陳天杰，董宏清，王世杰

(中國直升機(jī)設(shè)計研究所，江西 景德鎮(zhèn) 333001)

0 引言

多年來，因發(fā)動機(jī)起火引發(fā)的航空器事故在國內(nèi)外時有發(fā)生，嚴(yán)重威脅著航空器的安全運(yùn)行。對于在低空空域運(yùn)行的直升機(jī)而言，其發(fā)動機(jī)長期運(yùn)轉(zhuǎn)在十分惡劣的環(huán)境，由于機(jī)件嚴(yán)重磨損、燃油泄漏、電氣著火等原因，包括發(fā)動機(jī)在內(nèi)的動力裝置極有可能會出現(xiàn)著火風(fēng)險。若火情不能被及時有效地控制住，不僅會嚴(yán)重?fù)p壞動力裝置，還會導(dǎo)致整個直升機(jī)被燒毀，甚至爆炸解體。為了在動力裝置起火時，飛行機(jī)組能夠及時知曉火情，并采取相應(yīng)措施迅速排險以保障機(jī)上人員安全，現(xiàn)代直升機(jī)動力裝置安裝有火警探測系統(tǒng)[1-3]?；鹁綔y系統(tǒng)一般由火警探測器、火警信號電氣處理電路及告警系統(tǒng)等三部分組成，其主要功能是及時有效地探測火警并發(fā)出告警信號[4-5]。目前，火警探測器類別眾多[6]，系統(tǒng)設(shè)計的可靠度也大大提高。為了確保民用航空器能以最低安全標(biāo)準(zhǔn)正常運(yùn)行[7]，火警探測系統(tǒng)的設(shè)計必須滿足相應(yīng)的民用適航規(guī)章要求。

本文通過研究FAR 29.1203條款的具體內(nèi)容，參考該條款歷次修訂過程中FAA發(fā)布的擬定規(guī)章制定通告(NPRM)和最終規(guī)章法案(Final Rule)，分析了該條款歷次修訂的原因，并結(jié)合工程經(jīng)驗對該條款的適航要求及技術(shù)內(nèi)涵進(jìn)行了深入解讀，提出了依據(jù)各火區(qū)著火概率來安裝布置火警探測器的方法，提煉出條款的適航設(shè)計要求，總結(jié)了適用于該條款的符合性驗證思路，從而為運(yùn)輸類旋翼航空器動力裝置火警探測系統(tǒng)的設(shè)計和適航驗證提供參考依據(jù)。

1 條款修訂歷史及原因

1.1 修訂歷史

本條款FAR已歷經(jīng)2次修訂(表1)，現(xiàn)行有效版本是FAR修正案29-3。

表1 FAR 29.1203歷次修訂匯總

1.2 條款修訂原因分析

1.2.1 第1次修訂

1964年5月20日，F(xiàn)AA發(fā)布NPRM 64-30[8]，提出將民用航空條例(CAR 7)的部分條款要求重新編制成FAR 29(新)。1965年2月1日生效的Final Rule 5084[9]正式發(fā)布了FAR 29(新)，以替代CAR 7作為運(yùn)輸類旋翼航空器適航審定標(biāo)準(zhǔn)。首次發(fā)布的FAR 29(新)對原規(guī)章的語言進(jìn)行了簡化，使得表述更加清楚，并刪除了過時或冗余的條款。同時，通過重新編排章節(jié)號，使得FAR 29(新)與FAR 23(新)、FAR 25(新)以及FAR 27(新)中的類似要求具有相同的編號，有助于各規(guī)章修訂時相互參考。其中，F(xiàn)AR 29.641 “火警探測系統(tǒng)”主要依據(jù)CAR 7.485的內(nèi)容編排而來，F(xiàn)AR 29(新)正式生效時，條款號最終被改為29.1203，但規(guī)章內(nèi)容并未有實質(zhì)性修改。

1.2.2 第2次修訂

為了明確無需在指定火區(qū)安裝經(jīng)批準(zhǔn)的火警探測器的旋翼航空器范圍僅限于安裝氣缸容量不大于0.0148m3的活塞式發(fā)動機(jī)的B類旋翼航空器，不致使人誤解此豁免可以類推至具有等效功率級別的渦輪發(fā)動機(jī)，1965年12月21日，F(xiàn)AA發(fā)布NPRM 65-42[10]，擬對FAR 29.1203條(a)款進(jìn)行修訂。有反饋意見認(rèn)為，此豁免對于具有同等推力參數(shù)的渦輪發(fā)動機(jī)也是有效的。FAA起初也同意此豁免或許可以延伸至部分渦輪發(fā)動機(jī)，但在經(jīng)過研究后，F(xiàn)AA最終認(rèn)為此豁免延伸至部分渦輪發(fā)動機(jī)是不恰當(dāng)?shù)摹?/p>

因此，1968年2月25日生效的Final Rule 7087[11]中涵蓋的修正案29-3明確了FAR 29.1203(a)款的修訂：除了氣缸容量不大于0.0148m3的B類旋翼航空器外，其它運(yùn)輸類旋翼航空器在指定區(qū)域必須有經(jīng)批準(zhǔn)的火警探測器；此外，對于渦輪發(fā)動機(jī)的燃燒室、渦輪和尾噴管部分，不管其是否為指定火區(qū)，必須有火警探測系統(tǒng)。即將“除裝有氣缸容量不大于0.0148 m3的B類旋翼航空器之外的所有旋翼航空器，在指定火區(qū)必須有…”改為“裝有渦輪發(fā)動機(jī)的旋翼航空器和裝有活塞發(fā)動機(jī)的A類旋翼航空器，以及裝有氣缸容量大于0.0148 m3的活塞發(fā)動機(jī)的B類旋翼航空器，在指定火區(qū)和渦輪發(fā)動機(jī)安裝的燃燒室、渦輪和尾噴管部分(不管這部分是否指定火區(qū))，均必須有……”。

2 條款適航性設(shè)計解讀

2.1 條款原文

FAR修正案29-3與國內(nèi)現(xiàn)行有效的CCAR-29-R2中29.1203條內(nèi)容一致，條款原文如下[12]：

第 29.1203 條火警探測系統(tǒng)

(a)對裝有渦輪發(fā)動機(jī)的旋翼航空器和裝有活塞發(fā)動機(jī)的A類旋翼航空器，以及裝有氣缸容量大于0.0148 m3的活塞發(fā)動機(jī)的B類旋翼航空器，在指定火區(qū)和渦輪發(fā)動機(jī)安裝的燃燒室、渦輪和尾噴管部分(不管這部分是否指定火區(qū))，均必須有經(jīng)批準(zhǔn)的、快速動作的火警探測器，其數(shù)量和位置要保證迅速探測這些區(qū)域內(nèi)的火警。

(b)每一火警探測器的構(gòu)造和安裝必須能承受運(yùn)行中可能遇到的任何振動、慣性和其它載荷。

(c)火警探測器不得受到可能出現(xiàn)的任何油、水、其它液體或氣體的影響。

(d)必須有措施使機(jī)組成員在飛行中能檢查每個火警探測系統(tǒng)電路的功能。

(e)在發(fā)動機(jī)艙內(nèi)的每個火警探測系統(tǒng)的導(dǎo)線和其它的部件必須至少是耐火的。

(f)任何火區(qū)的火警探測系統(tǒng)部件不得穿過另一火區(qū)，但具備下列條件之一者除外：

(1)能夠防止由于所穿過的火區(qū)著火而發(fā)生假火警的可能性；

(2)所涉及的火區(qū)是由同一探測系統(tǒng)和滅火系統(tǒng)同時防護(hù)的。

2.2 條款的適航性解讀

2.2.1 29.1203(a)款解讀

1)本款規(guī)定了必須安裝火警探測系統(tǒng)的旋翼航空器類型：以氣缸容量大于0.0148 m3的活塞式發(fā)動機(jī)為動力的B類旋翼航空器；以活塞式發(fā)動機(jī)為動力的A類旋翼航空器；以渦輪發(fā)動機(jī)為動力的旋翼航空器。

2)本款明確了指定火區(qū)及無論是否在指定火區(qū)的渦輪發(fā)動機(jī)動力部分(燃燒室、渦輪和尾噴管)等區(qū)域必須安裝火警探測器。

3)旋翼航空器上安裝的任一火警探測器必須是經(jīng)過批準(zhǔn)的、快速響應(yīng)的，即火警探測器需要依據(jù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行鑒定，比如TSO-C11e[13]規(guī)定了熱敏和火焰接觸型火警探測器需要滿足的要求，TSO-C79[14]則規(guī)定了輻射敏感型火警探測器需滿足的要求。

4)火警探測器的安裝位置和安裝數(shù)量需合理選擇，以保證迅速準(zhǔn)確地探測到指定區(qū)域內(nèi)所發(fā)生的火災(zāi)。在工程中，通過分析火區(qū)著火概率，判定易著火區(qū)域，來確定火警探測器位置和數(shù)量是比較有效的方法。以某型發(fā)動機(jī)為例，該方法具體實施步驟如下：

① 根據(jù)該型發(fā)動機(jī)構(gòu)型將其細(xì)分為4個區(qū)域，如圖1所示；

② 發(fā)動機(jī)艙發(fā)生火險的前提是存在可燃物的泄漏，同時具備火源，據(jù)此可以確定發(fā)動機(jī)艙發(fā)生火險的具體區(qū)域為1區(qū)-附件齒輪箱(AGB)區(qū)域、2區(qū)-進(jìn)氣道區(qū)域及3區(qū)-燃油歧管/排氣管區(qū)域；

圖1 某型發(fā)動機(jī)的區(qū)域劃分

③ 羅列1區(qū)所有可能的可燃物泄漏源以及每個泄漏源發(fā)生泄漏的概率，對列出的各項泄漏源泄漏概率進(jìn)行累加，得出該區(qū)發(fā)生可燃物泄漏的總概率λ1k，同理可分別得到2區(qū)、3區(qū)發(fā)生可燃物泄漏的總概率λ2k、λ3k；

(1)

④ 羅列1區(qū)所有可能的火源以及產(chǎn)生火花的故障概率，對列出的各項產(chǎn)生火花的故障概率進(jìn)行累加，得出該區(qū)產(chǎn)生火花的故障總概率λ1f，同理可分別得到2區(qū)、3區(qū)產(chǎn)生火花的故障總概率λ2f、λ3f；

(2)

⑤ 依據(jù)各區(qū)發(fā)生可燃物泄漏的總概率及對應(yīng)的火花的故障總概率，各區(qū)發(fā)生火險的故障概率可由下列公式計算得出：

λ=λk×λf

(3)

⑥ 利用故障樹的方式(圖2所示)綜合分析以上計算過程及數(shù)據(jù)，直觀得出各層(1、2、3區(qū))及頂層(發(fā)動機(jī)艙)的火情發(fā)生概率；

基于故障樹分析得出的各區(qū)火情發(fā)生概率，對于著火概率最高的區(qū)域優(yōu)先考慮安裝適當(dāng)數(shù)量的火警探測器，具體個數(shù)需由選用的火警探測器類型及探測范圍決定，對于著火概率極低的區(qū)域則可考慮不布置火警探測器。

2.2.2 29.1203(b)款解讀

本款規(guī)定了火警探測器的構(gòu)造和安裝要求，火警探測器組件及支撐結(jié)構(gòu)應(yīng)足夠牢固，經(jīng)得住維修裝卸，能承受運(yùn)行中可能遇到的任何振動、慣性和其它載荷。

2.2.3 29.1203(c)款解讀

本款對火警探測器的抗干擾能力提出了要求，即火警探測器不得受到可能出現(xiàn)的任何油、水、其它液體或氣體的影響，通?？梢詫⒒鹁綔y器的敏感元件用防護(hù)罩密封起來以減少外界干擾。

2.2.4 29.1203(d)款解讀

本款要求必須提供措施使機(jī)組成員能在飛行中對每個火警探測系統(tǒng)電路的功能進(jìn)行檢查，通過完成電氣線路、火警探測器等器件的自檢過程，機(jī)組成員能夠更好地掌握火警探測系統(tǒng)的狀態(tài)(正常工作、故障等)。

圖2 某型發(fā)動機(jī)艙火險故障樹分析

2.2.5 29.1203(e)款解讀

本款要求處于發(fā)動機(jī)艙內(nèi)的每個火警探測系統(tǒng)的導(dǎo)線和其它部件必須是滿足耐火要求的，即要能夠經(jīng)受1093.3±65.6℃火焰至少5 min而不喪失正常功能[15]，從而為機(jī)組人員判明著火情況，關(guān)閉相應(yīng)的發(fā)動機(jī)，切斷相應(yīng)的切斷閥提供適當(dāng)?shù)臅r間。

2.2.6 29.1203(f)款解讀

為了能準(zhǔn)確探測到火警發(fā)生的位置，及時撲滅火情，本款要求任何火區(qū)的火警探測系統(tǒng)部件不得穿過另一火區(qū)，除非火警探測系統(tǒng)部件所穿過的火區(qū)的著火不會導(dǎo)致火警探測系統(tǒng)發(fā)生假火警，或者所穿過的火區(qū)與該探測系統(tǒng)自身負(fù)責(zé)探測的火區(qū)是由同一探測系統(tǒng)和滅火系統(tǒng)同時防護(hù)的。

2.3 條款的適航性設(shè)計要求

通過深入挖掘本條款的內(nèi)涵，可以從中進(jìn)一步梳理出火警探測系統(tǒng)設(shè)計需重點(diǎn)滿足的適航性要求，具體如下：

1)為迅速準(zhǔn)確地探測到指定區(qū)域內(nèi)所發(fā)生的火災(zāi)，火警探測器的安裝位置和安裝數(shù)量應(yīng)結(jié)合火區(qū)安全性分析來布置，著火概率最高的區(qū)域優(yōu)先布置，對于著火概率極低的區(qū)域則可考慮不布置；

2)火警探測系統(tǒng)最好由多種不同類型(輻射型、溫升比式、過熱式等)的火警探測器組成[16]，具體選型可結(jié)合各火區(qū)的火情發(fā)生特點(diǎn)來匹配，同時任一火警探測器必須是經(jīng)過適航批準(zhǔn)的；

3)火警探測系統(tǒng)應(yīng)設(shè)計成在探測火警方面具有最高的可靠度，探測系統(tǒng)響應(yīng)時間不超過5s[13-14]，并能表明著火區(qū)具體位置；

4)火警探測器組件及支撐結(jié)構(gòu)設(shè)計應(yīng)足夠牢靠，經(jīng)得住維修裝卸，能承受運(yùn)行中可能遇到的任何振動、慣性和其它載荷；

5)火警探測器不得受到可能出現(xiàn)的任何油、水、其它液體或氣體的影響；

6)必須提供設(shè)計措施使機(jī)組成員能在飛行中檢查每個火警探測系統(tǒng)電路的功能；

7)位于火區(qū)內(nèi)的火警探測系統(tǒng)的線路及安裝組件必須能夠經(jīng)受1093.3±65.6℃火焰至少5 min而不喪失正常功能；

8)火警探測系統(tǒng)本身不助長或增加任何其它潛在危險，在整個著火期間能保持工作狀態(tài)，火焰熄滅時能給出指示，并能指示火焰的再次點(diǎn)燃；

9)兩臺或兩臺以上的發(fā)動機(jī)不應(yīng)依賴于任何一套探測電路，安裝于公共區(qū)域的探測設(shè)備要防止探測系統(tǒng)在兩臺發(fā)動機(jī)安裝之間分辨不清，而迫使一臺以上發(fā)動機(jī)停車。

3 條款符合性驗證思路

通過對本條款內(nèi)容的深入解讀，同時結(jié)合已有的工程取證經(jīng)驗，建議該條款的符合性驗證思路按如下展開：

1)通過火警探測系統(tǒng)設(shè)計描述文件和火區(qū)的著火概率分析，對火警探測器類型、數(shù)量、安裝位置等進(jìn)行分析說明，從而表明各指定火區(qū)及渦輪發(fā)動機(jī)動力部分(燃燒室、渦輪和尾噴管)等區(qū)域均布置了適當(dāng)?shù)幕鹁綔y器，能夠快速探明各區(qū)域的火警，并及時報警，指明具體著火位置；

2)通過火警探測系統(tǒng)的概率估算和使用經(jīng)驗，進(jìn)行安全性分析，說明火警探測系統(tǒng)具有最高可靠度，不會發(fā)出假警報，如果不能表明火警探測系統(tǒng)出現(xiàn)虛假指示是極不可能的，則應(yīng)提供確定火警指示有效性的輔助措施；

3)通過隨機(jī)飛行考核，驗證火警探測器的構(gòu)造和安裝在結(jié)構(gòu)上足夠牢固，能承受運(yùn)行中可能遇到的任何振動、慣性和載荷；

4)通過機(jī)上檢查等手段，對火警探測系統(tǒng)的電路功能、火警檢查開關(guān)等進(jìn)行機(jī)上地面測試，從而表明機(jī)上提供了措施使機(jī)組成員能在飛行中對各火警探測系統(tǒng)電路的功能進(jìn)行檢查，滿足設(shè)計要求；

5)通過火警探測系統(tǒng)設(shè)計描述文件和供應(yīng)商提供的設(shè)備合格性資料表明處于發(fā)動機(jī)艙內(nèi)的每個火警探測系統(tǒng)的導(dǎo)線和其它部件至少是滿足耐火要求的；

6)通過火警探測器供應(yīng)商提供的設(shè)計文件和相關(guān)驗證試驗等設(shè)備合格性資料表明火警探測器是經(jīng)過適航批準(zhǔn)的，不會受到可能出現(xiàn)的任何油、水、其它液體或氣體的影響。

4 總 結(jié)

通過研究火警探測系統(tǒng)條款的歷史版本和現(xiàn)行版本，解析了該條款歷次修訂的原因，并結(jié)合工程經(jīng)驗深入解讀了該條款的適航要求及技術(shù)內(nèi)涵，提出了依據(jù)各火區(qū)著火概率分析來確定高效的火警探測器安裝布置方案，提煉出條款的適航性設(shè)計要求，總結(jié)了適用于該條款的符合性驗證思路，為運(yùn)輸類旋翼航空器動力裝置火警探測系統(tǒng)的設(shè)計和適航驗證提供有益的參考依據(jù)。