風(fēng)扇葉片脫落適航驗(yàn)證及條款演化

■ 馮建文 何歆 甄博 / 中國(guó)民用航空適航審定中心 侯亮 史同承 /中國(guó)航發(fā)商發(fā)

風(fēng)扇葉片脫落是大涵道比渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)的一種危險(xiǎn)的風(fēng)扇葉片失效模式，是渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)包容性中最為突出和重要的問題，相應(yīng)的適航驗(yàn)證及條款也隨發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)的改變而不斷演化。

風(fēng)扇葉片脫落（FBO）時(shí)，高速運(yùn)動(dòng)的碎片可能擊穿相鄰結(jié)構(gòu)、油箱、機(jī)體、系統(tǒng)構(gòu)件和其他安裝在飛機(jī)上的動(dòng)力裝置，會(huì)引起重要結(jié)構(gòu)或系統(tǒng)的損傷、不可控火情、客艙快速失壓等嚴(yán)重影響飛機(jī)安全飛行和著陸的情況，甚至?xí)?dǎo)致飛機(jī)硬著陸、人員嚴(yán)重傷亡、整機(jī)失事等災(zāi)難。隨著渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)涵道比的不斷增大，風(fēng)扇葉片的包容性問題變得越來越突出：一方面，較大的暴露面積使得風(fēng)扇葉片容易遭受發(fā)動(dòng)機(jī)吸入外物（鳥、冰、雹、沙石等）的打擊；另一方面，大尺寸、大質(zhì)量的風(fēng)扇葉片所導(dǎo)致的沖擊力和不平衡載荷都會(huì)對(duì)飛行安全構(gòu)成嚴(yán)重威脅。近期歐洲航空安全局（EASA）發(fā)布的發(fā)動(dòng)機(jī)適航審定規(guī)章修訂征詢意見草案中涉及風(fēng)扇葉片脫落試驗(yàn)條款的重大更改，這標(biāo)志著發(fā)動(dòng)機(jī)制造商及局方吸取了以美國(guó)西南航空公司1380號(hào)航班事故為代表的風(fēng)扇葉片脫落導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)風(fēng)扇罩損壞事故的教訓(xùn)，從規(guī)章層面對(duì)于風(fēng)扇葉片包容性提出了更加全面的要求。

FBO適航驗(yàn)證及條款的制定

自大涵道比發(fā)動(dòng)機(jī)問世伊始，風(fēng)扇葉片脫落對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的安全影響就備受關(guān)注。20世紀(jì)70年代，美國(guó)聯(lián)邦航空局（FAA）組織發(fā)動(dòng)機(jī)和飛機(jī)制造商對(duì)高能碎片包容以及整機(jī)響應(yīng)進(jìn)行了廣泛研究[1-2]。1980年11月，F(xiàn)AA發(fā)布NPRM80-21，在適航規(guī)章中增加了FAR33.94“葉片包容性和轉(zhuǎn)子不平衡試驗(yàn)”條款，規(guī)定了發(fā)動(dòng)機(jī)葉片失效包容性試驗(yàn)。FAR33.94要求開展發(fā)動(dòng)機(jī)整機(jī)試驗(yàn)，以證明在發(fā)動(dòng)機(jī)以最大允許轉(zhuǎn)速運(yùn)轉(zhuǎn)期間，最危險(xiǎn)的一個(gè)葉片失效，發(fā)動(dòng)機(jī)能包容損壞件至少運(yùn)轉(zhuǎn)15s不著火，并且其安裝節(jié)也不失效。歐洲適航規(guī)章EASA CS-E中與FAR33.94對(duì)應(yīng)的條款為CS-E810“壓氣機(jī)和渦輪葉片失效”，條款要求與FAR33.94接近。

渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)型號(hào)合格證申請(qǐng)人采用FBO試驗(yàn)驗(yàn)證對(duì)FAR33.94或者CS-E810條款的符合性。試驗(yàn)中發(fā)動(dòng)機(jī)安裝在模擬飛機(jī)吊掛剛度的臺(tái)架上，風(fēng)扇軸紅線轉(zhuǎn)速狀態(tài)下通過爆破使其中一個(gè)風(fēng)扇葉片沿既定截面脫落，并至少15s時(shí)間內(nèi)不得對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行任何操作，以模擬機(jī)組成員的危險(xiǎn)識(shí)別和反應(yīng)時(shí)間。試驗(yàn)通過的判據(jù)為不得產(chǎn)生危害性發(fā)動(dòng)機(jī)后果，其中危害性發(fā)動(dòng)機(jī)后果由FAR33.75“安全分析”條款（或CS-E 510“安全分析”）定義，包括非包容的高能碎片、安裝節(jié)失效、完全失去發(fā)動(dòng)機(jī)停車能力等。除了發(fā)動(dòng)機(jī)本體外，F(xiàn)BO試驗(yàn)中還應(yīng)該包含與該系列發(fā)動(dòng)機(jī)相配套的典型進(jìn)氣道和噴管，或相應(yīng)的等效結(jié)構(gòu)，例如，在影響發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)匣變形、包容能力，以及發(fā)動(dòng)機(jī)振動(dòng)響應(yīng)方面與原結(jié)構(gòu)具有相同的連接載荷和作用的等效結(jié)構(gòu)。但是，F(xiàn)BO試驗(yàn)中為了利用高速攝影觀測(cè)風(fēng)扇機(jī)匣變形，兩側(cè)的風(fēng)扇整流罩通常是不安裝的，如圖1所示。在FBO試驗(yàn)中，可能會(huì)有部分風(fēng)扇葉片的碎片從進(jìn)氣道向前飛出或者通過噴管向后飛出，這些碎片的散布角、動(dòng)能水平應(yīng)記錄在發(fā)動(dòng)機(jī)安裝手冊(cè)中供飛機(jī)設(shè)計(jì)方進(jìn)行飛機(jī)結(jié)構(gòu)沖擊損傷評(píng)估。

圖1 FBO試驗(yàn)臺(tái)架

圖 2 西南航空1380號(hào)航班事故風(fēng)扇整流罩破損狀況[3]

近期幾起FBO事件的反思

2018年4月17日發(fā)生的美國(guó)西南航空公司1380號(hào)航班事故是一起典型的脫落的風(fēng)扇葉片被機(jī)匣包容但是風(fēng)扇罩破裂導(dǎo)致碎片擊中機(jī)體的事故。事故由飛行過程中CFM56-7發(fā)動(dòng)機(jī)風(fēng)扇葉片疲勞斷裂導(dǎo)致，風(fēng)扇葉片對(duì)機(jī)匣的沖擊力破壞了風(fēng)扇整流罩底部的徑向固定接頭，并撕裂部分整流罩，整流罩碎片擊碎客艙窗戶，造成一名乘客喪生[3]，風(fēng)扇整流罩破損狀況如圖2所示。美國(guó)國(guó)家運(yùn)輸安全委員會(huì)（NTSB）在事故最終報(bào)告中建議FAA和EASA在未來的型號(hào)審定中要求發(fā)動(dòng)機(jī)制造商和飛機(jī)制造商協(xié)作分析所有危險(xiǎn)的葉片沖擊位置、可能產(chǎn)生的風(fēng)扇葉片碎片以及FBO對(duì)于短艙結(jié)構(gòu)的沖擊載荷[3]。

2018—2021年，配裝PW4000-112發(fā)動(dòng)機(jī)的波音777-200型飛機(jī)發(fā)生了3起因風(fēng)扇葉片脫落導(dǎo)致的發(fā)動(dòng)機(jī)風(fēng)扇整流罩破損事件，分別為2018年2月12日UA1175航班事件、2020年12月4日J(rèn)L904航班事件和2021年2月20日UA328航班事件。這3起事件的共同特點(diǎn)是脫落的風(fēng)扇葉片被風(fēng)扇機(jī)匣包容，但是過大的機(jī)匣變形使安裝在發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)匣外部的進(jìn)氣道后加強(qiáng)隔框斷裂并導(dǎo)致風(fēng)扇整流罩破損。NTSB經(jīng)過調(diào)查認(rèn)為造成風(fēng)扇罩破損的原因包括[4]：PW4000-112發(fā)動(dòng)機(jī)在進(jìn)行FBO試驗(yàn)時(shí)所用的進(jìn)氣道后加強(qiáng)隔框采用了鋁合金，而波音777-200安裝的進(jìn)氣道后加強(qiáng)隔框卻更改為復(fù)合材料，復(fù)合材料的沖擊吸能水平低于鋁合金；整流罩內(nèi)的復(fù)合材料蜂窩在潮濕環(huán)境下吸水導(dǎo)致了強(qiáng)度降低；PW4000-112發(fā)動(dòng)機(jī)在進(jìn)行FBO試驗(yàn)時(shí)沒有帶風(fēng)扇整流罩，而風(fēng)扇整流罩屬于波音777零部件，由波音公司按照FAR25部進(jìn)行驗(yàn)證，因此在FBO試驗(yàn)中無法考核風(fēng)扇整流罩的響應(yīng)。

這幾起事件涉及的發(fā)動(dòng)機(jī)在適航取證中都開展了FBO試驗(yàn)，且試驗(yàn)中葉片脫落對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)速為發(fā)動(dòng)機(jī)紅線轉(zhuǎn)速，而這幾起事件發(fā)生時(shí)飛機(jī)均處于巡航狀態(tài)，發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速應(yīng)該遠(yuǎn)未達(dá)到紅線狀態(tài)，但仍發(fā)生了風(fēng)扇罩破壞。此外，這幾起事件中脫落的葉片均被機(jī)匣包容，沒有發(fā)生碎片穿透機(jī)匣的情形，符合現(xiàn)有發(fā)動(dòng)機(jī)適航規(guī)章條款要求。

這幾起事件反映出現(xiàn)有的FBO試驗(yàn)及分析驗(yàn)證中潛在的一些局限性：

● FBO試驗(yàn)中不安裝風(fēng)扇整流罩，導(dǎo)致對(duì)于風(fēng)扇罩的動(dòng)態(tài)響應(yīng)及強(qiáng)度的考核不足；

● FBO試驗(yàn)中雖然安裝有進(jìn)氣道、反推裝置和噴管等機(jī)體組件，但其作用是調(diào)節(jié)試驗(yàn)發(fā)動(dòng)機(jī)的重心位置以及提供剛度約束，可能不是產(chǎn)品的裝機(jī)構(gòu)型，當(dāng)這些組件更改時(shí)需要評(píng)估對(duì)原有的FBO試驗(yàn)結(jié)果的影響；

● 假設(shè)風(fēng)扇紅線轉(zhuǎn)速為4000r/min，則葉片轉(zhuǎn)過30°的時(shí)間僅為1.25ms，而現(xiàn)有的高速爆破的精度約為數(shù)十毫秒數(shù)量級(jí)，因此脫落葉片在圓周方向擊中機(jī)匣的位置是不可控的，而機(jī)匣上的危險(xiǎn)位置包括風(fēng)扇罩鎖扣、電子控制器單元安裝位置、重要管路附件安裝位置等，所以FBO試驗(yàn)并不能模擬到所有危險(xiǎn)的沖擊場(chǎng)景。

FBO適航條款的修訂

EASA于2021年11月22日發(fā)布了CS-E規(guī)章修訂征詢意見草案NPA 2021-13[5]，其中根據(jù)NTSB關(guān)于西南航空1380事故的安全建議[3]，對(duì)于涉及FBO的條款進(jìn)行修訂。FAA雖然至今尚未發(fā)布條款修訂的征詢意見草案，但是根據(jù)FAA與EASA近年來持續(xù)推動(dòng)的規(guī)章一致化修訂，F(xiàn)AA預(yù)計(jì)提出的征詢意見草案內(nèi)容很可能與NPA 2021-13比較接近，其中涉及FBO的修訂包括如下幾個(gè)方面。

一是在“非包容高能碎片”中增加了可能由于其能量水平和飛行軌跡危害到飛機(jī)的，從發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣口、排氣口飛出的碎片以及從包容結(jié)構(gòu)外部脫落的碎片。

二是在涉及沖擊包容強(qiáng)度分析的條款中，NPA 2021-13明確了強(qiáng)度分析的范圍為脫落葉片徑向包容能力。

三是涉及FBO試驗(yàn)的通過準(zhǔn)則中將現(xiàn)行條款要求的“葉片失效不得引起發(fā)動(dòng)機(jī)危害性后果”修改為“由于葉片失效引起發(fā)動(dòng)機(jī)危害性后果的概率不得超過極小可能”。

FBO適航驗(yàn)證未來發(fā)展動(dòng)向

從NPA 2021-13可以一窺關(guān)于風(fēng)扇葉片脫落的適航驗(yàn)證未來的發(fā)展動(dòng)向。

包容性的含義將外延，現(xiàn)行規(guī)章中的包容將被重新界定為徑向包容，從發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣口、排氣口飛出的碎片以及從包容結(jié)構(gòu)外部脫落的碎片也將被納入包容性考核的范疇。

FBO將告別“一考定終身”，通過一次試驗(yàn)判斷符合性的考核方式。分析的作用被進(jìn)一步強(qiáng)調(diào)：葉片在其他角度方位脫落、葉片部分脫落、非紅線轉(zhuǎn)速狀態(tài)脫落、短艙結(jié)構(gòu)修改等試驗(yàn)中沒有考核的場(chǎng)景需要開展分析、進(jìn)行補(bǔ)充。

發(fā)動(dòng)機(jī)制造商和飛機(jī)制造商在適航取證過程中的配合將愈發(fā)重要，發(fā)動(dòng)機(jī)FBO試驗(yàn)中涉及的短艙等飛機(jī)構(gòu)件的構(gòu)型管理將更加嚴(yán)格，且對(duì)于脫落葉片危害性的評(píng)估將傾向于在航空器系統(tǒng)級(jí)別進(jìn)行判斷。此外，飛機(jī)取證過程中對(duì)于發(fā)動(dòng)機(jī)碎片的評(píng)估也需要發(fā)動(dòng)機(jī)制造商提供更多的數(shù)據(jù)。

結(jié)束語

發(fā)動(dòng)機(jī)FBO適航驗(yàn)證條款會(huì)根據(jù)運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)、新型風(fēng)扇結(jié)構(gòu)形式（復(fù)合材料風(fēng)扇葉片、整體葉盤式風(fēng)扇、減載裝置）的廣泛使用以及飛機(jī)-發(fā)動(dòng)機(jī)高度集成化設(shè)計(jì)不斷演進(jìn)，需要密切關(guān)注其發(fā)展動(dòng)向。