涡轮发动机附件环境试验适航符合性审查策略

刘富荣 高艳蕾

摘要：针对民用航空发动机附件试验适航要求，开展附件试验符合性方法研究。通过研究国内外附件试验适航规章及其实质性要求，结合型号审定经验，提出了附件试验适航符合性策略。该策略给出了民用航空发动机适航验证的附件范围，识别了附件试验对应的环境验证项，说明了各类环境验证项的适用性确定原则，描述了符合性验证方法及其确定原则，概括了符合性验证方法相关的符合性要点。在国内涡轴、涡扇兩型取证发动机上开展了该策略的应用，证明符合性策略正确可行。最后，总结了符合性审定实践面临的挑战，探讨了后续工作重点。

关键词：适航审定；民用航空发动机；发动机附件；附件试验；环境试验

Keywords： airworthiness certification；civil aviation engine；engine accessories；accessory test；environmental test

0 引言

航空发动机适航要求的最基本考虑因素之一是发动机系统和附件能够在其声明的运行环境中正常工作[1，2]。民用航空发动机系统复杂，通常包括控制、监视、燃油、滑油、点火、空气系统等；对于某些发动机，还可能包括起动系统和反推控制系统等。各个系统涉及大量附件，专业涵盖电子电气、结构强度、防火防冰、流体污染等。由于发动机附件功能多样，结构复杂，设计特征、材料工艺、安装环境和运行条件各不相同，导致附件验证工作极其繁重。根据民用航空发动机系统和附件试验33.91的要求，对不能在33.87条持久试验中予以充分验证的系统或部件，申请人必须进行附加的验证，以证明这些系统或部件在所有已声明的环境和工作条件下能可靠地完成预定功能[3，4]。适航条款中发动机部件试验主要针对附件的安装和运行环境开展环境验证，具有环境验证项多、验证要点多和适航风险高等特点[5，6]。

欧美国家分别在不同程度上给出了发动机附件试验的适航符合性指导。美国FAA在咨询通告AC 33.91中给出了附件试验需要考虑的26类环境验证项以及认可的各类环境试验标准，在AC 33.17、AC 33.28、AC 33.63、AC 33.64中给出了与附件试验相关的其他33部条款试验要求，但对于符合性验证思路、环境验证项的适用性、符合性要点等并未给出系统性描述[7-14]。欧洲EASA通过CS-E AMC 80给出了发动机附件试验需要考虑的环境验证项，相比FAA AC 33.91缺少了恒加速验证要求，且认可的标准也不相同[15]。

国内发动机型号合格审定处于起步阶段，尚无附件环境试验符合性的相关指导，符合性验证工作严重依赖参与人员的经验，存在符合性遗漏的风险。这也导致附件试验符合性工作存在诸多问题，表现为适航符合性工作切入点不明确、验证对象不明确、环境验证项不明确、环境试验项适用性确定依据不清晰、缺乏符合性验证方法的确定原则、符合性要点缺失等问题。

为解决上述问题，本文提出了附件试验适航符合性思路和策略，并总结了附件试验符合性审查面临的挑战，探讨了后续工作重点。

1 适航要求

CCAR 33.91条款的字面要求是对不能在33.87条持久试验中予以充分验证的系统和附件，申请人必须进行附加试验，以证明这些系统和附件在所有已声明的环境和工作条件下能可靠地完成预定功能。然而，其实质性意图与条款字面意思有差异，其本质是要求当33.87持久试验和其他33部条款对应的试验都不能充分验证附件及其声明的环境时，需要开展附加的验证工作，验证工作不局限于试验，可以是试验、分析、与先期取证发动机附件的类比，或者三者的结合。

针对发动机系统和附件试验的条款，中欧美规章的技术要求基本一致。其中，FAR 33.91发动机系统和附件试验条款等效于CCAR 33.91；EASA无直接与CCAR 33.91等效的条款，但CS-E 170发动机系统试验与CS-E 80发动机设备两条款的要求能够部分满足CCAR 33.91要求。中欧美现行有效规章对应关系如表1所示。

2 审查策略

如图1所示，发动机附件环境试验符合性工作包括3部分：环境试验验证策划、环境试验验证实施、环境试验验证总结。

2.1 环境试验验证策划

2.1.1 环境试验验证对象

附件环境试验符合性的首要工作是确定附件环境试验验证对象，确保验证对象正确完整无遗漏。根据条款要求，附件试验的验证对象是指特定发动机系统中具有独立功能，能够独立安装拆卸，独立构型管理和整体维护的任一属于发动机型号取证构型的设备。除此之外的其他件定义为零件，应在系统试验或者整机试验中验证。常见附件包括燃/滑油泵、热交换器、燃油关断阀门、电子控制单元和传感器等。

2.1.2 环境试验验证项

附件试验需要考核的环境验证项包括：高温、低温、室温、流体污染、振动、冲击、恒加速、砂尘、流体敏感性、盐雾、燃油系统结冰、进气结冰、霉菌、温度—高度、温度循环、防爆、湿热、防水、引脚注入、电源输入、耐压、过压、压力循环、防火、发动机电子控制器过热和包容性等。

上述环境验证项并不适用于所有附件，在确定环境验证项的适用性时，应考虑附件功能、性能、设计特征、材料特性、制造工艺、安装位置、运行条件、失效模式。

2.1.3 环境试验验证范围

附件试验验证的环境是附件运行环境和工作条件。该附件运行环境和工作条件应结合安装对象和发动机本体来分析。针对安装对象，应充分考虑来自飞机的环境输入，包括由飞机提供的冷却能力、燃油污染水平、燃油结冰条件、飞机输入的振动特性、雷电间接效应等；针对发动机本体，应考虑在所有发动机工况下附件可能遭受的运行条件，包括正常工况和异常工况，应结合安全性分析确定附件的失效模式，确定附件的环境验证范围。0106ACB9-D3AB-42F5-9797-F3E2407B0265

2.1.4 环境试验符合性策略

CCAR 33.91中发动机附件试验是否需要开展，取决于33部规章中其他条款能否充分验证附件及其预期环境，即如果能够合理地分析说明33部规章中其他条款能够充分验证附件及其预期环境，则无须在33.91中开展任何额外附件验证。与33.91条环境试验密切相关的33部规章其他条款包括33.17防火、33.28发动机控制系统、33.63振动、33.64发动机静承压件、33.67燃油系统、33.68进气系统结冰、33.71润滑系统和33.87持久试验等。

在明确附件环境将在33.91条款中验证后，应给出具体的附件环境验证项符合性验证方法以及合理性说明。符合性验证方法可以是试验、分析、类比或者前述3类的组合。试验是指通过分析试验条件、构建试验设施、制定试验程序、确定试验判据、编制试验大纲、开展试验目击、收集分析试验数据、分析试验偏离、编制试验报告的手段表明符合性的验证方法；分析是指通过分析附件的设计特征、使用材料、制造工艺等，确保附件在其声明的环境中实现预期功能的符合性验证方法；类比是指通过附件与先期取证发动机附件的设计特征、材料特性、制造工艺、安装运行环境、运行条件、使用经验的相似性分析，表明附件能够在其声明的环境中实现预期功能的符合性验证方法。

2.2 环境试验验证实施

环境试验验证实施的主要工作，是根据环境验证策划阶段确定的符合性验证方法，对附件的环境项开展符合性验证。符合性验证要点与被验证附件、环境验证项、符合性验证方法有关。与被验证附件有关的符合性要点，考虑到不同附件设计特征和工作原理不尽相同，符合性要点也不同；而与环境验证项和符合性验证方法相关的符合性要点则具有通用性，适用于所有附件。

2.2.1 试验

通过试验的方法表明附件试验的符合性时，需考虑如下几个方面。

1）试验条件。试验需验证的运行和环境参数需覆盖附件所遭遇到的极限值；对于需要在附件工作状态下验证的环境，需要识别其最严格的工作工况。

2）试验方法。试验所采用的试验程序应能充分验证附件的环境。在采用行业或者工业标准推荐的试验程序时，需开展合理性说明，说明应包括标准的试验程序、试验条件、试验判据等。试验件的安装连接、方向、原理应能反映附件真实安装方式，特别是振动等级和特性。试验设备应通过铭牌、型号、序列号、软件版本、校准有效期进行标识，且必须在校准范围内使用试验设备；所有校准应可追溯至公认的标准；试验可在台架或试验台中进行，也可以在发动机整机上进行，但需保证整机试验能够覆盖附件试验的严苛程度。试验数据采集和记录方法应确保试验数据的正确性和精度。

3）试验顺序。如采用独立的试验件进行不同环境试验时，可按任何顺序开展附件试验；若采用单个试验件进行多项试验时，则要求盐雾试验不能在霉菌试验之前进行；砂尘试验不能在霉菌、盐雾或湿热试验前进行；振动试验不应在温度试验之前进行；爆炸大气试验不能在任何其他试验之前进行；防火试验不能在其他任何试验之前进行。

4）试验组合。如果要求对验证时间进行累积，可将多个不同环境验证项的试验程序进行组合，但需确保组合后的试验程序能够充分验证每个独立试验的最严苛试验条件。

5）试验通过准则。对于大多数附件，试验通过的准则至少包含试验过程中没有发生任何可能影响发动机安全性或可操作性的重大附件功能和性能变化；试验后能够达到生产验收试验的要求，试验后的分解检查（如果有要求）没有发现可能损害附件安全运行能力的潜在故障或损坏。

6）试验结果分析。试验后应开展试验数据分析，特别是试验数据和构型偏离对试验结果的影响分析，并给出验证结论。

2.2.2 分析

通过分析的方法表明附件试验的符合性时，需分析附件的几何结构、应力水平、极限应力位置、运行特性、功能、制造工艺、材料特性、失效模式、失效影响、工作条件、安装环境等，并说明附件如何在其声明的运行条件和安装环境中，特别是异常情况下实现预期工作。

2.2.3 类比

通过类比的方法表明附件试验的符合性时，需考虑如下几个方面。

1）拟取证发动机的附件設计必须在先期取证发动机的附件设计考虑范围内，包括几何结构、应力水平、极限应力位置、运行特性、功能、制造工艺、材料特性、失效模式、失效影响等。

2）拟取证发动机的附件运行条件、安装环境在先期取证发动机的附件环境验证范围内。

3）先期取证发动机的附件符合性数据足以证明符合性，不需要新的数据来表明符合性。

4）先期取证发动机的附件符合性必须通过试验表明，不能通过基于对类似发动机型号中附件使用经验、附件设计实践、类比分析表明。

5）产生先期取证发动机附件的符合性数据的试验程序必须依据工业标准或者行业标准，以保证试验数据的置信度。

2.3 环境试验验证总结

按照规章要求，完成所有附件环境试验后需形成附件安装环境限制清单，供安装对象使用，明确附件振动、温度以及其他需要飞机方关注的安装限制，包括但不限于经验证的燃油污染水平、振动特性和等级、安装使用温度限制等。

上述附件试验符合性策略已经在某型中欧合作发动机项目、其他在取证发动机项目中展开应用，验证了该审查策略和审查要点切实正确，合理可行，能够支撑发动机附件环境试验符合性审查工作的开展。

3 问题与挑战

随着技术的发展，将有更多新材料、新工艺、新技术引入到发动机附件的研制过程中。伴随着产品服役数据的积累，新的失效模式、运行条件将不断被识别。面对上述情况，发动机附件试验符合性审查缺乏历史数据参考和支撑，甚至可能缺乏相关审查政策的指导，为审查工作带来新的挑战。适航审查需要结合具体情况，不断优化民用航空发动机附件环境试验适航审查策略，制定新的审查指导政策，积累和优化各个环境验证项的审查要点。0106ACB9-D3AB-42F5-9797-F3E2407B0265

4 結束语

该符合性策略已能够支撑发动机附件环境试验符合性审查工作的开展，后续将结合工业实践引入新技术，以及产品服役识别的失效模式和使用环境，进行规章更新，逐步积累和优化环境验证项的审查要点。

参考文献

[1] 中国民用航空局. 航空发动机适航规定CCAR 33-R2 [S]. 2011.

[2] 高艳蕾，郭雁泽，綦蕾. 民用航空发动机适航要求解读-系统审定[M].北京：航空工业出版社，2019.

[3] 高艳蕾，周燕佩，孙晓宁. 浅谈欧美航空发动机适航法规的异同[J]. 国际航空，2013（3）：74-76.

[4] 孔叔钫，胡湘洪. 基于适航的民机机载设备环境试验标准需求分析[J].电子产品可靠性和环境试验，2019（4）：87-92.

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[6] RTCA Technical Committee. Environmental conditions and test procedures for airborne equipment，RTCA DO-160G[S]. USA：RTCA Inc，2010.

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[12] International Standard. Aircraft-environmental test procedure for airborne equipment–resistance to fire in designated fire zones：ISO 2685 [S]. Switzerland：ISO Central Secretariat，1998.

[13] International Standard. Environmental tests for aircraft equipment-steady-state acceleration：ISO 2669 [S]. 1995.

[14] SAE Technical Committee. Contaminants for aircraft turbine engine fuel system component testing：SAE AIR 4246[S]. USA：SAE International，2002.

[15] European Aviation Safety Agency. Certification specifications and acceptable means of compliance for engines：CS-E amendment 4 [S]. 2015.0106ACB9-D3AB-42F5-9797-F3E2407B0265