章 弘 常 紅 / Zhang Hong Chang Hong

(上海飛機(jī)設(shè)計(jì)研究院，上海 201210)

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輔助動(dòng)力裝置系統(tǒng)空中起動(dòng)設(shè)計(jì)和驗(yàn)證

章 弘 常 紅 / Zhang Hong Chang Hong

(上海飛機(jī)設(shè)計(jì)研究院，上海 201210)

輔助動(dòng)力裝置(Auxiliary Power Unit，簡稱APU)系統(tǒng)空中起動(dòng)設(shè)計(jì)和驗(yàn)證共涉及APU本體研制、APU系統(tǒng)進(jìn)排氣沖壓恢復(fù)計(jì)算分析、APU系統(tǒng)進(jìn)排氣和APU本體性能匹配計(jì)算分析、 APU系統(tǒng)進(jìn)氣風(fēng)門設(shè)計(jì)、進(jìn)氣風(fēng)門氣動(dòng)載荷計(jì)算分析、進(jìn)氣風(fēng)門作動(dòng)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)、進(jìn)氣風(fēng)門控制邏輯設(shè)計(jì)、本體起動(dòng)控制邏輯設(shè)計(jì)、沖壓恢復(fù)測量試飛、適航驗(yàn)證試驗(yàn)試飛等內(nèi)容，這對飛機(jī)主制造商的系統(tǒng)集成能力和適航驗(yàn)證能力提出了很高要求。APU系統(tǒng)空中起動(dòng)設(shè)計(jì)直接影響系統(tǒng)起動(dòng)性能和起動(dòng)包線，對某型飛機(jī)的輔助動(dòng)力裝置系統(tǒng)空中起動(dòng)設(shè)計(jì)和驗(yàn)證進(jìn)行了介紹，在型號研制經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，對APU系統(tǒng)空中起動(dòng)設(shè)計(jì)和驗(yàn)證流程和方法進(jìn)行總結(jié)，對后續(xù)型號研制具有較強(qiáng)的指導(dǎo)性。

輔助動(dòng)力裝置；空中起動(dòng)；設(shè)計(jì)和驗(yàn)證

0 引言

民用運(yùn)輸機(jī)輔助動(dòng)力裝置(Auxiliary Power Unit，簡稱APU)系統(tǒng)空中起動(dòng)性能直接影響輔助動(dòng)力裝置系統(tǒng)空中起動(dòng)包線(高度，速度包線)，進(jìn)而影響飛機(jī)性能指標(biāo)。運(yùn)輸類飛機(jī)適航標(biāo)準(zhǔn)(CCAR-25)明確要求輔助動(dòng)力裝置系統(tǒng)空中起動(dòng)的高度和速度包線必須建立并驗(yàn)證。APU系統(tǒng)空中起動(dòng)設(shè)計(jì)和驗(yàn)證共涉及APU本體研制、APU系統(tǒng)進(jìn)排氣沖壓恢復(fù)計(jì)算分析、APU系統(tǒng)進(jìn)排氣和APU本體性能匹配計(jì)算分析、APU系統(tǒng)進(jìn)氣風(fēng)門設(shè)計(jì)、進(jìn)氣風(fēng)門氣動(dòng)載荷計(jì)算分析、進(jìn)氣風(fēng)門作動(dòng)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)、進(jìn)氣風(fēng)門控制邏輯設(shè)計(jì)、本體起動(dòng)控制邏輯設(shè)計(jì)、沖壓恢復(fù)測量試飛、適航驗(yàn)證試驗(yàn)試飛等內(nèi)容，這對于飛機(jī)主制造商的系統(tǒng)集成能力和適航驗(yàn)證能力提出了很高要求。目前，國外已經(jīng)完全掌握了民用運(yùn)輸機(jī)飛機(jī)APU系統(tǒng)設(shè)計(jì)和驗(yàn)證技術(shù)，國內(nèi)在某民用運(yùn)輸機(jī)型號上首次按國際適航標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行了APU系統(tǒng)空中起動(dòng)設(shè)計(jì)和驗(yàn)證，提高了設(shè)計(jì)水平和適航安全性，取得了較好成果。

本文對某民用運(yùn)輸機(jī)的APU系統(tǒng)空中起動(dòng)設(shè)計(jì)和驗(yàn)證工作進(jìn)行了總結(jié)，明確了設(shè)計(jì)要求，設(shè)計(jì)方法和設(shè)計(jì)流程；并在型號研制經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，對APU系統(tǒng)空中起動(dòng)設(shè)計(jì)和驗(yàn)證進(jìn)行總結(jié)，對后續(xù)型號研制具有較強(qiáng)的指導(dǎo)性。

1 APU系統(tǒng)空中起動(dòng)設(shè)計(jì)和驗(yàn)證要求

在進(jìn)行APU系統(tǒng)空中起動(dòng)設(shè)計(jì)和驗(yàn)證時(shí)，首先要盡可能地把設(shè)計(jì)輸入或設(shè)計(jì)和驗(yàn)證要求進(jìn)行全面考慮、收集并逐條明確，這樣才能避免后面的設(shè)計(jì)驗(yàn)證工作反復(fù)。APU空中起動(dòng)的設(shè)計(jì)驗(yàn)證要求主要來自飛機(jī)總體的設(shè)計(jì)目標(biāo)和適航條款，APU系統(tǒng)空中起動(dòng)具體設(shè)計(jì)和驗(yàn)證要求如下：

(1)飛機(jī)設(shè)計(jì)研制單位根據(jù)飛機(jī)總體設(shè)計(jì)目標(biāo)和要求，提出APU系統(tǒng)起動(dòng)包線要求。

(2)按運(yùn)輸類飛機(jī)適航標(biāo)準(zhǔn)CCAR-25中第25.903(e)條款，對于基本型輔助動(dòng)力裝置，APU系統(tǒng)空中起動(dòng)的高度和速度包線必須建立并驗(yàn)證；在建立和驗(yàn)證APU空中起動(dòng)的高度和速度包線時(shí)，必須考慮冷浸透的影響。基本型輔助動(dòng)力裝置(Essential Auxiliary Power Unit)是指在空中緊急情況下，必須使用輔助動(dòng)力裝置的引氣或發(fā)電功能，即輔助動(dòng)力裝置影響飛機(jī)的派遣，這樣的輔助動(dòng)力裝置被稱為基本型輔助動(dòng)力裝置。

(3)根據(jù)雙發(fā)延程運(yùn)行適航的要求，對于有雙發(fā)延程運(yùn)行要求的民用飛機(jī)，APU系統(tǒng)起動(dòng)包線必須和飛機(jī)運(yùn)行包線一致。雙發(fā)延程運(yùn)行(Extended Range Operation with two-Engine Airplanes,簡稱ETOPS)是指在標(biāo)準(zhǔn)條件靜止大氣中，以經(jīng)批準(zhǔn)的一臺發(fā)動(dòng)機(jī)不工作的巡航速度，到達(dá)合適機(jī)場的飛行時(shí)間超過60 min的飛行。

如果飛機(jī)設(shè)計(jì)研制單位把APU定義為非基本型輔助動(dòng)力裝置，可不按上述設(shè)計(jì)要求進(jìn)行APU系統(tǒng)研制。

2 APU系統(tǒng)空中起動(dòng)設(shè)計(jì)與驗(yàn)證流程和方法

在型號研制的基礎(chǔ)上，對APU系統(tǒng)空中起動(dòng)設(shè)計(jì)和驗(yàn)證工作進(jìn)行了總結(jié)，明確了設(shè)計(jì)驗(yàn)證流程和方法，設(shè)計(jì)和驗(yàn)證流程如圖1所示。

圖1 APU系統(tǒng)空中起動(dòng)設(shè)計(jì)和驗(yàn)證流程

2.1 APU系統(tǒng)空中起動(dòng)設(shè)計(jì)

APU系統(tǒng)空中起動(dòng)設(shè)計(jì)主要包括以下內(nèi)容：

(1)飛機(jī)設(shè)計(jì)研制單位提出APU系統(tǒng)起動(dòng)包線要求；

(2)APU研制單位依據(jù)飛機(jī)設(shè)計(jì)研制單位提出的起動(dòng)包線要求，開展APU研制；

(3)飛機(jī)設(shè)計(jì)研制單位開展APU系統(tǒng)進(jìn)氣風(fēng)門及風(fēng)門位置設(shè)計(jì)；

(4)飛機(jī)設(shè)計(jì)研制單位開展APU系統(tǒng)進(jìn)氣道和排氣子系統(tǒng)設(shè)計(jì)；

(5)飛機(jī)設(shè)計(jì)研制單位開展APU系統(tǒng)進(jìn)排氣沖壓恢復(fù)計(jì)算分析；

(6)飛機(jī)設(shè)計(jì)研制單位開展APU系統(tǒng)進(jìn)氣總壓和排氣靜壓差的計(jì)算分析；

(7)飛機(jī)設(shè)計(jì)研制單位和APU研制單位聯(lián)合定義APU系統(tǒng)風(fēng)門開啟角度；

(8)飛機(jī)設(shè)計(jì)研制單位開展APU系統(tǒng)進(jìn)氣風(fēng)門氣動(dòng)載荷計(jì)算分析；

(9)飛機(jī)設(shè)計(jì)研制單位開展APU系統(tǒng)進(jìn)氣風(fēng)門作動(dòng)機(jī)構(gòu)選型與設(shè)計(jì)；

(10)飛機(jī)設(shè)計(jì)研制單位和APU研制單位聯(lián)合定義APU系統(tǒng)風(fēng)門控制邏輯。

2.2 APU系統(tǒng)空中起動(dòng)驗(yàn)證

2.2.1 APU系統(tǒng)空中起動(dòng)驗(yàn)證主要包括以下內(nèi)容：

1)APU研制單位進(jìn)行APU系統(tǒng)風(fēng)門控制邏輯和置起動(dòng)控制邏輯集成試驗(yàn)；

2)飛機(jī)設(shè)計(jì)研制單位進(jìn)行輔助動(dòng)力裝置系統(tǒng)沖壓恢復(fù)測量試飛；

3)飛機(jī)設(shè)計(jì)研制單位進(jìn)行APU系統(tǒng)沖壓恢復(fù)和進(jìn)排氣壓差校核；

4)APU研制單位進(jìn)行APU高空試驗(yàn)臺試驗(yàn)；

5)APU研制單位進(jìn)行APU系統(tǒng)風(fēng)門控制邏輯和APU起動(dòng)控制邏輯更新；

6)APU研制單位進(jìn)行APU系統(tǒng)風(fēng)門控制邏輯和APU起動(dòng)控制邏輯集成試驗(yàn)；

7)飛機(jī)設(shè)計(jì)研制單位進(jìn)行APU系統(tǒng)地面起動(dòng)工程試驗(yàn)和空中起動(dòng)工程試飛；

8)飛機(jī)設(shè)計(jì)研制單位進(jìn)行APU系統(tǒng)地面起動(dòng)適航驗(yàn)證試驗(yàn)和空中起動(dòng)適航驗(yàn)證試飛。

(1)適航驗(yàn)證試驗(yàn)要求和方法如下：

i. APU系統(tǒng)裝機(jī)后，當(dāng)系統(tǒng)構(gòu)型為取證構(gòu)型或構(gòu)型偏離不影響APU系統(tǒng)起動(dòng)適航驗(yàn)證試驗(yàn)時(shí)，應(yīng)采用機(jī)上地面試驗(yàn)和飛行試驗(yàn)進(jìn)行符合性驗(yàn)證；

ii. 適航驗(yàn)證試驗(yàn)需按相關(guān)適航管理程序進(jìn)行；

iii. 試驗(yàn)應(yīng)測量相關(guān)參數(shù)，并選取關(guān)鍵參數(shù)作為試驗(yàn)判據(jù)；

iv. 選取飛行試驗(yàn)飛行狀態(tài)。

(2)飛行試驗(yàn)高度應(yīng)按飛行包線、APU工作包線和APU起動(dòng)包線邊界選取，一般按5 000ft梯次選取試驗(yàn)高度。飛行速度應(yīng)包括飛行包線的小速度和大速度邊界。典型試驗(yàn)飛行包線如圖 2和圖 3所示。典型的飛行試驗(yàn)安排如表1所示。試驗(yàn)條件應(yīng)充分考慮各種構(gòu)型組合及臨界狀態(tài)。

圖2 進(jìn)氣風(fēng)門正常情況下飛行試驗(yàn)包線

圖3 進(jìn)氣風(fēng)門全開狀態(tài)下飛行試驗(yàn)包線

表1 APU系統(tǒng)空中起動(dòng)試飛安排

(3)在進(jìn)行APU系統(tǒng)空中起動(dòng)工程試飛和適航驗(yàn)證試飛時(shí)，要對APU系統(tǒng)進(jìn)行冷浸透，冷浸透的時(shí)間為一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)航程時(shí)間，需要對APU渦輪后溫度(Exhaust Gas Temperature,簡稱EGT)或滑油溫度進(jìn)行監(jiān)控，EGT溫度或滑油溫度穩(wěn)定即可。

3 結(jié)論

APU空中起動(dòng)設(shè)計(jì)和驗(yàn)證涉及專業(yè)領(lǐng)域較多，必須確保設(shè)計(jì)和驗(yàn)證流程中的每一環(huán)節(jié)準(zhǔn)確無誤，才能保證最終的APU空中起動(dòng)設(shè)計(jì)與驗(yàn)證能力能滿足性能指標(biāo)要求。本文在型號研制經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，對APU系統(tǒng)空中起動(dòng)集成設(shè)計(jì)與驗(yàn)證流程和方法進(jìn)行了總結(jié)，有利于提升APU系統(tǒng)空中起動(dòng)集成設(shè)計(jì)和驗(yàn)證能力。

[1]中國民用航空局.CCAR-25-R4中國民用航空規(guī)章第25部：運(yùn)輸類飛機(jī)適航標(biāo)準(zhǔn)[S].北京：中國民用航空局，2011.

[2] AC25-7C Flight Test Guide for Certification of Transport Category Airplanes[S].

[3]AC120-42B Extended Range Operation with Two-engine Airplanes[S].

Design and Certification of Auxiliary Power Unit System In-flight Starting

(Shanghai Aircraft Design and Research Institute，Shanghai 201210，China)

Auxiliary Power Unit (APU) system in-flight starting design and certification involve APU development, APU system inlet and exhaust ram recovery analysis, APU inlet/exhaust impact on APU performance analysis, APU inlet door design, inlet door aerodynamic load analysis, inlet door actuation mechanism design, inlet door control logic design, APU starting control logic design, ram recovery flight test, certification flight test. APU system in-flight starting design has an impact on APU performance and in-flight starting envelope. This paper presents a design of Auxiliary Power Unit system in-flight starting. Based on the development and research experience, it summarizes the APU system design and certification process and method. It is a good reference to other aircraft model development.

auxiliary power unit; in-flight starting; design and certification

V228

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