亟待攻克的核心技術(shù)

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

一款航空發(fā)動機(jī)要想獲取一張放飛證，必須經(jīng)過一套非常嚴(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。每個分項(xiàng)又有一系列技術(shù)指標(biāo)，僅設(shè)計(jì)就有氣動、傳熱、結(jié)構(gòu)、強(qiáng)度等等。

作為《中國民用航空規(guī)章》(CCAR)的組成部分，其中的CCAR33-R2(航空發(fā)動機(jī))版的安全水平，與2009年11月2日生效的美國聯(lián)邦航空管理局(FAA)的FAR33部(航空發(fā)動機(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，但由于國產(chǎn)航空發(fā)動機(jī)型號匱乏，缺乏實(shí)際工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，使我國適航規(guī)章缺少相應(yīng)的技術(shù)支撐。實(shí)際型號的適航驗(yàn)證工作，成為被卡在別國空域之外的關(guān)隘。”張弓說。

60年FAR33部修訂34次，其中一項(xiàng)歷時9年

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

“針對航空發(fā)動機(jī)使用過程中出現(xiàn)的問題，特別是安全問題，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。

美國在世界上處于執(zhí)航空發(fā)動機(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，F(xiàn)AR33部已歷經(jīng)34次修訂。“每一項(xiàng)修訂，都蘊(yùn)涵了長達(dá)數(shù)年的研究和技術(shù)積累。”張弓介紹說。

從活塞到渦輪，再從噴氣到渦扇，航空發(fā)動機(jī)技術(shù)不斷升級，適航標(biāo)準(zhǔn)也水漲船高。僅渦輪發(fā)動機(jī)，迄今只有一項(xiàng)條款未修訂。

1989年7月19日，美國蘇城，一起DC-10飛機(jī)的發(fā)動機(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)動機(jī)頂級制造商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)動機(jī)適航條款隱含一項(xiàng)“假設(shè)存在”風(fēng)險，即假設(shè)材料不含缺陷。而蘇城失事的DC-10飛機(jī)發(fā)動機(jī)，恰是鈦合金輪盤材料本身存在缺陷。

針對“假設(shè)材料不含缺陷”這一條款的修訂，F(xiàn)AA聯(lián)合美國西南航空發(fā)動機(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，歷時長達(dá)9年。

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

FAA和EASA，技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)最高，全球通飛

目前在國際上，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。

來自美國航空航天咨詢公司數(shù)據(jù)，2016年，世界各國的民用航空發(fā)動機(jī)產(chǎn)量達(dá)27000臺，除極少量俄羅斯制造外，歐美占據(jù)這一市場份額高達(dá)98%。目前世界上推力最大的航空發(fā)動機(jī)，是GE公司生產(chǎn)的GE90-115B，地面臺架試驗(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機(jī)場，因此國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。

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)動機(jī)能提供單發(fā)延程飛行，時長遠(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)動機(jī)新型號?

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)險的處理措施，同時要做一項(xiàng)3000循環(huán)實(shí)驗(yàn)，周期長達(dá)數(shù)月至十?dāng)?shù)月。即使如此嚴(yán)苛，這款發(fā)動機(jī)型號還要過之后一個時期的應(yīng)用關(guān)，才能準(zhǔn)予放飛。

目前，F(xiàn)AR33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)動機(jī)發(fā)展的標(biāo)桿。“比如，規(guī)章要求吸入單只8磅大鳥時，發(fā)動機(jī)須達(dá)到什么狀態(tài)，相應(yīng)的咨詢通告就會詳細(xì)說明如何確定進(jìn)氣面積，從而確定發(fā)動機(jī)的轉(zhuǎn)速以及試驗(yàn)要求等。”張弓說。

國產(chǎn)發(fā)動機(jī)型號匱乏，CCAR33尚缺乏工業(yè)實(shí)踐支撐

我國航空發(fā)動機(jī)適航體系始建時間較早，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語境差異，以及工業(yè)實(shí)踐缺乏，對許多條款理解各異，時常造成很大的技術(shù)分歧。”張弓告訴記者，曾經(jīng)因一個“耐用性”條款中關(guān)于葉片包容的要求，就引起較大爭議。

上述關(guān)于葉片包容的要求有兩方面內(nèi)容。一、必須對因轉(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。這個條款豈不是自相矛盾?

經(jīng)過長時間討論，并通過到國外航空發(fā)動機(jī)制造企業(yè)實(shí)地探詢，真相終于大白。原來，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)國家面臨的一大窘境。

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

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

2017年10月，中國民航適航審定中心正式成立，伴隨著長江1000系列和渦軸16等國產(chǎn)發(fā)動機(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必將越來越有話語權(quán)，也必將保障國產(chǎn)民用航空發(fā)動機(jī)在藍(lán)天上自由安全地翱翔。