直升机进气系统雪天运行适航要求和符合性验证研究

董宏清，陈天杰，高占平

(中国直升机设计研究所，江西 景德镇 333001)

0 引言

在空气空间运行的任何航空器，其运行必须面临各种不同的气象条件，如晴天、雷电、雨天和雪天等，而一些特殊的气象条件是诱发飞行事故的重要因素。因此，世界各主要民航局发布的航空器适航规章中，均对不同气象条件提出了适航防护要求。其中，2729.1093“进气系统的防冰”，针对采用涡轮发动机的旋翼航空器，提出了进气系统雪天运行的适航要求。

1 2729.1093条款原文及修订背景

1.1 条款原文

2729.1093规定了旋翼航空器进气系统雪天运行的适航要求，由其中(b)(1)(ⅱ)项作了阐述，其条款原文如下(以下省略了与本研究内容无关的条款原文)：

2729.1093 进气系统的防冰[1]

(b)涡轮发动机

(1)必须表明每台涡轮发动机及其进气系统能在发动机整个飞行功率范围(包括慢车)内工作。

(ⅱ)在规定的旋翼航空器限制范围内，在降雪和扬雪时没有不利于发动机运转的影响。

1.2 修订背景

美国联邦航空适航规章FAR-2729部发布于1965年，其中包括2729.1093条“进气系统的防冰”。其后该条款共进行了5次修订，其中关于雪天防护要求的修订共2次。

FAR-2729.1093首次发布时，仅针对活塞发动机提出了进气系统防冰的要求，没有提出针对涡轮发动机的相关要求。1969年6月3日至6日，FAA召开了局方-工业界会议来对飞机发动机型号合格审定的有关规章进行评审，提出了修订29.1093条，增加涡轮发动机的进气系统雪天运行的适航要求。经过征询公众意见后，1974年10月1日，FAA正式发布修正案(29-10)，对FAR29.1093条进行了修订，明确规定了涡轮发动机在降雪和扬雪条件下没有不利于发动机运转的现象。

1975年5月13日，FAA发布规章制定建议公告(75-19)，对29.1093条再次提出修订，要求发动机和进气系统部件的雪聚积必须不会影响发动机正常运行，以防人们忽视发动机进气系统部件上雪的聚积。

经过2次修订，适航规章中对于进气系统雪天条件运行的适航要求基本形成，其后的历次修订没有提出实质的修改。

2 直升机雪天运行适航要求概要

直升机进气系统雪天运行适航要求，是2729.1093条“进气系统的防冰”的一部分。直升机进气系统雪天运行的危害，主要是降雪或扬雪环境下，雪或由雪凝结而成的冰在发动机进气系统部件上堆积，从而影响发动机进气，当达到一定程度时将对发动机运转产生不利影响。

2729.1093(b)要求必须表明每台发动机及其进气系统能在发动机整个飞行功率范围(包括慢车)内工作，包括在旋翼航空器限制范围的降雪和扬雪条件下，均没有不利于发动机运转或引起功率严重损失的冰聚积。其中，功率严重损失，是指要求驾驶员立即采取动作的任何功率丧失；对发动机运转的不利影响，是指妨碍发动机达到旋翼航空器飞行手册性能额定值的影响。

对于活塞式发动机，2729.1093(a)、(c)规定了进气系统的温升要求，而没有具体规定雪天运行的相关验证要求，即满足条款规定的温升要求则符合雪天运行要求。

3 直升机雪天运行合格审定类别

2729.1093条规定涡轮发动机及其进气系统应在降雪和扬雪条件下，在所制定的旋翼航空器限制内能满意地工作。条款规定在“在所制定的旋翼航空器限制内”进行合格审定，即表示可以采用飞行手册限制章节中对雪中飞行的限制，代替降雪和扬雪条件的符合性演示。“在所制定的旋翼航空器限制内”，并不适用于对于雪况和雪天运行时间等的限制，因为这些限制是难以确定、验证以及由飞行员准确判断、把握的。

一直以来，在直升机研制和适航取证过程中，直升机雪天运行审定方式普遍分为2类：允许雪天运行和限制雪天运行。如果飞行手册中没有雪中飞行的限制，即表示允许直升机在雪天运行，则需要进行雪天飞行的符合性验证。按照限制雪天运行进行合格审定，则需要在飞行手册中给出明确限制[2]。

然而在实际型号合格审定过程中，由于进行雪天飞行的符合性验证条件极为严酷，通常很难满足该条件，而按照限制雪天运行方式进行合格审定，很难完全避免实际运行过程中偶遇降雪条件，因此，传统的合格审定方式存在着一些实际操作性差和不完全适航的问题。为此， FAA经过研究提出对直升机雪天运行合格审定类进行调整，并修订了正常类和运输类旋翼航空器适航规定的咨询通告AC27-1B change4(第四次修订)、AC29-2C change4(第四次修订)，对雪天运行合格审定的类别和验证方法重新进行了阐述。

根据最新的咨询通告，直升机进气系统雪天运行合格审定方式分为三类：

1)完全雪天运行：须进行完全降雪和扬雪条件运行演示；

2)限制雪天运行：须进行偶遇降雪和扬雪条件运行演示，同时手册中限制直升机在已知的降雪和扬雪条件运行；

3)禁止雪天运行：在手册中限制最低运行温度为5℃[3]。

上述修订后的合格审定分类中，较此前的要求有以下2方面变化：

1)将降雪和扬雪条件分为完全和偶遇的降雪与扬雪条件，正常不限制雪天运行合格审定需按照完全降雪和扬雪条件进行试验演示，而限制雪天运行合格审定需按照偶遇降雪和扬雪条件进行试验演示。完全降雪和扬雪条件与偶遇降雪和扬雪条件的差别在于降雪量大小的不同。降雪量大小通过雪天能见度表示，该降雪量大小仅用于区分不同合格审定类别下的演示试验的条件，而不能以降雪量(或能见度)作为实际运行的限制要求。

2)将有关雪天运行的限制分为限制雪天运行和禁止雪天运行：限制雪天运行，即限制进入已知的降雪和扬雪条件环境，需要进行偶遇降雪和扬雪条件演示，以确保能够在实际运行中偶遇降雪和扬雪时能正常运转；而禁止雪天飞行，则要求限制最低运行温度为5℃，以有效避免实际运行中偶遇降雪和扬雪条件。如采取禁止雪天运行的限制，那么将严重影响直升机的使用范围和出勤率，直升机的市场需求将大打折扣。

4 降雪和扬雪条件试验要求

根据上述分析，除非按照完全禁止雪天运行，否则必须进行降雪和扬雪条件的运行演示，以下对降雪和扬雪条件试验要求进行分析研究。

4.1 总体试验要求

针对完全雪天运行和限制雪天运行两类合格审定方式，降雪和扬雪条件分为完全降雪和扬雪条件、偶遇降雪和扬雪条件，试验条件具体如下：

1)完全降雪和扬雪条件，适用于完全雪天运行合格审定，具体要求如下：

能见度：402m或更少；

温 度：-4℃至1℃，最好能在-2℃至1℃范围内，除非认为其它温度是临界的；

运 行：地面运行—20 min，

有地效悬停—5 min，

水平飞行—1 h，

下降和着陆。

2)偶遇降雪和扬雪条件，适用于限制雪天运行合格审定，具体要求如下：

能见度： 1609m或更少；

温 度：-4℃至1℃，最好能在-2℃至 1℃范围内，除非认为其它温度是临界的；

运 行：地面运行—20 min，

有地效悬停—5 min，

水平飞行—1 h，

下降和着陆。

上述两者差异为：完全降雪和扬雪条件要求试验能见度为402m，而偶遇降雪和扬雪条件，为1609m。

4.2 试验要求说明

上述试验条件—能见度、温度和运行状态都是FAA根据以往的合格审定试验计划、适航当局指南以及FAA 技术中心和其它部门的研究成果制定的。

1)能见度

即代表着雪密度。根据加拿大国家研究委员会的J．R．斯多拉伯雷斯先生的研究，对于各种类型的雪花，能见度与雪密度之间的关系式为V=374.9/C0.7734，其中C是雪密度(g/m3)，V是能见度(m)[2]。

能见度的测量，应在没有雾或重复循环雪的下雪天气中，由一位观察者站在试验旋翼航空器的影响区之外的试验地点做目视测量。即要求测量的能见度是因为自然降雪的原因，而不能受光线或旋翼航空器旋翼气流等导致的重复循环雪等因素影响[2]。

此处规定的试验能见度402m，表示旋翼空器服役使用中最有可能遇到的严重暴风雪。根据FAA的调查研究，已按402m能见度试验标准进行合格审定的旋翼航空器，没有出现过发动机进气口有雪而造成使用困难[2]。需要注意，此规定的能见度是一个试验参数，而不是在试验完成后对旋翼航空器的运行限制。

规定的能见度(402m或更近)相对应的雪密度在自然界中极为困难。加拿大渥太华的研究资料表明，在那里遇到的只有不足4%的暴风雪能满足与402m能见度相应的0.91 g/m3雪密度要求，而且，在试验期间出现所希望的雪密度的可能性更是极小[2]。鉴于这种试验的现实性，实际很可能不能达到试验条件的严格指标。因此在合格审定中，对这种情况是否采用替代方法，必须进行准确的判断。

2)温度

规定的环境温度有助于产生湿雪条件。制造公司的研制试验或非常相似型号的进气系统经验，足可用来确定合格审定试验的临界环境条件。

3)试验环境

通常要求在自然的降雪条件下进行演示。人工降雪是一种极好的研究方法，并且已成功地用来指示进气系统中的潜在问题，但这些设备通常限于悬停和地面评定使用，并且由这些设备制造的雪片与自然雪花并不十分相似，因此，通常不推荐使用人造雪进行验证，除非有必要的理由。

4)试验状态和时间

地面运转及悬停试验时间为25min，这是根据在极端条件下，从驾驶员的工作强度和实际运行中起飞前最长滑行时间而确定的一个较为合理的时间。

水平飞行1h，为出现危险的雪积聚提供充分的时间和机会。

下降和着陆会引起发动机功率、进气系统气流以及进气系统入口附近的外部气流流线图发生变化。下降和着陆最后拉平也会产生传给进气系统的附加机体振动。这些功率、气流和振动变化都会对任何水平飞行下积雪被吸入发动机造成机会。在任何试验期间或试验之后产生危险量的积雪都是不可接受的。

5)平飞速度

对于按目视飞行规则飞行的旋翼航空器，水平飞行试验状态的空速应为符合能见度条件的最大空速。对于仪表飞行规则的运行，空速应是最大巡航速度或飞行手册限制中对雪天飞行规定的最大速度，除非其它的空速被认为更临界。按目视飞行规则合格审定的许多旋翼航空器，如果后来申请按仪表飞行规则进行合格审定，可能会增加雪中水平飞行的空速。因此，如果预计将来采用仪表飞行规则合格审定，那么应提前考虑这个因素。

6)等效的试验程序

① 可考虑在重复循环的雪中的地面运行和有地效悬停时间限制不超过25 min。时间结束后停车，并检查进气系统或转换到一个安全的飞行状态。在这个状态下，演示表明水汽的积聚不会加剧或散发，也不会引起发动机工作问题。

② 对于某些发动机进气系统，通过检查水分的积聚，可能发现以下明显情况，即在重复循环的雪中地面运行和有地效悬停时的水分积聚比水平飞行试验时严重得多。在这种情况下，可延长重复循环的雪中有地效悬停时间，同时减少平飞时间，但应保证应至少进行一定时间的402m(或更小)能见度下的水平飞行，以保证试验覆盖全部各个运行阶段。

7)扬雪试验

上述规定的试验是演示在自然降雪条件的飞行，地面运行和有地效悬停试验条件假定是在重复循环雪中运行。如果旋翼航空器在刚下的雪上空缓慢地持续飞行，则因旋翼气流重复循环造成的扬雪，预计可能比自然扬雪更严重。因此，扬雪飞行能力，通常采用在重复雪中滑行和悬停来飞行演示。应通过在重复雪中滑行和悬停来飞行演示扬雪飞行能力。

8)试验合格判定要求

在该条件下的试验演示，发动机、进气系统和附近的整流罩表面应没有过量的雪、冰和水积聚。过量的积聚定义为它可能引起发动机不稳定、损坏或发动机功率严重丧失。如果对进气口中积聚的雪或水气量有疑问，则申请人可选用这个量的雪或水和冰(根据适用性)进行演示，让其由发动机吸入而不造成发动机喘振、熄火或损坏。

5 型号案例综合分析

根据相关资料，收集到国内外几个型号的关于进气系统雪天运行的合格审定方式和验证方法，具体如下：

1) SA365N直升机，即海豚直升机，由原法国航宇工业公司于20世纪70年代研制，两台发动机，单旋翼+涵道式尾桨构型，最大起飞重量为4300kg。该直升机按完全雪天运行进行合格审定，验证情况如下：

① 风雪地飞行(扬雪试验)

试飞条件：直升机在野外小雪中过夜(外界温度为-11℃)，进气口、旋翼桨毂、涵道尾桨有保护罩。

试飞内容：发动机开车，在低空以低速飞行，将雪扬起。

试飞结果：进气系统没有发生积雪，吸入雪量很小，发动机工作正常，没有运转故障。

② 降雪中飞行(2次试验)—第1次

试飞条件：外界大气温度-4℃，能见度估计低于450m。

试飞内容：指示空速以204km/h飞行6min，148km/h飞行14min。

试飞结果：进气网格上有少量溶雪，发动机工作正常(除在地面阶段曾发生因直径80mm雪球射向进气道网格而导致发动机停车)。

③ 降雪中飞行—第2次

试飞条件：外界大气温度-1℃至-2℃，能见度估计低于500m。

试飞内容：低空盘旋飞行，共5个起落，时间为85min，绝大部分时间平均速度为185～204km/h，最后阶段以最大连续功率飞行，速度以287～296km/h，大约飞行12min。

试飞结果：未出现发动机工作不正常情况。

2)EC175直升机(Z15型直升机)，21世纪中法联合研制的先进中型直升机，两发+单旋翼+尾桨构型，最大起飞重量7500kg。该直升机按照限制雪天运行进行合格审定，手册中规格了雪天运行的限制，仅进行了扬雪条件试验演示。

3)AC313直升机，中国直升机设计研究所于21世纪研制的大型直升机，三发+单旋翼+尾桨构型，最大起飞重量13800kg。该直升机按照限制雪天运行进行合格审定，手册中规定了雪天运行的限制，仅进行了扬雪条件试验演示，具体如下：

试验条件：外界温度为-27℃，地面积雪10～20cm，并经人工铲松，使其为蓬松状态。

试验内容：起动三台发动机至地慢状态，稳定4min；加速至飞行状态，稳定5min；提总距杆至发动机总扭为40%，稳定8min；放总距杆至低距，稳定5min；迎风起飞，离地高度3m，实际稳定10min。

试验结果：在进气防护网和进气兜壁面上未发现明显的雪、水分和冰积累；APU和三台发动机起动过程正常，未出现超温、喘振、悬挂等现象。

上述型号取证时并没有严格地规定三类雪天运行的适航要求。EC175和AC313直升机通过限制雪天运行(没有限制5℃以上运行)，并开展了部分扬雪试验(但没有开展偶遇降雪和扬雪条件的演示)以表明符合条款要求。SA365N直升机没有雪天运行的限制，进行了较为严格的降雪和扬雪条件演示试验，其试验条件接近但未能符合完全降雪和扬雪条件演示的要求，其中能见度为450m，未达到402m的要求，而适航当局接受了该试验。

6 结论

目前，世界范围内民用直升机仍普遍存在限制雪天飞行的情况，而采取限制雪天飞行时往往忽视了需要验证在偶遇降雪和扬雪条件的运行能力，对直升机的适航性有一定的影响。特别是在国内，由于极难达到符合要求的降雪条件，暂没有直升机开展完全的或偶遇的降雪和扬雪条件演示。本文根据FAA最新修订的咨询通告，结合国内外型号验证经验，对直升机雪天运行的适航要求进行梳理研究，将直升机进气系统雪天运行合格审定分为完全雪天运行、限制雪天运行和禁止雪天运行三类，分别给出不同类别的限制和符合性验证内容，以及详细的验证试验方法的解释，对于民用直升机型号适航取证具有一定的指导价值。