亟待攻克的核心技術(shù)

“適航,是航空發(fā)動(dòng)機(jī)能否自由翱翔的放飛證。”中國(guó)民航適航審定中心結(jié)構(gòu)強(qiáng)度室張弓博士說(shuō),這張放飛證是乘客安全的保證,由各國(guó)民航管理局代表公眾認(rèn)可并頒發(fā),沒(méi)有“適航”通行證,航空發(fā)動(dòng)機(jī)好比束住翅膀的鳥(niǎo)。

一款航空發(fā)動(dòng)機(jī)要想獲取一張放飛證,必須經(jīng)過(guò)一套非常嚴(yán)格的“適航”標(biāo)準(zhǔn)體系驗(yàn)證,涵蓋設(shè)計(jì)、制造、驗(yàn)證和管理。每個(gè)分項(xiàng)又有一系列技術(shù)指標(biāo),僅設(shè)計(jì)就有氣動(dòng)、傳熱、結(jié)構(gòu)、強(qiáng)度等等。

作為《中國(guó)民用航空規(guī)章》(CCAR)的組成部分,其中的CCAR33-R2(航空發(fā)動(dòng)機(jī))版的安全水平,與2009年11月2日生效的美國(guó)聯(lián)邦航空管理局(FAA)的FAR33部(航空發(fā)動(dòng)機(jī)適航規(guī)章)第30修正案水平一致。

“盡管在規(guī)章要求層面與FAA基本一致,但由于國(guó)產(chǎn)航空發(fā)動(dòng)機(jī)型號(hào)匱乏,缺乏實(shí)際工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn),使我國(guó)適航規(guī)章缺少相應(yīng)的技術(shù)支撐。實(shí)際型號(hào)的適航驗(yàn)證工作,成為被卡在別國(guó)空域之外的關(guān)隘。”張弓說(shuō)。

60年FAR33部修訂34次,其中一項(xiàng)歷時(shí)9年

一套嚴(yán)苛的“適航”標(biāo)準(zhǔn)體系永遠(yuǎn)處于動(dòng)態(tài)之中。

“針對(duì)航空發(fā)動(dòng)機(jī)使用過(guò)程中出現(xiàn)的問(wèn)題,特別是安全問(wèn)題,以及如何適應(yīng)飛機(jī)運(yùn)行所提出的更高要求,適航都要在總結(jié)研究中不斷修訂,這也促使適航安全標(biāo)準(zhǔn)持續(xù)提升。”張弓說(shuō)。

美國(guó)在世界上處于執(zhí)航空發(fā)動(dòng)機(jī)適航標(biāo)準(zhǔn)牛耳的地位。自1958年成立FAA后,截至2015年1月,FAR33部已歷經(jīng)34次修訂。“每一項(xiàng)修訂,都蘊(yùn)涵了長(zhǎng)達(dá)數(shù)年的研究和技術(shù)積累。”張弓介紹說(shuō)。

從活塞到渦輪,再?gòu)膰姎獾綔u扇,航空發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)不斷升級(jí),適航標(biāo)準(zhǔn)也水漲船高。僅渦輪發(fā)動(dòng)機(jī),迄今只有一項(xiàng)條款未修訂。

1989年7月19日,美國(guó)蘇城,一起DC-10飛機(jī)的發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)生非包容失效事故,造成111人死亡。FAA隨即率世界四大航空發(fā)動(dòng)機(jī)頂級(jí)制造商GE、普惠、羅羅和霍尼韋爾共同調(diào)研。結(jié)果發(fā)現(xiàn),原有航空發(fā)動(dòng)機(jī)適航條款隱含一項(xiàng)“假設(shè)存在”風(fēng)險(xiǎn),即假設(shè)材料不含缺陷。而蘇城失事的DC-10飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī),恰是鈦合金輪盤材料本身存在缺陷。

針對(duì)“假設(shè)材料不含缺陷”這一條款的修訂,FAA聯(lián)合美國(guó)西南航空發(fā)動(dòng)機(jī)研究院,期間又經(jīng)歷了兩次相關(guān)事故調(diào)查,從研究到發(fā)布咨詢通告,再到2007年修訂,正式發(fā)布3項(xiàng)咨詢通告以及兩項(xiàng)審定政策,歷時(shí)長(zhǎng)達(dá)9年。

“正是歐美大量在役航空發(fā)動(dòng)機(jī)積累的數(shù)據(jù),推動(dòng)著適航技術(shù)不斷發(fā)展。”張弓說(shuō)。

FAA和EASA,技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)最高,全球通飛

目前在國(guó)際上,以FAA和歐洲航空安全局(EASA)的適航審定影響力最大,認(rèn)可度最高,雙方互認(rèn)。“在世界很多地方,由于技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)趕不上美國(guó)和歐盟,大多直接參考FAA和EASA的標(biāo)準(zhǔn),因此美歐的適航標(biāo)準(zhǔn),也就成了國(guó)際民航業(yè)事實(shí)上的準(zhǔn)入標(biāo)準(zhǔn),基本全球通飛。”張弓說(shuō)。

來(lái)自美國(guó)航空航天咨詢公司數(shù)據(jù),2016年,世界各國(guó)的民用航空發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)量達(dá)27000臺(tái),除極少量俄羅斯制造外,歐美占據(jù)這一市場(chǎng)份額高達(dá)98%。目前世界上推力最大的航空發(fā)動(dòng)機(jī),是GE公司生產(chǎn)的GE90-115B,地面臺(tái)架試驗(yàn)曾達(dá)到56.9噸最大推力,1995年11月正式投放商業(yè)市場(chǎng)后,用于波音777系列客機(jī)。

“在波音777類雙發(fā)飛機(jī)延程飛行成熟之前,飛行要求90分鐘航程保證有一個(gè)機(jī)場(chǎng),因此國(guó)際航線必須沿大陸岸線設(shè)計(jì),跨大洋飛行是不可想象的。”張弓說(shuō)。

為提高經(jīng)濟(jì)性能,實(shí)現(xiàn)跨大洋飛行,飛機(jī)制造商提出“延程飛行”,要求航空發(fā)動(dòng)機(jī)能提供單發(fā)延程飛行,時(shí)長(zhǎng)遠(yuǎn)超90分鐘的可靠性支持。

如何驗(yàn)證一款符合300分鐘航程要求的發(fā)動(dòng)機(jī)新型號(hào)?

FAA要在設(shè)計(jì)上,按相應(yīng)的33.201條款,審查制造商以往的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)、技術(shù)參數(shù)以及風(fēng)險(xiǎn)的處理措施,同時(shí)要做一項(xiàng)3000循環(huán)實(shí)驗(yàn),周期長(zhǎng)達(dá)數(shù)月至十?dāng)?shù)月。即使如此嚴(yán)苛,這款發(fā)動(dòng)機(jī)型號(hào)還要過(guò)之后一個(gè)時(shí)期的應(yīng)用關(guān),才能準(zhǔn)予放飛。

目前,FAR33部條款以詳細(xì)的分類“咨詢通告”和“審定政策”等技術(shù)文件為支撐,成為引領(lǐng)航空發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)展的標(biāo)桿。“比如,規(guī)章要求吸入單只8磅大鳥(niǎo)時(shí),發(fā)動(dòng)機(jī)須達(dá)到什么狀態(tài),相應(yīng)的咨詢通告就會(huì)詳細(xì)說(shuō)明如何確定進(jìn)氣面積,從而確定發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速以及試驗(yàn)要求等。”張弓說(shuō)。

國(guó)產(chǎn)發(fā)動(dòng)機(jī)型號(hào)匱乏,CCAR33尚缺乏工業(yè)實(shí)踐支撐

我國(guó)航空發(fā)動(dòng)機(jī)適航體系始建時(shí)間較早,主要參考FAA的FAR33部規(guī)章。

“別看只是引進(jìn)翻譯,但因?yàn)橛⒄Z(yǔ)語(yǔ)境差異,以及工業(yè)實(shí)踐缺乏,對(duì)許多條款理解各異,時(shí)常造成很大的技術(shù)分歧。”張弓告訴記者,曾經(jīng)因一個(gè)“耐用性”條款中關(guān)于葉片包容的要求,就引起較大爭(zhēng)議。

上述關(guān)于葉片包容的要求有兩方面內(nèi)容。一、必須對(duì)因轉(zhuǎn)子葉片失效而引起的破壞具有包容能力;二、必須確定因轉(zhuǎn)子葉片失效,穿透壓氣機(jī)和渦輪轉(zhuǎn)子機(jī)匣后,轉(zhuǎn)子葉片碎片的能量水平和軌跡。

又要機(jī)匣具備包容能力,又要計(jì)算葉片穿透后的能量水平和軌跡。這個(gè)條款豈不是自相矛盾?

經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間討論,并通過(guò)到國(guó)外航空發(fā)動(dòng)機(jī)制造企業(yè)實(shí)地探詢,真相終于大白。原來(lái),英文中的“穿透”,指的是軸(水平)向,而非徑(直徑)向,即計(jì)算葉片碎片噴出短艙進(jìn)出口的能量和軌跡。

“還有,當(dāng)我們費(fèi)力理解并翻譯出FAA規(guī)章后,隨著在役航空發(fā)動(dòng)機(jī)的應(yīng)用,可能FAA規(guī)章又變了。”張弓認(rèn)為,這也是后發(fā)國(guó)家面臨的一大窘境。

按國(guó)際民航組織慣例,一款新產(chǎn)品想進(jìn)入他國(guó)運(yùn)行,首先要通過(guò)對(duì)方的適航取證。在雙邊的認(rèn)可中,一般需要提供對(duì)等的航空產(chǎn)品,互相審查。沒(méi)有自主研制的航空發(fā)動(dòng)機(jī),缺乏實(shí)際型號(hào)的適航驗(yàn)證工業(yè)實(shí)踐,也就無(wú)法從技術(shù)層面支撐現(xiàn)有的適航規(guī)章體系,更無(wú)法與別國(guó)對(duì)等互認(rèn)。

建立中國(guó)自己的適航體系,已上升為國(guó)家意志。“沒(méi)有工業(yè)實(shí)踐和驗(yàn)證技術(shù)來(lái)支持適航標(biāo)準(zhǔn)體系,就沒(méi)有讓產(chǎn)品進(jìn)入國(guó)際市場(chǎng)的話語(yǔ)權(quán)。”張弓說(shuō),這也是具備完善適航體系的國(guó)家經(jīng)常設(shè)置的行業(yè)壁壘。

2017年10月,中國(guó)民航適航審定中心正式成立,伴隨著長(zhǎng)江1000系列和渦軸16等國(guó)產(chǎn)發(fā)動(dòng)機(jī)的研制,將給CCAR33適航規(guī)章提供迫在眉睫的支撐性技術(shù)文件。CCAR33必將越來(lái)越有話語(yǔ)權(quán),也必將保障國(guó)產(chǎn)民用航空發(fā)動(dòng)機(jī)在藍(lán)天上自由安全地翱翔。(矯陽(yáng))