罗刚; 张海洋; 吴春波; 陈伟; 丁振东
【期刊名称】《《航空发动机》》
【年(卷),期】2019(045)006
【总页数】7页(P90-96)
【关键词】吞鸟; 鸟撞; 适航; 通用分析方法; 航空发动机
【作 者】罗刚; 张海洋; 吴春波; 陈伟; 丁振东
【作者单位】南京航空航天大学能源与动力学院 南京210016; 中国航发沈阳发动机研究所辽宁省航空发动机冲击动力学重点实验室 沈阳110015
防辐射屏【正文语种】中 文
【中图分类】rfid标签生产V219
0 引言
航空发动机吞鸟和飞机遭遇鸟撞击极易导致严重事故，引发公众对航空安全的高度关注[1-3]。世界各航空大国均针对发动机吞鸟和鸟撞飞机问题制订了适航规章，规定了发动机和飞机在遭遇鸟的吸入或撞击后必须具备的基本安全性能和工作能力，同时也以明确或潜在的方式规定了考核发动机或飞机具备上述能力所必须开展的设计、分析、考核、验证等的流程、方法和设备技术要求[4-6]。目前，强制贯彻相应适航规章要求及其背后隐藏的符合性设计与验证技术方法已成为保障航空安全和公共利益的主要措施，也是各类先进航空器装备市场准入的主要手段[7]。 账本网
发动机吞鸟和鸟撞飞机的危害性究其本质，是鸟体与发动机部件/飞机部件间高速相对作用所带来的机械损伤及其衍生的安全性问题[8-9]，鉴于发动机吞鸟和鸟撞飞机具有一定类似性，国外以美、欧为代表，依托美国联邦航空局（Federal Aviation Administration，FAA）、美国国家交通安全局（National Transportation Safety Board，NTSB）、国际鸟撞委员会（International Bird Impact Committee，IBSC）、欧洲航空安全局（European Aviation Safety Agency，EASA）等部门和机构，对发动机吞鸟和鸟撞飞机开展了系统的
外室1H事故调查、调研分析、数值模拟与试验验证，以及部件、组件和整机的适航符合性设计与验证等大量工作[10-16]。国内目前主要针对各自领域的适航符合性方法开展了初步研究[17-20]，在规章制定、调研分析、验证工作等方面，需要掌握相关适航规章的内涵和外延，才能为进一步发展相应的适航符合性设计与验证工作奠定基础。
本文针对现行有效的适航规章第14部（14 Code of Federal Regulation，14 CFR）CFR 的 Part 25/Part33中与发动机吞鸟和鸟撞飞机有关的内容，分析了相关规章产生的背景、来源、历史沿革、发展轨迹、重点涵盖内容等，掌握了相应规章的内涵和外延，梳理了相应技术体系与设备技术要求，提出了可借鉴的通用适航符合性分析方法与流程。
2 规章历史沿革与内容分析
2.1 规章历史沿革
Part25与Part33是美国FAA颁布的有关飞机和发动机的现行有效适航规章，通过梳理美国CFR规章的历史沿革，可以清晰地把握规章的发展背景和技术要求，上述相应规章的历史发展沿革如图1所示。
图1 14 CFR Part25和Part33的历史发展沿革
在鸟撞飞机的适航规章方面，早在1952年美国民航局（Civil Aviation Bureau，CAB）颁布的民用航空规章（Civil Aviation Regulation，CAR）CAR 4b.612就规定了空速管系统规避鸟撞的要求 [21]，1953年，CAR 4b.352中规定了飞机风挡和支撑必须承受海平面飞行速度下1.8kg鸟的撞击 [22]，FAA从1964年起陆续将CAR 转变为 CFR，Part25.571[23]、Part25.775[24]分别对飞机的结构疲劳、鸟撞风挡做出了规定，继承了CAR 4b.352的要求；Part25.1323[25]继承了CAR 4b.612的规定；1962年，子爵号飞机在飞行中遭遇小天鹅撞击而失事[26]，随后Amdt25-23[27]新增了25.631尾翼鸟撞评估内容，Amdt25-45[28]针对鸟撞后飞机的总体结构和损伤容限进行了规定，Amdt25-72[29]新增了验证时需满足海平面至海拔高度约2438m条件下V c撞击速度的要求；Amdt25-96进行了撞击速度要求的补充说明[30]。
发动机吞鸟的适航规章制定的时间稍晚于鸟撞飞机规章。1960年，美国东方航空公司Electra L188型涡轮螺旋桨客机波士顿吞鸟事故[31]引发了对于航空发动机吞鸟适航管理问题的关注；1965年FAA颁布了专门针对航空发动机吞鸟适航的规章Part33.13/19[32]，首次
强制规定了民用航空发动机必须通过吞鸟符合性验证；1968年的AC33-1A[33]提高了吞鸟验证时采用的大鸟的质量标准，将其质量上限提升为2.27kg磅；Part33.77 Amdt33-6[34]进一步规范了吞鸟适航验证时采用的鸟的质量和数量；Amdt33-20[35]要求根据发动机迎风面积等参数开展发动机吸鸟验证试验；Amdt33-23/24[36]进一步提升了发动机吞鸟后的性能要求，并增加了吸入大型鸟的验证内容；2009年的AC33.76-1A[37]更加重视分析/计算与试验验证相结合的符合性验证方法。
从图1中可见，无论是Part25还是Part33，从问世起就处在不断的动态调整中，Part25在46年内总共升级调整了7次，Part33在44年内同样升级调整了7次，每次的升级和调整都进一步提升了相应的技术指标，或者对符合性验证的技术要求进行了进一步说明。从规章的历史发展沿革中可以发现，虽然由于早期受技术条件限制，FAA对于航空事故原因调查时间较长，但一定会有最终确认的调查结果，且调查结果深度推动了适航规章的发展，FAA分别经过8年和5年的调查分析，在管控相应事故原因基础上，创新性地提出了Part25.631、Part33.13/19；Part25最近更新的时间是1998年，Part33最近更新时间是2009年，近年来，Part33的更新频率比Part25的快，这也从侧面说明了目前航空发动机吞鸟对航空安全带来的威胁与挑战要高于鸟撞飞机的情况。
2.2 规章内容
Part33中有2条与发动机吞鸟相关的规章，分别从吞鸟后限制出现的发动机故障（33.75）和吞鸟适航取证的具体规定（33.76）2个方面给出了发动机吞鸟的适航符合性要求，分别规定了发动机吸入大鸟和中鸟后不得出现具有危害性的发动机故障，以及取证时不同发动机迎风面积要求吸入的鸟的数量、质量及试验流程的具体要求。具体内容对比见表1。
表1 现行有效的Part25鸟撞飞机和Part33发动机吞鸟规章内容比对内容 Part25 Part33投鸟质量范围85g～3.6kg，按迎风面积分14个等级投鸟速度范围1.8kg/3.6kg，按撞击部位分2个等级海平面V C或2450m 0.85V C中较严重者 103m/s及不低于V1速度投鸟数量 1只/次 1～16只/次，并有时间、位置和顺序要求目标形式 固定式标靶 旋转式标靶撞击部位飞机任何可能遭遇撞击的主体部位（包含机头、机翼、尾翼、风挡、挂架、起落架、发动机短舱唇口等）发动机第1级风扇转子及叶片具体要求1.主体结构受到1.8kg鸟撞后，飞机必须能够成功地完成该次飞行；2.风挡经受1.8kg鸟撞不被击穿，内层碎片危害最小；3.尾翼经受3.6kg鸟撞之后，飞机继续安全飞行和着陆；4、空速管系统必须保证不能因鸟撞同时损坏1.吸入大鸟后不得出现具有危害性的发动机后果；2.吸入中鸟和小鸟后功率或推力损失不得高于25%；3.吸入大型鸟后功率或推力损失不得高于50%
脚踏式垃圾桶
从表中可见，发动机吞鸟与鸟撞飞机适航符合性验证所需要的鸟的质量上限基本相同，但验证时对投鸟速度有各自特定的要求，投鸟的数量、形式、撞击部位与飞机和发动机的工作特点密切相关，在适航验证的具体要求中均考虑了部件、组件、整机的性能、结构安全和损伤容限。从规章发展沿革可见，国外业界对鸟撞飞机的认识较早，相应的规范要求制订时间也较早，对于发动机吞鸟的认识时间跨度较短，但是对发动机吞鸟的危害性认识较为深刻，对发动机吞鸟适航验证的具体要求十分详细。无论是Part25还是Part33，都结合了规章起源、事故调查、数据资料升级等大量工作，使得相应的规章不断保证航空安全。
从条款对比也可见，航空发动机吞鸟的设计和验证要求的复杂程度要超过鸟撞飞机的情况，主要表现在：（1）航空发动机吞鸟试验设备需要具备涵盖发射14个质量等级弹丸的能力，而飞机鸟撞试验只要求发射2个质量等级的弹丸；此外，航空发动机吞鸟适航验证早期分析时弹丸投射的相对速度可能达到350m/s以上的水平，远超飞机鸟撞分析与试验时的相对速度范围，因此，发动机吞鸟验证设备设计与分析技术要求较高；（2）发动机吞鸟试验需要在极短时间内按约定顺序发射多个弹丸，而飞机鸟撞试验只需要单发发射，因此吞鸟试验验证还有额外的对鸟体数量和发射顺序的控制要求；（3）发动机吞鸟试验最大的特点是需要冲击旋转叶片，而飞行器鸟撞试验只需要撞击固定标靶，旋转试验中的弹丸落点控
制难度远超固定打靶。上述差别也对航空发动机吞鸟适航符合性设计与验证提出了更高的技术要求。
3 规章内涵与外延分析
3.1 公众安全需求
Part25中有关鸟撞飞机的4个规章设置的主要目的是保证飞机在一定飞行速度下遭遇一定质量的鸟撞击后，必须保证主体结构、风挡、尾翼、控制系统和测量系统具有最低安全性；Part33中有关发动机吞鸟的2个规章的主要目的是保证发动机在一定工作状态下吸入不同质量和数量的鸟类后，必须保证最低的工作性能和结构安全性。其规章设计的核心是通过强制的指标要求和验证手段保障飞行器和发动机的安全工作，使得乘坐、使用相应飞行器和发动机的公众航空安全得到根本保障，维护公众的生命安全和财产利益。因此，维护航空活动中的公众利益是Part25和Part33相关规章订立的历史背景和根本需求，这也促使了适航管理部门采用类似的手段不断建立规章基础、提升技术指标和验证要求，并通过AC通告、AMDT修正案等不断升级规章，持续保护公众的安全和利益，久而久之，这也成为成熟航空器和发动机产品进行市场准入管理的有效尝试。
空速管
Part25和Part33有关规章的升级过程也印证了规章保护公众利益需求的发展过程，由于航空事故极易造成重大人员财产损失，严重威胁了公众利益，因此一旦发生事故，管理调查部门一定会进行详尽的原因调查，从而不断发现和填补强制规章中的漏洞，使得航空变得越来越安全，历史上的几次著名的航空事故均促成了相应适航规章的重要升级。保障航空安全和公众利益，建立完善的规章建立、事故调查、使用数据反馈、咨询通告、颁布修正案、强制准入等措施和体系，是CFR规章对国内相关适航工作的重要启示，根据国外先进经验，提出了中国CCAR25和CCAR33的鸟撞和吞鸟适航规章建立、升级与贯彻流程建议，如图2所示。
图2 吞鸟/鸟撞规章制定、升级与贯彻闭环流程
3.2 相同的故障本质和类似的故障模式
Part33涉及的发动机吞鸟及Part25所涉及的鸟撞飞机，其故障的本质是鸟体与发动机/飞机部件间高速相对运动而在发动机/飞机结构中产生的突加高能载荷分布、作用和传递导致的机械损伤，以及由上述机械损伤进一步衍生出的疲劳与损伤容限能力下降，机械组件结构失稳，部件或组件气动性能恶化等二次损伤。相应的评估工作、涉及的发动机/飞机部件及
对应的适航规章如图3所示。
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