GJB 3971-2000和TSO-C77b的对比分析

40Oct.2013    航空标准化与质量 2013年第5期[收修订稿日期]2013-06-17现代航空燃气涡轮发动机的结构和循环过程决定了它自主工作之前必须先由其他动力源带动。最初带动主发动机的动力源是电起动机，随着主发动机所需的起动功率越来越大，辅助动力装置（AuxiliaryPowerUnit，简称APU）逐步取代了电起动机成为现代起动主发动机的动力源，并与应急动力装置（EmergencyPowerUnit，简称EPU）、附件传动装置和能量转换附件（发电机、液压泵）等共同组成了第二动力系统，用于提供气、电、液压及轴功率，满足飞机对发动机起动、应急能源或其他辅助能源的不同需要。随着技术的不断进步，第二动力系统又出现了综合化的发展趋势，即把APU、EPU等进行综合发展，高度集成为一套组合动力装置，已大大提高飞机本身的自主保障能力和安全性，不用开主发动机或使用地面电源车、气源车等庞大辅助设备，即可快捷地完成飞机大部分设备的检查和维护，并逐步发展成为辅助动力系统[1-2]。适航性是指航空器的固有安全运行特性，是航空器包括其部件及子系统整体性能和操纵特性在预期运行环境和使用限制下的安全性和物理完整性的一种品质。适航性要求飞行器应始终保持符合其型号设计状态和始终处于安全运行状态。适航性通过设计赋予、制造实现、验证表明、审定接受、维护保持产品的固有属性。安全是指航空器研制、生产、使用和保障的首要要求，定义为不发生可能造成人员伤亡、设备损坏、财产损失或环境损害的状态；安全性是通过设计赋予的一种产品特性，定义为产品在规定的条件下，以可接受风险执行其功能的能力；系统安全性是在全寿命周期所有阶段内，在使用效能和适用性、进度和费用的限制范围内，通过系统工程和管理的原则、标准和技术，达到可接受的事故风险。适航的核心是安全性，而辅助动力系统除了在地面起动发动机和提供维护所需的辅助能源外，另外一个很重要的作用就是空中提供辅助动力和应急能源。随着现代先进战斗机不断追求高机动性和高敏捷性作战能力，进一步放宽了静不安定度，使得飞机一旦丧失电力和液压助力，飞行员很难操纵飞机保持平飞，从而危及飞行安全。辅助动力系统就是专门为飞机提供空中应急功率、提高飞机作战环境下的生存力而设计的，当发动机空中停车或飞机主液压系统和电源系统出现故障时，可为飞机提供应急能源，必要时还可以辅助发动机空中起动，扩展发动机空中起动包线，提高飞机的安全性。因此，辅助动力系统对保障飞行安全至关重要，甚至可以认为是飞行员在跳伞前飞行安全的最后一道屏障，因而要求辅助动力系统自身必须安全可靠，与适航性强调安全正好不谋而合[3-4]。我国辅助动力系统的安全性水平不容乐观，借鉴适航法规，切实开展安全性设计、试验、管理，促使辅助动力系统达到更高的安全性水平，十分必要。1GJB3971-2000和TSO-C77b简介涉及辅助动力系统的标准和法规主要有GJB3971-2000《航空燃气涡轮辅助动力装置通用规GJB3971-2000和TSO-C77b的对比分析唐正府王进高宇张新非（装备研究院总体所，北京100076）[摘要]针对辅助动力系统研制及考核要求，以GJB3971-2000为基准，对GJB3971-2000和TSO-C77b中辅助动力系统结构完整性、包容性、环境适应性和持久试车等重点技术要求进行了对比分析，提出了辅助动力系统贯彻GJB3971-2000和TSO-C77b的建议。[关键词]辅助动力系统；标准；适航；分析[中图分类号]T–65[文献标识码]C[文章编号]1003–6660（2013）05–0040–0541Oct.2013工作研究范》、MIL-P-85573《飞机辅助动力装置通用规范》、TSO-C77b《燃气涡轮辅助动力装置技术标准规定》和MIL-HDBK-516B《军用飞机适航性审查准则》等，其中MIL-P-85573《飞机辅助动力装置通用规范》是美国海军和空军在80年代，以MIL-P-8686为基础发展起来的，具有较全面和详细要求的通用规范，但对于现代研制辅助动力装置而言版本偏老；MIL-HDBK-516B虽然以第8章第6节单独对辅助动力系统提出了14条准则要求，但与GJB3971-2000和TSO-C77b相比内容不完整，缺少引用标准，可操作性不强，仅能作为指南使用，因此本文不做赘述，仅对GJB3971-2000和TSO-C77b两项标准进行对比分析[5-6]。1.1GJB3971-2000GJB3971-2000《航空燃气涡轮辅助动力装置通用规范》是由总装备部批准颁布的，以MIL-P-85573《飞机辅助动力装置通用规范》为蓝本，参考美国联邦航空局技术标准规定TSO-C77a的部分内容，用于指导我国辅助动力系统研制和鉴定考核的顶层通用规范，总共分为6章22节内容，主要从辅助动力装置性能、结构完整性、环境适应性、可靠性、维修性、测试性、安全性等方面提出了详细的设计和验证要求，技术内容主要适用于飞机燃气涡轮辅助动力装置，以及随其一起定型的进气段、动力段、负载压气机、齿轮箱、控制系统、燃油系统、点火系统、滑油系统、起动机和排气管等部件[7]。1.2TSO-C77bTSO-C77b《燃气涡轮辅助动力装置技术标准规定》是由美国联邦航空局（FAA）颁布的，用于指导燃气涡轮辅助动力装置开展研制和进行鉴定的标准性要求和指令性文件，总共分为7章41节内容，主要从辅助动力装置工作特性、结构完整性、环境适应性、安全性和适航性等方面提出了设计和验证要求，技术内容主要适用于为飞机提供辅助能源的燃气涡轮辅助动力装置，是向FAA申请TSO认证和适航认证所需的最低性能标准[8]。2主要技术要求对比分析GJB3971-2000是用于规范辅助动力装置研制的顶层要求，内容丰富而具体；TSO-C77b是辅助动力装置申请鉴定程序认证所需的最低性能标准，内容侧重于安全性和适航性的要求和验证，对性能要求偏少。下面就GJB3971-2000和TSO-C77b中结构完整性、包容性、环境适应性和持久试验等典型技术差异进行对比分析。2.1结构完整性对于超转试验，GJB3971-2000要求在115%最高允许转速和最高排气温度下稳定工作5分钟以上；TSO-C77b要求在115%最高允许转速和辅助动力装置控制系统故障时的最高转速稳定工作5分钟以上；与GJB3971-2000相比，TSO-C77b对超转试验提出了更加具体的考核要求，充分考虑了故障模式下辅助动力系统的安全性。对于超温试验，GJB3971-2000要求用完成超转试验的同一台辅助动力装置在超过额定排气温度45℃以上至少稳定工作5分钟；TSO-C77b要求辅助动力装置在超过额定排气温度42℃以上至少稳定工作5分钟；GJB3971-2000超温试验要求比TSO-C77b要求更加苛刻，不但极限温度要求高，而且还要求必须使用同一台装置进行超温和超转试验。具体技术要求差异详见表1所示。表1GJB3971-2000和TSO-C77b超转/超温试验技术要求对比项目GJB3971-2000TSO-C77b条款号内容条款号内容超转试验4.6.6.4.1涡轮和压气机转子应在允许最高排气温度和115%最高允许稳态转速下，至少稳定工作5分钟6.6压气机和涡轮转子能够在额定转速的115%和以下条件最高转速保持5分钟：a）装有限转装置时控制系统单一故障发生最高转速的105%；b）没有限转装置时控制系统单一或组合故障发生的最高转速超温试验4.6.6.4.2在满意完成超转试验后用同一台APU在超过最高允许稳态燃气温度45℃以上在不低于最高允许转速下工作5分钟6.7所有涡轮转子能够在涡轮入口温度或排气温度在超过额定温度42℃以上在超过额定转速下工作5分钟以上标准介绍 42Oct.2013    航空标准化与质量 2013年第5期综上所述，在超温方面GJB3971-2000要求具有较高的功率瞬变能力，出现超温的概率和幅度较大；而TSO-C77b对可靠性、安全性和耐久性要求较高，对机动性要求较低，故对超温要求较GJB3971-2000略低。在超转方面，TSO-C77b要求辅助动力系统能够在多种故障模式下具有足够的超转强度，比GJB3971-2000要求更加具体一些。2.2包容性GJB3971-2000第3.3.8.9.1条要求在瞬态最高允许转速下，压气机和涡轮叶片在叶身与榫头转接部位断裂时，辅助动力装置应能完全包容，同时还要求包容由单个叶片损坏而被打坏以致飞出的全部零件；而TSO-C77b第6.8条要求在最大转速运转期间，最危险转子的叶片在盘上最外层的固定榫槽处断裂，或整体叶盘转子的叶片至少损坏80%时，辅助动力装置能够包容损坏件而不发生着火。由此可见，TSO-C77b比GJB3971-2000包容性要求更加具体，不但对断裂转速提出要求，还对整体叶盘叶片断裂位置提出了明确要求，不但要求能够包容损坏件，而且还要求不能引发失火。综上所述，虽然GJB3971-2000要求辅助动力装置对压气机和涡轮叶片断裂能够完全包容，表面看起来规定很高，但没有对叶片断裂程度做出具体要求，可操作性不强，而且还会增加研制难度和成本，反倒不如TSO-C77b要求更加具体、易操作。2.3环境适应性GJB3971-2000第3.7.7.4.1条要求辅助动力装置滑油箱应能承受油箱增压和APU振动产生的应力，以及滑油箱内外压力和温度变化产生的周期性交变应力，而不发生永久变形。TSO-C77b第5.4条要求辅助动力装置滑油箱必须能够承受正常工作范围的压差，以及大于最大飞行载荷35kPa压力。具体要求差异详见表2。由表2可以看出，由于军机在作机动飞行时辅助动力装置承受的压力可能较大，受载条件更严酷，因而对承载破坏的压力要求更高，要求在2倍极限压力以及长期交变压力下能够不漏油或永久不变形；而TSO-C77b主要用于民用飞机辅助动力系统申请适航认证，而民航飞机由于不作机动及大过载飞行，承受载荷也较战斗机相比低很多，故滑油箱承载能力要求TSO-C77b要求比GJB3971-2000低。2.4持久试车目前大多数通用规范均采用了加速模拟任务试车（如GJB3971-2000、JSSG-2007等），而适航条例基本都采用150h持久试车（如CCAR33、TSO-C77b等）。加速模拟任务试车是在研制过程中考核发动机可靠性和耐久性的有力手段，而150小时持久试车是发动机可靠性和适航性的一种鉴定试车，不是模拟使用任务的试车，功率状态的分配及状态的变化与实际使用情况相差很远，不能用来确定发动机的使用寿命。按GJB3971-2000规定，辅助动力装置在初始飞行前至少应经受50个循环，每个循环6小时构成的300小时持久试车，以及最少800次起动，10次假起动，和20次再起动，其中每个试车循环包括60min最大-空载运转、96min递增载荷运转、20min慢瞬态运转、20min起动-停车运转和164min随机瞬态运转；对于设计定型的辅助动力装置，至少应在2台上进行与飞行任务相关的1000h持久试车或经受167个循环，每个循环6h构成的持久试车，以及最少2672次起动，10次假起动，和20次再起动；试车结束后重新校准时性能衰减不超过2.5%。按TSO-C77b规定，辅助动力装置必须完成20个循环，每个循环7.5h构成的150h持久试车，以及最少100次起动，其中每个循环按额定功率输出、75%额定功率输出、50%额定功率输出、25%额定功率输出交替布置；试验时要求转子转速不小于额定转速，在每个额定功率输出段内，零部件温度其中包括涡轮前温度或排气温度等，必须大于等于温度极限值。具体差异详见表3。由表3可以看出，TSO-C77b要求的150小时持久试车仅仅是对辅助动力装置长时间持续工作安全性和可靠性提出的最低要求，虽然不能准确地反映表2GJB3971-2000和TSO-C77b滑油箱环境适应性要求对比GJB3971-2000TSO-C77b承受载荷后果承受载荷后果1000kPa正负压差不发生目视可见的漏油或永久变形大于最大飞行载荷压力35kPa不泄露或爆破2倍最大工作