰会对航空器的飞行安全产生严重危害。火山灰云会阻塞皮托静压系统，导致飞机速度指示表等各种仪器失灵而产生错误警示。火山灰会遮挡飞机风挡玻璃，污染航空器空调和设备冷却系统，腐蚀飞机机体和外部设备，其进入通风和增压系统会磨损转动部件，严重影响航空器的可靠性，同时也影响机场跑道的制动效果，增加航空运维费用[1]。

火山灰对航空器的最大威胁是使多个发动机熄火，这是因为火山灰的主要成分是硅酸盐，其熔点约1100℃，而发动机正常运行的温度远大于其熔点，所以吸入的火山灰会被熔化，而后又在涡轮导向器、涡轮叶片上冷却成火山灰沉积物，并附着在叶片上，导致发动机空中停车。

2015年，欧洲航空安全局(EASA)在航空发动机适航审定规章CS-E 1050中增加了需要评估火山灰对发动机危害程度的条款。目前，美国、俄罗斯均进行了航空发动机火山灰环境试验[4]。

2021年10月，俄罗斯技术集团公司旗下的联合航空发动机公司使用堪察加希韦卢奇火山的火山灰对MC-21客机的PD-14发动机的核心机进行了火山灰试验，该试验在俄罗斯中央航空发动机研究所的试车台上进行，作为欧洲航空安全局(EASA)PD-14型号取证的一部分。该发动机在火山灰恶劣环境下工作1h，试验过程中发动机的性能几乎没有改变。对其拆解后，未发现火山灰对该产品造成的任何不良后果，证明其飞越火山灰云时的使用安全性。基于所获得的数据，将制定配备PD-14发动机的飞机在进入火山灰云情况下的技术维护和飞行使用建议。这次试验是俄罗斯发动机制造史上首次用火山灰测试航空发动机。2015年7月，美国国家航空航天局(NASA)对F117涡扇发动机进行了火山灰环境试验。

3 火山灰对发动机的危害

火山喷发时，岩浆或岩石被炸成碎片，大块的火山碎屑(一般大于64mm)以弹道式从火山口抛射而出，产生强大的冲击力。相对较小的火山碎屑(2mm～64mm)被喷向空中，产生一个喷发柱，在风和重力的影响下降落到地面。最小的火山碎屑(小于2mm)即火山灰很容易在喷发柱内部向上对流，高度可达平流层，在很长一段时间内顺风前进，可能会飘散数星期甚至数月之久[5]。

火山灰是指火山喷发时喷出的粒径小于2mm的粉状岩石，其主要成分为二氧化硅(大于50%)，含少量的铝、铁、钙和钠的氧化物。二氧化硅为玻璃态硅酸盐，在电子显微镜下扫描可见锋利玻屑。玻璃态硅酸盐非常坚硬，通常莫氏硬度等级为5或6级(类似于铅笔刀刀片)，其磨蚀性极强。火山灰的磨蚀特性会损伤航空器结构、驾驶舱窗和发动机零件。

火山灰的主要成分是玻璃态硅酸盐，其熔点约为1100℃，低于喷气发动机在巡航状态的温度(大约1400℃)，火山灰熔化后会对发动机造成严重损坏。国际民航组织建议闯入火山灰云的飞机，在可能的情况下将发动机功率降低至慢车状态[6]。

根据飞行期间与火山灰接触的喷气发动机拆卸检查结果，以及对喷气发动机的火山灰环境试验(火山灰通过风机吹入发动机)，人们现已较详细地了解了火山灰对喷气发动机的影响[7]。火山灰损坏发动机主要有3个原因：

(1)火山灰的熔点低于喷气发动机慢车以上状态的运行温度。火山灰的主要成分是熔点为1100℃的硅酸盐，在巡航状态下，喷气发动机的运行温度约为1400℃，吸入的火山灰会被熔化，而后又在涡轮导向器、涡轮叶片上冷却成火山灰沉积物(如图4所示)，这大幅减少了高压涡轮入口导叶的喉部面积，导致气流不匹配，继而造成发动机喘振，导致发动机推力下降，甚至造成发动机熄火。随着发动机高压涡轮进口温度的不断提高，今后火山灰在喷气发动机中的熔化现象会更为严峻。

图4 高压涡轮导向器前缘上堆积的黑色、玻璃状熔化的火山灰沉积物

(2)火山灰的磨蚀性还让压缩机转子路径和转子叶片叶尖(主要是高压部分)受到磨损，如图5所示，造成高压涡轮效率和发动机推力损失。此外，磨损还造成发动机失速裕度降低。压气机叶片磨损程度的主要影响因素是火山灰硬度、粒度和浓度，火山灰颗粒冲击速度以及推力设置。虽然磨损对发动机的影响程度弱于火山灰熔化，但磨损伤害是永久的、不可逆的。

图5 高压压气机叶片受火山灰磨损

(3)除了上述火山灰熔化和叶片磨损问题外，火山灰还会阻塞燃油喷嘴和冷却系统中的通气孔。对吸入火山灰的喷气发动机的地面测试发现，燃油喷嘴处有黑色类碳沉积物，导致发动机功率降低。这种情况下发动机空启十分困难，因为尝试空启期间，污染物并无脱落的迹象。

2000年2月，NASA对遭遇火山灰的DC-8-72飞机的4台CFM56-2涡扇发动机飞行数据进行分析，结果表明，发动机性能并没有显著变化，巡航状态EGT裕度略有下降。由于少量灰烬会清洁和抛光压气机叶片，稍微提高了压气机效率，阻塞的涡轮冷却气流通道和孔会减少HPC的流失，这也将略微提高性能。由于冷却孔阻塞导致涡轮叶片在足够高的温度下运行，其使用寿命可能会缩短，但不会降低其性能。此外，发动机吸入火山灰会污染发动机滑油系统，对滑油取样并进行光谱分析(如图6所示)，发现硫元素含量较高。

图6 遭遇火山灰后发动机滑油光谱分析结果

4 NASA航空发动机火山灰环境试验

4.1 试验背景

2010年的冰岛火山喷发对航空业产生了巨大影响。与此同时，NASA为了开发先进的健康管理系统和智能传感器并将其应用于下一代商用发动机，制定实施了飞行器综合推进研究项目(Vehicle Integrated Propulsion，VIPR)，旨在通过一系列的发动机装机条件下的试验，验证发动机气路故障诊断技术和智能传感器效果。2015年，出于对发动机火山灰环境试验的兴趣，在该项目的第三阶段(VIRP 3)，NASA与其他政府机构和行业合作，包括美国地质调查局、美国联邦航空管理局、美国空军研究实验室、普惠公司、罗罗公司、通用公司和波音公司，在NASA位于加利福尼亚州的阿姆斯特朗飞行研究中心/爱德华兹空军基地进行了一系列发动机火山灰环境试验(Volcanic Ash Environment (VAE) Testing)，将火山灰吹入发动机进气口(如图7所示)，以模拟飞行中发动机吸入火山灰的场景。

图7 火山灰吹入发动机进口的示意图

4.2 试验对象及设备

美国空军为该试验提供了一架C-17运输机及两台F117发动机(如图8所示)，这些发动机原定退役，在试验前进行了大修。用于发动机试验的火山灰(见图9)来自Mazama火山，火山灰颗粒直径为5μm～60μm，由美国地质调查局提供。火山灰喷撒设备(如图10所示)位于发动机的入口处，用于将超细颗粒的火山灰输送进发动机。

图8 C-17运输机和F117涡扇发动机

图9 发动机试验使用的火山灰

图10 火山灰喷撒设备

4.3 试验方法

试验前对发动机进行水洗，试验期间发动机按表1的试验条件在巡航状态稳定工作。每次试验结束后，对发动机压气机、燃烧室、涡轮进口导向器、高压涡轮第1级转子进行孔探检查。在整个火山灰环境试验后，对发动机进行拆解检查。

表1 火山灰环境试验条件

4.4 试验结果

4.4.1 每次试验后的发动机孔探检查结果

(1)压气机。每次试验后，压气机非常干净，没有明显的磨损或变色(如图11所示)。

图11 压气机孔探结果

(2)燃烧室。试验1、2燃烧室没有明显变化；试验3燃烧室区域开始出现脱落材料，燃油喷嘴周围出现一些沉积物；试验4燃烧室出现大量较薄的火山灰熔化沉积物；试验5相对试验4更为明显(如图12所示)。

(3)涡轮进口导向器。试验1涡轮进口导向器没有发现火山灰熔化沉积物，叶片冷却孔有轻微堵塞；试验2导向器叶片前缘有少量火山灰熔化沉积物； 试验3到试验5更为明显(如图13所示)。

图12 燃烧室孔探结果

图13 涡轮进口导向器孔探结果

(4)高压涡轮第1级转子。试验1到试验4无明显变化，试验5在转子叶片前缘形成火山灰沉积物，但并不是玻璃状的(如图14所示)。

图14 高压涡轮第1级转子孔探结果

4.4.2 试验后的发动机拆解检查结果

试验结束后对发动机进行拆解检查，检查结果如表2所示。

表2 试验结束后发动机拆解检查结果

续表2

5 结束语

本文主要整理了国外关于火山灰对发动机影响的相关资料，并对NASA完成的发动机火山灰环境试验进行了介绍。分析表明，火山灰对飞行安全及发动机影响重大。随着国内民用航空发动机的发展，有必要对发动机火山灰试验方法进行研究，以回答适航条款中关于火山灰危害的可接受程度。

此外，NASA火山灰环境试验中发动机孔探及拆解检查结果只是初步的。对于该试验结果，其重点是如何依据试验数据定量评估火山灰对发动机性能的影响程度。