民机燃油系统结冰威胁适航要求及符合性验证试验研究

刘春阳 李新

摘要：民用飞机燃油系统结冰威胁是型号设计审定过程中的重点和难点。通过分析适航局方及工业界对民用飞机燃油系统结冰威胁适航要求认知的变迁，尝试给出一种合理的符合性验证试验方法，即获得供油系统内的最大结冰量并验证用户系统（发动机/辅助动力装置）对该最大结冰量瞬间脱落造成的推力损失的容忍度，并指出了符合性验证活动中需要重点考虑的因素，为民用飞机申请型号合格证提供一定的适航技术支持。

关键词：燃油系统；结冰威胁；适航；验证试验

0 引言

民用飞机燃油系统结冰威胁适航要求早在1974年即由美国联邦航空局（FAA）提出，随后适航局方及工业界便在型号合格审定过程中开始关注该适航要求的符合性方法。但是，早期普遍采用的符合性方法基于的假设之一是燃油中的水和冰晶总是均匀地分布在燃油中，忽视了冰晶在供油系统内壁面聚积，及其随后由于可能的振动、温升等因素造成瞬间脱落，并導致下游流道阻塞的不安全状况，而这正是目前适航条款符合性研究的重中之重。目前，关于这种需考虑由冰在供油系统内壁积聚并瞬间脱落带来的威胁的符合性验证方法，在国内外适航指导文献中均尚未给出明确的规范。本文将阐述民用飞机燃油系统结冰威胁适航要求的认知变迁，并尝试对由供油系统内壁冰积聚并瞬间脱落造成威胁的验证试验方法提出合理的推荐及重点考虑因素。

1 适航要求变迁及解读

FAA在早期调查多起因燃油系统部件结冰造成的非指令性燃油传输事件后（如单向阀等被冰卡在开位等），意识到有必要制定条款要求民用飞机燃油系统具备容忍含有一定量水的燃油的能力。因此，1974年10月31日，FAA对其14CFR25.951进行了第36修正案的修订，增加了（c）款要求，即用于涡轮发动机的燃油系统在使用下述状态的燃油时，必须能在其整个流量和压力范围内持续工作：燃油先在27℃（80T）时用水饱和，并且每10升燃油含有所添加的2毫升游离水（每1加仑含0.75毫升），然后冷却到在运行中很可能遇到的最临界结冰条件。该条款自1974年颁发至今保持有效且未再次修订。在此条款修订后相当长一段时间内，新申请的机型在表明该条款符合性时，通常采用的符合性方法包括：在发动机端设置燃油加温器、在燃油中添加防冰添加剂、设计评估、将燃油系统部件与先前获得型号合格证的机型进行相似性分析、审定试飞并结合计算分析以表明发动机和辅助动力系统的燃油系统内的燃油温度不会长时间低于0℃，以及进行燃油系统部件结冰试验或这些符合性方法的组合，所开展的符合性验证试验主要参照SAE ARP1401“飞机燃油系统和部件结冰试验州”[1]，其基于的一个基本假设即是燃油中的水总是均匀分布的。在这一时期，适航局方及工业界也基本认为该符合性验证方法是充分的。

2008年1月17日，一架安装了罗罗公司RB211 Trent895-17型涡扇发动机的波音777-200型飞机在伦敦希斯罗机场着陆时冲出跑道而损毁，事故现场及起落架损伤情如图1所示。对于此事件，英国空难调查处（AAIB）和美国国家运输安全委员会（NTSB）对此事件展开了联合调查。调查结果表明，该事件是由进近过程中燃油供油系统中的冰晶堵塞燃油滤网造成燃油流量降低进而导致双发非指令性推力下降所致，同时反映出之前采用的适航符合性验证方法并不能完全充分地表明不存在由燃油系统结冰引起的不安全状态。随后，AAIB和NTSB给出了一系列安全建议，要求对当时的适航审定要求进行重新评估以确保飞机和发动机供油系统均能够容忍潜在的结冰和/或供油系统内突发的冰脱落[2]。与此同时，适航局方及工业界也认识到，除燃油中可能夹杂的冰晶外，可能影响正常供油功能的燃油管路内壁上积聚的危险量的冰的瞬间脱落才是更大的威胁和挑战。因此，如何表明所评估机型在供油系统内壁上积聚最大量的冰以及瞬态冰脱落后的影响，成为了目前表明满足25.951（c）款和25.952 （a）款适航要求的重点。

中国民用航空局（CAAC）规章体系建立较FAA晚，但对于燃油系统结冰威胁适航要求的认知变迁基本与FAA保持一致。前期，国内局方及工业界针对燃油系统结冰威胁方面的研究主要围绕SAEARP1401“飞机燃油系统和部件结冰试验”开展，如中国民用航空上海航空器适航审定中心主要起草的民航标准MH/T9004-2013“机燃油系统和部件结冰试验”[3]等。目前，由于认知的变迁，各方均在重点围绕瞬态冰脱落的情景开展试验和验证技术研究。

2 符合性验证活动推荐

对于表明供油系统部件结冰符合性所采用的传统符合性方法，如设计说明、计算分析、参照SAE AEP1401“飞机燃油系统和部件结冰试验”开展实验室试验等，这些方法相对比较成熟，参考文献及资料较多，本文不再赘述。以下将重点对供油系统内冰积聚及瞬间脱落的威胁进行符合性验证活动阐述。

目前，针对25.951（c）款和25.952（a）款关于燃油供油系统内冰积聚并瞬态脱落的威胁，适航局方考虑的适航要求可表述如下。

飞机/发动机供油系统和飞机/APU供油系统均必须满足：

·要么设计成能够阻止在燃油箱内以及供油系统内的任何地方积聚的冰脱落进入发动机和APU供油系统；

·要么设计成在飞机/发动机运行包线内所有点上积聚的冰的脱落不会造成发动机推力/功率损失。

对于上文所提议的符合性方案，由于冰通常伴随着燃油向下游流动，主机厂往往难以设计出既能阻止脱落冰进入用户系统（发动机/APU）又能确保正常供油的供油系统方案。因此，通常主机厂将选择通过表明用户系统（发动机/APU）具备要求的燃油夹杂冰的容忍度来表明适航要求的符合性。以下给出通常推荐的试验科目要素描述。

2.1 供油系统内最大结冰量试验

1）试验目的

获得飞机供油系统内的最大结冰量，为用户系统（发动机/APU）提供最严酷的瞬态冰脱落输入。

2）试验对象

飞机燃油系统，包含燃油箱、供油泵、供油管路、切断阀、单向阀、接头等所有不能表明对冰积聚无益的飞机燃油系统部件，不包含发动机和APU燃油系统。

3）试验设施及程序

试验设施可参考SAE ARP1401“飞机燃油系统和部件结冰试验”给出的试验平台，试验程序亦可在SAE ARP1401基础上进行裁剪。需要注意的是，本试验需在SAE ARP1401基础上做必要的试验条件更改，以便于观察供油系统（管路）内的结冰情况，并测量最临界试验构型及条件设置情况下的最大结冰量。

4）试验状态及环境因素

影响试验有效性的关键影响因素除上述试验对象、试验设施及程序外，还包括试验燃油含水量、冷却速率、燃油流速、试验持续时间、燃油温度、试验燃油选取等[4]。为达到试验目的，必须通过大量的文献资料研究或工程试验积累，将这些影响因素以最合理的方式组合，从而获取验证机型最可能遇到的最臨界的结冰量。

2.2 发动机/APU供油系统夹杂冰浓度容忍试验

1）试验目的

确认在2.1节所获得的最大结冰量瞬间脱落并随燃油进入发动机/APU燃油系统后不会造成发动机/APU的推力/功率损失。

2）试验对象

被试系统及设备（发动机/APU）。

3）试验设施

试验台架应具备向发动机/APU供油系统入口短时间内注入2.1节得出的最大结冰量当量的水且使得水在注入后的瞬间能够冷却结为冰晶的功能，此外，还应具备监测发动机/APU的推力/功率功能。

4）试验程序

控制燃油温度及环境温度在最临界温度，将2.1节获得的最大结冰量的冰换算成当量的含水量（水浓度），并以此作为试验输入，分别向发动机、APU的供油系统入口瞬间注入（注水时间由机型供油管路长度、供油流速确定）当量的水，监测发动机/APU的推力/功率波动情况。

5）试验判据

试验过程中发动机/APU推力/功率波动在可接受范围内。

3 符合性验证活动重点考虑

3.1 燃油临界含水量

在开展2.1节试验之前，必须首先确定临界温度下的临界含水量（燃油临界含水量），以确保2.1节验证试验获得的最大结冰量为该型飞机燃油供油系统内可能积聚的最临界结冰量。为此，主机厂往往需要结合燃油系统设计特征开展大量的分析与工程/验证试验，来获得该机型可能存在的能够造成供油系统内最大结冰量的临界燃油含水量。

这里需要指出的是，25.951（c）款明确给出的燃油含水量[5]是通常情况下考虑工业界常规的飞机燃油除水、排水系统设计特征，未按照工业界燃油质量保证程序生产、运输、存储、加油等操作导致的燃油含水量。在规划表明符合性试验时，主机厂需通过分析及必要的试验表明该含水量是否覆盖其飞机型号燃油箱内可能的最大含水量（常温状态），如果已经覆盖，则该含水量可作为研究本节提到的燃油临界含水量的初始含水量。

3.2 冷却速率

冷却速率是25.951（c）条要求的过饱和水冷却到临界温度过程中影响燃油临界含水量的重要因素之一。SAEARP1401指出，在配置一定含水量的燃油（常温过饱和燃油）通过热交换器冷却的过程中，冷却介质与燃油之间的温差一般不要超过13℃，否则将可能造成燃油中的水在热交换器壁面上结冰[1]，影响燃油冷却到最临界结冰温度时的非溶解水含水量，从而影响试验结果。

此外，相同含水量配置的燃油（常温过饱和燃油）通过不同的冷却速率冷却到最临界结冰温度时燃油中的非溶解水含水量也不相同，这将直接影响形成的最大结冰量，因此，这里推荐在验证试验时采取所验证机型典型的冷却速率。

3.3 燃油流速与试验持续时间

燃油中的水在低温环境下形成的冰晶随燃油流经供油系统过程中，可能由于供油系统管路流道变化等影响在流道壁面积聚形成冰层，冰层厚度的增长造成的流道几何形状的变化反过来会影响局部的燃油流速。流动的燃油对壁面的冰积聚有一定的冲刷作用，不利于冰在流道壁面积聚，而这种对冰积聚的不利影响直接与燃油流速相关。当这种冲刷作用与冰积聚的粘滞作用达到平衡时，供油系统流道壁面上积聚的冰层的厚度将不再增长。

由此可见，燃油流速直接影响积聚冰层理论上能够达到的最大厚度（假设试验持续时间足够长），而试验持续时间则直接关系到所验证机型实际能够达到的冰层厚度（最大结冰量）。因此，2.1节试验时推荐选取所验证机型典型燃油流速与典型的低温暴露时间（试验持续时间）。

4 总结

现阶段国际上尚无针对民用飞机燃油供油系统内冰积聚并瞬间脱落造成的威胁的符合性验证试验规范，国内主机厂也尚无符合性验证试验先例，主机厂需开展大量的理论研究、工程试验来研究各项试验影响因素的影响规律，从而确定合理的试验方案。因此，本文在研究大量文献资料的基础上，阐述了适航要求的变迁，给出了推荐的试验方法，在综合分析的基础上尝试推荐了试验中需要重点考虑的影响因素的选取，一定程度上为民机燃油系统结冰威胁适航验证活动提供了适航技术支持。

参考文献

[1]SAE ARP 1401 Aircraft FuelSystem and Component Icing Test[S]. SAE.

[2]Aircraft Accident Reportl/2010，Report on the accident to Boeing777-236ER， G-YMMM，at LondonHeathrow Airporton 17 January 2008[R].AAIB.

[3]中国民用航空上海航空器适航审定中心.飞机燃油系统和部件结冰试验[S].MH/T 9004-2013.

[4] SAE AIR 790 Considerations onlceFormation in Aircraft Fuel Systems[S]. SAE.

[5]交通运输部.《运输类飞机适航标准》[S].北京：中华人民共和国交通运输部令2016年第19号.