民用航空發(fā)動機ETOPS 型號設(shè)計和符合性驗證方法研究

李昊燃，雷延生，龔昊偉

（1.中國航發(fā)商用航空發(fā)動機有限責(zé)任公司適航工程中心，上海200241）（2.中國航發(fā)商用航空發(fā)動機有限責(zé)任公司科技委，上海200241）

0 引言

隨著交通運輸行業(yè)的發(fā)展，洲際航行增多，飛機航路需要進行跨洋飛行或穿越荒蕪人煙的地區(qū)飛行，在這些地區(qū)一旦出現(xiàn)單發(fā)失效的情況，可供備降的機場很少，因此，飛機通常選擇沿海岸線飛行，這使得飛機消耗大量的時間和燃油。為了降低航空公司運營成本，開辟更多航線，國際民航組織（International Civil Aviation Organization，簡稱ICAO）和美國聯(lián)邦航空管理局（Federal Aviation Administration，簡稱FAA）提出了延程運行（Extended Operations，簡稱ETOPS）的概念，允許飛機進行延程運行。

具備ETOPS 資格的飛機，在縮短航程、節(jié)省時間和燃油以及提高運行有效性方面具有優(yōu)勢。航空發(fā)動機作為飛機的重要系統(tǒng)，獲得早期ETOPS 型號設(shè)計批準有助于提高其型號的市場競爭力。

國外航空發(fā)動機制造商大多具備ETOPS 設(shè)計和符合性驗證能力。PW 公司按照FAR33 要求完成3 000 次起動停車循環(huán)試驗、模擬改航試驗、振動臺階試驗，并配套B777 獲得180 min 的ETOPS 資格；GE 公司GE90 發(fā)動機開展模擬ETOPS 任務(wù)循環(huán)持久試驗，模擬投入服役兩年的使用情況，并配合B777 開展ETOPS 飛行試驗；RR 公司的Trent 系列發(fā)動機也已獲得早期ETOPS 型號設(shè)計批準。PW、GE、RR 等航空發(fā)動機制造商所研制的發(fā)動機，已具備較高的可靠性水平，裝配波音、空客飛機投入ETOPS 航線運營。

ETOPS 對國內(nèi)民航制造界是一個較新的概念，目前沒有國內(nèi)民用飛機、航空發(fā)動機獲得ETOPS 型號設(shè)計批準。在國外對ETOPS 型號設(shè)計核心技術(shù)封鎖的背景下，近年來國內(nèi)研究者對于ETOPS 型號設(shè)計及適航符合性驗證開展探索和研究。2013 年，韓冰冰等總結(jié)我國ETOPS 型號設(shè)計批準現(xiàn)狀，并預(yù)測未來的發(fā)展趨勢；2015年，王穩(wěn)江等提出了民用飛機ETOPS 型號設(shè)計思路；2017 年，謝輝松提出了ETOPS 時間限制系統(tǒng)時間性能的估算方法，從飛機設(shè)計的角度提出了ETOPS 型號設(shè)計需關(guān)注的要點；2018 年，孫鐵源等給出了飛機ETOPS 系統(tǒng)計劃維修要求制定過程；2019 年，談琳娓等對民用飛機延程運行飛行試驗技術(shù)開展研究；2020 年，李新等給出了ETOPS 型號設(shè)計批準中評估飛機成熟度、可靠性的指標(biāo)和ETOPS 事件報告流程；趙明等提出我國民用飛機和航空發(fā)動機ETOPS 技術(shù)研究方向。目前國內(nèi)對ETOPS 技術(shù)研究主要針對民用飛機，對航空發(fā)動機的相關(guān)技術(shù)研究較少，而航空發(fā)動機作為飛機的重要系統(tǒng)，其早期ETOPS 設(shè)計和適航符合性驗證對飛機ETOPS 型號設(shè)計批準有重要影響。為使國內(nèi)航空發(fā)動機配套民用飛機早日投入ETOPS 航線運營，應(yīng)開展航空發(fā)動機ETOPS 相關(guān)技術(shù)研究。

本文在研究航空發(fā)動機及飛機ETOPS 相關(guān)適航資料的基礎(chǔ)上，從飛機—發(fā)動機組合角度出發(fā)，對航空發(fā)動機相關(guān)ETOPS 型號設(shè)計批準要求進行分析，提出民用航空發(fā)動機ETOPS 型號設(shè)計與適航符合性驗證方法。

1 ETOPS 介紹

1.1 ETOPS 概念

在發(fā)動機型號合格審定中，ETOPS 是指除了全貨運行以外，飛行期間有部分飛行是在超出CCAR121 部《大型飛機公共航空運輸承運人運行合格審定規(guī)則》和CCAR135 部《小型航空器商業(yè)運輸運營人運行合格審定規(guī)則》所規(guī)定的時間極限下進行的一種運行。對于該時間極限，我國適航規(guī)章CCAR121 部W 章“延程運行與極地運行”第121.711 條規(guī)定：“合格證持有人除經(jīng)局方批準外不得實施以下運行：在飛機計劃運行的航路上至少存在一點到任一延程運行可選備降機場的距離超過飛機在標(biāo)準條件下靜止大氣中以經(jīng)批準的一臺發(fā)動機不工作時的巡航速度飛行60 min 對應(yīng)的飛行距離（以兩臺渦輪發(fā)動機為動力的飛機）或超過180 min 對應(yīng)的飛行距離（以多于兩臺渦輪發(fā)動機為動力的載客飛機）的運行”“只有當(dāng)機體發(fā)動機組合獲得中國民航局頒發(fā)的延程運行型號設(shè)計批準時，合格證持有人才有資格實施延程運行”。

ETOPS 認證等級以時間劃分，例如B787 已獲得330 min 的ETOPS 型號設(shè)計 批準，A350 已獲 得370 min 的ETOPS 型號 設(shè)計 批準，A320 和B737NG 已獲 得180 min 的ETOPS 型號 設(shè)計批準。

1.2 ETOPS 適航規(guī)章發(fā)展歷程

1953 年，基于當(dāng)時活塞發(fā)動機的可靠性，F(xiàn)AA 在FAR121.161 中規(guī)定雙發(fā)或三發(fā)飛機不得在距備降機場單發(fā)飛行時間超過60 min 的航線上飛行。國際民航組織ICAO 隨后采取了類似的規(guī)定，即“60 min 限制”。

1964 年，F(xiàn)AA 對于 三發(fā) 飛機 免去“60 min 限制”，而雙發(fā)飛機由于運行中可靠性不足，依然受限于60 min 的規(guī)定。

20 世紀70 年代，隨著發(fā)動機可靠性的增加，國際民航組織ICAO 認可了空客公司提出的90 min改航標(biāo)準。

隨著民航技術(shù)的進步，高涵道比渦扇發(fā)動機相繼投入使用，發(fā)動機可靠性的不斷增加。FAA先后于1985 年和1988 年頒布咨詢通告AC120-42和AC120-42A，對于延程運行引入ETOPS 的概念，允許雙發(fā)飛機超越FAR121 部的時間限制運行。AC120-42 允許雙發(fā)飛機在證明了特定的服役經(jīng)驗和系統(tǒng)可靠性后，可在距備降機場120 min航程的航線上運行。AC120-42A 將這一限制提升至180 min，這使得飛機可飛越世界大部分地區(qū)。

應(yīng)工業(yè)界要求，2000 年FAA 頒布政策信函EPL20-1，針對北太平洋地區(qū)，允許在AC120-42A規(guī)定的180 min 改航時間基礎(chǔ)上增加15%改航時間，即最大207 min 改航時間運行。

2007 年FAA 發(fā)布FAR25 部第120 修正 案，在25 部中增加25.1535“ETOPS 批準”，將ETOPS 主要設(shè)計技術(shù)要求和符合性驗證方法置于附錄K中。同時，F(xiàn)AA 在33 部中 增加33.201“早期ETOPS 資格的設(shè)計和試驗要求”，對申請安裝于早期ETOPS 資格的雙發(fā)飛機的發(fā)動機給出設(shè)計和試驗要求。

截至 目前，F(xiàn)AA 未對 FAR25.1535 和FAR33.201 條款做出任何修訂，我國的CCAR 25.1535 和CCAR33.201 采納以上條款內(nèi)容。

2008 年3 月EASA 發(fā)布NPA No.2008-01，決定增加CS-E1040 ETOPS。2010 年EASA 頒布了最新的適航規(guī)章CS-E 部“發(fā)動機審定規(guī)范”，作為民用航空發(fā)動機適航審定標(biāo)準。CS-E1040 ETOPS 條款的內(nèi)容在CS-E 第3 修正案中首次出現(xiàn)，而在第3 修正案以前CS-E1040 僅保留條款編號無內(nèi)容，CS-E 第4 修正案CS-E1040 條款延用第3 修正案內(nèi)容。

根據(jù)以上條款演化背景分析，中、美及歐洲國家和地區(qū)適航法規(guī)在發(fā)動機ETOPS 型號設(shè)計批準條款的要求具有一定關(guān)聯(lián)性，版本對應(yīng)關(guān)系如表1 所示。

表1 航空發(fā)動機ETOPS 條款對應(yīng)關(guān)系Table 1 Correspondence of ETOPS airworthiness for aircraft engine

目前CCAR33.201 條款的有效版本與FAR33部第21 修正案中關(guān)于ETOPS 的內(nèi)容保持一致。CS-E 規(guī)章中的ETOPS 條款從第3 修正案到第4修正案未發(fā)生變化。CS-E1040 條款具體要求在AMC20-6 附錄1 中，F(xiàn)AR33.201 條款 與AMC20-6 附錄1 關(guān)于3 000 次起動—停車循環(huán)及3 次模擬改航循環(huán)試驗要求是相同的，其他要求有所差異，但本質(zhì)要求是一致的。

2 ETOPS 型號設(shè)計批準要求分析

2.1 發(fā)動機早期ETOPS 資格型號設(shè)計要求分析

CCAR33.201 條款適用于雙發(fā)飛機的發(fā)動機，在沒有25 萬飛行小時服役經(jīng)歷的條件下申請ETOPS 型號設(shè)計批準。

根據(jù)CCAR33.201（a）~（b）的要求，為消除已知的故障、失效，或因發(fā)動機設(shè)計引發(fā)的空中停車、失去推力控制或其他功率損失的問題，增加審查方對發(fā)動機可靠性的信心，申請人應(yīng)建立設(shè)計質(zhì)量保證過程。同時，申請人應(yīng)根據(jù)申請的ETOPS 最大改航時間，制定發(fā)動機可靠性指標(biāo)，滿足空中停車率的要求，并將整機可靠性指標(biāo)分解至部件/系統(tǒng)。結(jié)合飛機ETOPS 改航場景，開展ETOPS 安全性評估，確定部件/系統(tǒng)安全性指標(biāo)。開展部件/系統(tǒng)故障樹分析及故障模式、影響及危害性分析，依據(jù)分析結(jié)果完善設(shè)計，減少ETOPS 相關(guān)故障的發(fā)生。進行部件/系統(tǒng)及整機可靠性評估及安全性評估，校驗是否滿足可靠性指標(biāo)及安全性指標(biāo)要求，若不滿足要求則進行設(shè)計完善后開展可靠性評估及安全性評估，迭代該過程直至滿足部件/系統(tǒng)及整機可靠性指標(biāo)及安全性指標(biāo)要求。

CCAR33.201（c）要求通過模擬ETOPS 任務(wù)循環(huán)的持久試驗查明發(fā)動機服役中可能發(fā)生的問題或失效。除非申請人根據(jù)CCAR33.201（f）條款規(guī)定使用其他等效的任務(wù)循環(huán)持久試驗代替CCAR33.201（c）中的持久試驗，否則需要通過CCAR33.201（c）的持久試驗進行符合性驗證。模擬ETOPS 任務(wù)循環(huán)持久試驗包括：轉(zhuǎn)子不平衡量調(diào)節(jié)、起動停車循環(huán)、模擬改航、振動臺階試驗等。

根據(jù)CCAR33.201（d）、（e）的要 求，模擬ETOPS 任務(wù)循環(huán)持久試驗前及試驗后分別進行校準試驗，確保功率或推力特性的變化在批準的限制值內(nèi)。持久試驗結(jié)束后應(yīng)依據(jù)持續(xù)適航文件開展目視檢查及分解檢查，確認沒有出現(xiàn)可以導(dǎo)致空中停車、失去推力控制或其他功率損失的磨損或損壞，并依據(jù)試驗結(jié)果完善持續(xù)適航文件。

2.2 初始維修檢查與ETOPS 條款符合性驗證關(guān)系

ETOPS 與初始維修檢查存在關(guān)聯(lián)關(guān)系，根據(jù)CCAR33.201（g），申請人通過模擬ETOPS 任務(wù)循環(huán)持久試驗驗證CCAR33.90 初始維修檢查符合性的要求。該條款要求與CCAR33.90（b）相對應(yīng)，通過CCAR33.201 的試驗支撐CCAR33.90初始維修檢查的驗證。在完成初始維修檢查要求與CCAR33.90（a）一致的試驗的全部試驗循環(huán)后，申請人可以中斷33.201 試驗接受在翼檢查或其他檢查，以表明CCAR33.90 的符合性，但在服役前仍需完成CCAR33.201 剩余部分的試驗。

2.3 CCAR33 部與CCAR25 部ETOPS 條款關(guān)聯(lián)關(guān)系

CCAR33 部與CCAR25 部ETOPS 條款 緊密相關(guān)。CCAR25 部附錄K“ETOPS 批準”規(guī)定了飛機ETOPS 型號取證的三種方法，其中，雙發(fā)飛機早期ETOPS 中K25.2.2（b）推進系統(tǒng)設(shè)計，要求“用于申請人飛機設(shè)計的發(fā)動機必須按CCAR33部進行早期ETOPS 合格批準”，也就是說，若雙發(fā)飛機申請人希望通過早期ETOPS 進行CCAR25.1535 條款的符合性驗證，則安裝于該雙發(fā)飛機上的發(fā)動機必須取得CCAR33.201“早期ETOPS 資格的設(shè)計和試驗要求”的型號合格證。同時，根據(jù)CCAR25 部K25.1.4K（c）的要求，發(fā)動機滑油箱設(shè)計需符合33.71（c）第（4）條的要求。根據(jù)CCAR25 部K25.1.5 的要求，發(fā)動機狀態(tài) 監(jiān)控 程序 需符 合A33.3（c）的要 求。CCAR33 部與CCAR25 部ETOPS 條款關(guān)系如圖1所示。

圖1 CCAR33部與CCAR25部ETOPS 相關(guān)條款關(guān)聯(lián)關(guān)系Fig.1 Connection relations between CCAR33 and CCAR25 ETOPS related regulations

3 發(fā)動機早期ETOPS 資格型號設(shè)計與符合性驗證方法

在航空發(fā)動機研制過程中，有必要在產(chǎn)品研發(fā)初期開展ETOPS 型號設(shè)計，并在型號合格審定各階段開展ETOPS 型號設(shè)計的適航符合性驗證?；趯娇瞻l(fā)動機及飛機ETOPS 適航條款及相關(guān)咨詢通告的研究，本文提出一種航空發(fā)動機早期ETOPS 資格型號設(shè)計與符合性驗證方法，具體內(nèi)容如圖2 所示。

圖2 航空發(fā)動機早期ETOPS 型號設(shè)計與符合性驗證方法Fig.2 Aircraft engine early ETOPS type design and com?pliance verification flow

3.1 概念設(shè)計階段

收集發(fā)動機目標(biāo)機型及航空公司對發(fā)動機ETOPS 能力的需求，根據(jù)客戶需求及發(fā)動機型號市場定位，確定發(fā)動機ETOPS 能力的設(shè)計目標(biāo)。

根據(jù)飛機方需求，確定發(fā)動機ETOPS 指標(biāo)：ETOPS 最大改航時間及空中停車率等。

申請人與審查方開展ETOPS 相關(guān)規(guī)章熟悉性交流，對規(guī)章要求及符合性問題初步達成共識。

建立ETOPS 設(shè)計質(zhì)量管控體系，確保研發(fā)、生產(chǎn)各環(huán)節(jié)滿足ETOPS 質(zhì)量要求，同時，在后續(xù)各階段持續(xù)收集設(shè)計、制造、試驗、外場使用中ETOPS 相關(guān)故障數(shù)據(jù)，進行分析并給出糾正措施。

3.2 要求確認階段

基于對規(guī)章要求的理解，編制ETOPS 條款技術(shù)狀態(tài)表，梳理規(guī)章資料、規(guī)章理解及符合性方法等；明確專用條件、豁免的使用；確定ETOPS 條款技術(shù)要求及符合性方法。

3.3 符合性計劃制定階段

形成ETOPS 符合性驗證思路，繪制ETOPS符合性驗證路線圖；制定ETOPS 符合性驗證實施方案，確定CAI、CPI 項；根據(jù)規(guī)章要求，明確ETOPS 符合性驗證技術(shù)要求，最終形成ETOPS適航審定計劃。

3.4 計劃實施階段

（1）通過ETOPS 設(shè)計質(zhì)量管控體系提升設(shè)計質(zhì)量

通過設(shè)計質(zhì)量管控體系積累的故障數(shù)據(jù)及改進措施，持續(xù)提升發(fā)動機設(shè)計質(zhì)量，表明已消除已知的故障、失效，或因發(fā)動機設(shè)計引發(fā)的空中停車、失去推力控制或其他功率損失的問題，增強審查方對發(fā)動機可靠性的信心。

（2）開展可靠性和安全性設(shè)計、分析及評估

進行可靠性工作策劃及安全性工作策劃，在項目中設(shè)定可接受的可靠性指標(biāo)及安全性指標(biāo)，并規(guī)定所開展的設(shè)計分析、評估與驗證活動。

依據(jù)可靠性工作策劃及安全性工作策劃，將發(fā)動機可靠性指標(biāo)及安全性指標(biāo)分解到部件/系統(tǒng)，依據(jù)可靠性指標(biāo)及安全性指標(biāo)開展設(shè)計、分析及相關(guān)評估與驗證。

①開展故障樹分析，明確可導(dǎo)致發(fā)動機空中停車、失去推力控制或其他功率損失的失效、故障、缺陷和維修錯誤等問題。

②針對故障樹分析得到的失效、故障、缺陷和維修錯誤等問題，分析故障原因，給出設(shè)計保證措施、檢測方法等，確保零組件的設(shè)計特征最大限度地減少這些問題的發(fā)生。

③進行可靠性評估及安全性評估，表明設(shè)計狀態(tài)滿足可靠性指標(biāo)及安全性指標(biāo)要求，并通過部件/系統(tǒng)試驗驗證相關(guān)數(shù)據(jù)。

（3）建立ETOPS 循環(huán)試驗譜及試驗方法

根據(jù)適航條款及相關(guān)咨詢通告要求，制定ETOPS 循環(huán)試驗譜，包括起動—停車循環(huán)試驗譜及ETOPS 模擬改航試驗譜。

起動—停車循環(huán)試驗譜應(yīng)包含以下飛行剖面：起動、地面慢車、起飛、爬升、巡航、下降/最小慢車、進近慢車/下滑道切入、降落、反推打開（如果適用）、停車。

ETOPS 模擬改航試驗譜需滿足如下要求：

①最大改航時間與申請的ETOPS 資格一致。

②最大連續(xù)額定推力運行時間不小于最大改航時間。

③試驗任務(wù)譜包含空中等待狀態(tài)運行15 min。

④試驗任務(wù)譜包含復(fù)飛運行1 min。

根據(jù)33.201（c）~（e）條款要求建立開展整機ETOPS 持久試驗方法，制定維護檢查計劃。申請人應(yīng)在持久試驗前及持久試驗后進行發(fā)動機推力校準，持久試驗期間還應(yīng)進行定期維護檢查，試驗前應(yīng)明確振動檢查計劃及試驗期間維護檢查計劃。其中，關(guān)于振動檢查AC33.201-1 建議檢查間隔不大于500 個起動—停車循環(huán)，推薦使用發(fā)動機緩慢加速緩慢減速的方法測定振動峰值，并給出等效振幅判定公式，累積損傷不滿足要求需進行加罰循環(huán)試驗。

申請人開展模擬ETOPS 任務(wù)循環(huán)持久試驗，應(yīng)滿足如下要求：

①進行至少3 000 次起動—停車循環(huán)試驗，以最大連續(xù)功率或推力進行3 次模擬改航飛行至最大改航時間。

②模擬改航試驗需均勻分布在3 000 次循環(huán)中，其中最后一次試驗必須在3 000 次循環(huán)結(jié)束前的100 次以內(nèi)進行。

③試驗需包含發(fā)動機起動和停車，停車時高壓軸轉(zhuǎn)速應(yīng)不大于由于大氣主導(dǎo)風(fēng)向?qū)е碌娘L(fēng)車轉(zhuǎn)速。

④試驗需包含至少50 次的冷起動（發(fā)動機關(guān)閉至少3 h 后再起動）。

⑤試驗需包含最大功率起飛推力、降功率推力（如果適用）以及最大連續(xù)推力工況。

⑥試驗需包含正常的發(fā)動機引氣及功率提取。如發(fā)動機使用引氣防冰，則3 000 次任務(wù)循環(huán)中至少三分之一需要開啟防冰引氣；試驗需要與飛機方共同確認試驗工況、引氣量和功率提取值等。

⑦進行高壓轉(zhuǎn)子臺階試驗：在高壓轉(zhuǎn)子工作轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)，以60~200 r/min 任意轉(zhuǎn)速臺階遞增開展試驗。工作轉(zhuǎn)速范圍包括代表起飛、爬升、降落、進近、著陸和反推的穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)速點。當(dāng)以60 r/min 為遞增臺階，則試驗全程內(nèi)該臺階應(yīng)至少進行三百萬次振動循環(huán)；當(dāng)以大于60 r/min 為遞增臺階，則最小振動循環(huán)數(shù)相應(yīng)地線性增加；達到200 r/min 則應(yīng)進行至少一千萬次循環(huán)（試驗全程）。而從最小空中慢車到巡航功率，當(dāng)以60 r/min 為遞增臺階，在該臺階至少進行三十萬次振動循環(huán)（試驗全程）；當(dāng)以大于60 r/min 為遞增臺階，最小振動循環(huán)數(shù)相應(yīng)地線性增加；達到200 r/min 時，最小振動循環(huán)數(shù)為一百萬次（試驗全程）。

（4）早期ETOPS 符合性驗證

為獲取發(fā)動機早期ETOPS 型號設(shè)計批準，開展ETOPS 符合性驗證，包括設(shè)計質(zhì)量保證過程符合性驗證、整機可靠性評估及開展ETOPS 任務(wù)循環(huán)持久試驗等。

其中，ETOPS 任務(wù)循環(huán)持久試驗，發(fā)動機應(yīng)在不超限（推力、轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速、燃氣溫度、滑油壓力、滑油溫度、發(fā)動機振動、滑油消耗率）的前提下達到建議的推力等級，且無明顯異常情況。

試驗結(jié)束后通過目視檢查、試驗后分解檢查判斷零部件的可用性，并依據(jù)試驗結(jié)果完善持續(xù)適航文件。

（5）早期ETOPS 型號設(shè)計批準

獲得ETOPS 批準后，申請人將批準的ETOPS 最大改航時間寫入型號合格證數(shù)據(jù)單（Type Certificate Data Sheet，簡稱TCDS）。

根據(jù)適航取證安排，可同時驗證33.90（b）的符合性。如沒有服役經(jīng)歷，可在適航當(dāng)局頒發(fā)型號合格（TC）后申請ETOPS 型號設(shè)計批準。

3.5 證后管理階段

發(fā)動機裝配飛機積累服役經(jīng)歷，收集服役數(shù)據(jù)，根據(jù)CCAR25 部ETOPS 相關(guān)條款要求，開展試飛驗證，表明飛機ETOPS 能力，獲得ETOPS型號設(shè)計批準。

本文提出的驗證方法已應(yīng)用于國內(nèi)某機型的符合性驗證，并獲得局方認可。

4 結(jié)論

（1）航空發(fā)動機早期ETOPS 型號設(shè)計，對航空發(fā)動機各部件系統(tǒng)的設(shè)計、可靠性、安全性提出了更高的要求，國產(chǎn)航空發(fā)動機應(yīng)在研制初期引入ETOPS 設(shè)計驗證理念，并貫穿型號設(shè)計和適航取證的各階段。

（2）航空發(fā)動機早期ETOPS 型號設(shè)計和符合性驗證方法為國產(chǎn)民用航空發(fā)動機早期ETOPS資格適航取證提供指導(dǎo)，為國產(chǎn)民用航空發(fā)動機早日裝配飛機投入ETOPS 航線運營提供思路。