董宏清，陳天杰，高占平

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

0 引言

在空氣空間運(yùn)行的任何航空器，其運(yùn)行必須面臨各種不同的氣象條件，如晴天、雷電、雨天和雪天等，而一些特殊的氣象條件是誘發(fā)飛行事故的重要因素。因此，世界各主要民航局發(fā)布的航空器適航規(guī)章中，均對不同氣象條件提出了適航防護(hù)要求。其中，2729.1093“進(jìn)氣系統(tǒng)的防冰”，針對采用渦輪發(fā)動機(jī)的旋翼航空器，提出了進(jìn)氣系統(tǒng)雪天運(yùn)行的適航要求。

1 2729.1093條款原文及修訂背景

1.1 條款原文

2729.1093規(guī)定了旋翼航空器進(jìn)氣系統(tǒng)雪天運(yùn)行的適航要求，由其中(b)(1)(ⅱ)項作了闡述，其條款原文如下(以下省略了與本研究內(nèi)容無關(guān)的條款原文)：

2729.1093 進(jìn)氣系統(tǒng)的防冰[1]

(b)渦輪發(fā)動機(jī)

(1)必須表明每臺渦輪發(fā)動機(jī)及其進(jìn)氣系統(tǒng)能在發(fā)動機(jī)整個飛行功率范圍(包括慢車)內(nèi)工作。

(ⅱ)在規(guī)定的旋翼航空器限制范圍內(nèi)，在降雪和揚(yáng)雪時沒有不利于發(fā)動機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)的影響。

1.2 修訂背景

美國聯(lián)邦航空適航規(guī)章FAR-2729部發(fā)布于1965年，其中包括2729.1093條“進(jìn)氣系統(tǒng)的防冰”。其后該條款共進(jìn)行了5次修訂，其中關(guān)于雪天防護(hù)要求的修訂共2次。

FAR-2729.1093首次發(fā)布時，僅針對活塞發(fā)動機(jī)提出了進(jìn)氣系統(tǒng)防冰的要求，沒有提出針對渦輪發(fā)動機(jī)的相關(guān)要求。1969年6月3日至6日，F(xiàn)AA召開了局方-工業(yè)界會議來對飛機(jī)發(fā)動機(jī)型號合格審定的有關(guān)規(guī)章進(jìn)行評審，提出了修訂29.1093條，增加渦輪發(fā)動機(jī)的進(jìn)氣系統(tǒng)雪天運(yùn)行的適航要求。經(jīng)過征詢公眾意見后，1974年10月1日，F(xiàn)AA正式發(fā)布修正案(29-10)，對FAR29.1093條進(jìn)行了修訂，明確規(guī)定了渦輪發(fā)動機(jī)在降雪和揚(yáng)雪條件下沒有不利于發(fā)動機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)的現(xiàn)象。

1975年5月13日，F(xiàn)AA發(fā)布規(guī)章制定建議公告(75-19)，對29.1093條再次提出修訂，要求發(fā)動機(jī)和進(jìn)氣系統(tǒng)部件的雪聚積必須不會影響發(fā)動機(jī)正常運(yùn)行，以防人們忽視發(fā)動機(jī)進(jìn)氣系統(tǒng)部件上雪的聚積。

經(jīng)過2次修訂，適航規(guī)章中對于進(jìn)氣系統(tǒng)雪天條件運(yùn)行的適航要求基本形成，其后的歷次修訂沒有提出實質(zhì)的修改。

2 直升機(jī)雪天運(yùn)行適航要求概要

直升機(jī)進(jìn)氣系統(tǒng)雪天運(yùn)行適航要求，是2729.1093條“進(jìn)氣系統(tǒng)的防冰”的一部分。直升機(jī)進(jìn)氣系統(tǒng)雪天運(yùn)行的危害，主要是降雪或揚(yáng)雪環(huán)境下，雪或由雪凝結(jié)而成的冰在發(fā)動機(jī)進(jìn)氣系統(tǒng)部件上堆積，從而影響發(fā)動機(jī)進(jìn)氣，當(dāng)達(dá)到一定程度時將對發(fā)動機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)產(chǎn)生不利影響。

2729.1093(b)要求必須表明每臺發(fā)動機(jī)及其進(jìn)氣系統(tǒng)能在發(fā)動機(jī)整個飛行功率范圍(包括慢車)內(nèi)工作，包括在旋翼航空器限制范圍的降雪和揚(yáng)雪條件下，均沒有不利于發(fā)動機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)或引起功率嚴(yán)重?fù)p失的冰聚積。其中，功率嚴(yán)重?fù)p失，是指要求駕駛員立即采取動作的任何功率喪失；對發(fā)動機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)的不利影響，是指妨礙發(fā)動機(jī)達(dá)到旋翼航空器飛行手冊性能額定值的影響。

對于活塞式發(fā)動機(jī)，2729.1093(a)、(c)規(guī)定了進(jìn)氣系統(tǒng)的溫升要求，而沒有具體規(guī)定雪天運(yùn)行的相關(guān)驗證要求，即滿足條款規(guī)定的溫升要求則符合雪天運(yùn)行要求。

3 直升機(jī)雪天運(yùn)行合格審定類別

2729.1093條規(guī)定渦輪發(fā)動機(jī)及其進(jìn)氣系統(tǒng)應(yīng)在降雪和揚(yáng)雪條件下，在所制定的旋翼航空器限制內(nèi)能滿意地工作。條款規(guī)定在“在所制定的旋翼航空器限制內(nèi)”進(jìn)行合格審定，即表示可以采用飛行手冊限制章節(jié)中對雪中飛行的限制，代替降雪和揚(yáng)雪條件的符合性演示。“在所制定的旋翼航空器限制內(nèi)”，并不適用于對于雪況和雪天運(yùn)行時間等的限制，因為這些限制是難以確定、驗證以及由飛行員準(zhǔn)確判斷、把握的。

一直以來，在直升機(jī)研制和適航取證過程中，直升機(jī)雪天運(yùn)行審定方式普遍分為2類：允許雪天運(yùn)行和限制雪天運(yùn)行。如果飛行手冊中沒有雪中飛行的限制，即表示允許直升機(jī)在雪天運(yùn)行，則需要進(jìn)行雪天飛行的符合性驗證。按照限制雪天運(yùn)行進(jìn)行合格審定，則需要在飛行手冊中給出明確限制[2]。

然而在實際型號合格審定過程中，由于進(jìn)行雪天飛行的符合性驗證條件極為嚴(yán)酷，通常很難滿足該條件，而按照限制雪天運(yùn)行方式進(jìn)行合格審定，很難完全避免實際運(yùn)行過程中偶遇降雪條件，因此，傳統(tǒng)的合格審定方式存在著一些實際操作性差和不完全適航的問題。為此， FAA經(jīng)過研究提出對直升機(jī)雪天運(yùn)行合格審定類進(jìn)行調(diào)整，并修訂了正常類和運(yùn)輸類旋翼航空器適航規(guī)定的咨詢通告AC27-1B change4(第四次修訂)、AC29-2C change4(第四次修訂)，對雪天運(yùn)行合格審定的類別和驗證方法重新進(jìn)行了闡述。

根據(jù)最新的咨詢通告，直升機(jī)進(jìn)氣系統(tǒng)雪天運(yùn)行合格審定方式分為三類：

1)完全雪天運(yùn)行：須進(jìn)行完全降雪和揚(yáng)雪條件運(yùn)行演示；

2)限制雪天運(yùn)行：須進(jìn)行偶遇降雪和揚(yáng)雪條件運(yùn)行演示，同時手冊中限制直升機(jī)在已知的降雪和揚(yáng)雪條件運(yùn)行；

3)禁止雪天運(yùn)行：在手冊中限制最低運(yùn)行溫度為5℃[3]。

上述修訂后的合格審定分類中，較此前的要求有以下2方面變化：

1)將降雪和揚(yáng)雪條件分為完全和偶遇的降雪與揚(yáng)雪條件，正常不限制雪天運(yùn)行合格審定需按照完全降雪和揚(yáng)雪條件進(jìn)行試驗演示，而限制雪天運(yùn)行合格審定需按照偶遇降雪和揚(yáng)雪條件進(jìn)行試驗演示。完全降雪和揚(yáng)雪條件與偶遇降雪和揚(yáng)雪條件的差別在于降雪量大小的不同。降雪量大小通過雪天能見度表示，該降雪量大小僅用于區(qū)分不同合格審定類別下的演示試驗的條件，而不能以降雪量(或能見度)作為實際運(yùn)行的限制要求。

2)將有關(guān)雪天運(yùn)行的限制分為限制雪天運(yùn)行和禁止雪天運(yùn)行：限制雪天運(yùn)行，即限制進(jìn)入已知的降雪和揚(yáng)雪條件環(huán)境，需要進(jìn)行偶遇降雪和揚(yáng)雪條件演示，以確保能夠在實際運(yùn)行中偶遇降雪和揚(yáng)雪時能正常運(yùn)轉(zhuǎn)；而禁止雪天飛行，則要求限制最低運(yùn)行溫度為5℃，以有效避免實際運(yùn)行中偶遇降雪和揚(yáng)雪條件。如采取禁止雪天運(yùn)行的限制，那么將嚴(yán)重影響直升機(jī)的使用范圍和出勤率，直升機(jī)的市場需求將大打折扣。

4 降雪和揚(yáng)雪條件試驗要求

根據(jù)上述分析，除非按照完全禁止雪天運(yùn)行，否則必須進(jìn)行降雪和揚(yáng)雪條件的運(yùn)行演示，以下對降雪和揚(yáng)雪條件試驗要求進(jìn)行分析研究。

4.1 總體試驗要求

針對完全雪天運(yùn)行和限制雪天運(yùn)行兩類合格審定方式，降雪和揚(yáng)雪條件分為完全降雪和揚(yáng)雪條件、偶遇降雪和揚(yáng)雪條件，試驗條件具體如下：

1)完全降雪和揚(yáng)雪條件，適用于完全雪天運(yùn)行合格審定，具體要求如下：

能見度：402m或更少；

溫 度：-4℃至1℃，最好能在-2℃至1℃范圍內(nèi)，除非認(rèn)為其它溫度是臨界的；

運(yùn) 行：地面運(yùn)行—20 min，

有地效懸?！? min，

水平飛行—1 h，

下降和著陸。

2)偶遇降雪和揚(yáng)雪條件，適用于限制雪天運(yùn)行合格審定，具體要求如下：

能見度： 1609m或更少；

溫 度：-4℃至1℃，最好能在-2℃至 1℃范圍內(nèi)，除非認(rèn)為其它溫度是臨界的；

運(yùn) 行：地面運(yùn)行—20 min，

有地效懸?！? min，

水平飛行—1 h，

下降和著陸。

上述兩者差異為：完全降雪和揚(yáng)雪條件要求試驗?zāi)芤姸葹?02m，而偶遇降雪和揚(yáng)雪條件，為1609m。

4.2 試驗要求說明

上述試驗條件—能見度、溫度和運(yùn)行狀態(tài)都是FAA根據(jù)以往的合格審定試驗計劃、適航當(dāng)局指南以及FAA 技術(shù)中心和其它部門的研究成果制定的。

1)能見度

即代表著雪密度。根據(jù)加拿大國家研究委員會的J．R．斯多拉伯雷斯先生的研究，對于各種類型的雪花，能見度與雪密度之間的關(guān)系式為V=374.9/C0.7734，其中C是雪密度(g/m3)，V是能見度(m)[2]。

能見度的測量，應(yīng)在沒有霧或重復(fù)循環(huán)雪的下雪天氣中，由一位觀察者站在試驗旋翼航空器的影響區(qū)之外的試驗地點做目視測量。即要求測量的能見度是因為自然降雪的原因，而不能受光線或旋翼航空器旋翼氣流等導(dǎo)致的重復(fù)循環(huán)雪等因素影響[2]。

此處規(guī)定的試驗?zāi)芤姸?02m，表示旋翼空器服役使用中最有可能遇到的嚴(yán)重暴風(fēng)雪。根據(jù)FAA的調(diào)查研究，已按402m能見度試驗標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行合格審定的旋翼航空器，沒有出現(xiàn)過發(fā)動機(jī)進(jìn)氣口有雪而造成使用困難[2]。需要注意，此規(guī)定的能見度是一個試驗參數(shù)，而不是在試驗完成后對旋翼航空器的運(yùn)行限制。

規(guī)定的能見度(402m或更近)相對應(yīng)的雪密度在自然界中極為困難。加拿大渥太華的研究資料表明，在那里遇到的只有不足4%的暴風(fēng)雪能滿足與402m能見度相應(yīng)的0.91 g/m3雪密度要求，而且，在試驗期間出現(xiàn)所希望的雪密度的可能性更是極小[2]。鑒于這種試驗的現(xiàn)實性，實際很可能不能達(dá)到試驗條件的嚴(yán)格指標(biāo)。因此在合格審定中，對這種情況是否采用替代方法，必須進(jìn)行準(zhǔn)確的判斷。

2)溫度

規(guī)定的環(huán)境溫度有助于產(chǎn)生濕雪條件。制造公司的研制試驗或非常相似型號的進(jìn)氣系統(tǒng)經(jīng)驗，足可用來確定合格審定試驗的臨界環(huán)境條件。

3)試驗環(huán)境

通常要求在自然的降雪條件下進(jìn)行演示。人工降雪是一種極好的研究方法，并且已成功地用來指示進(jìn)氣系統(tǒng)中的潛在問題，但這些設(shè)備通常限于懸停和地面評定使用，并且由這些設(shè)備制造的雪片與自然雪花并不十分相似，因此，通常不推薦使用人造雪進(jìn)行驗證，除非有必要的理由。

4)試驗狀態(tài)和時間

地面運(yùn)轉(zhuǎn)及懸停試驗時間為25min，這是根據(jù)在極端條件下，從駕駛員的工作強(qiáng)度和實際運(yùn)行中起飛前最長滑行時間而確定的一個較為合理的時間。

水平飛行1h，為出現(xiàn)危險的雪積聚提供充分的時間和機(jī)會。

下降和著陸會引起發(fā)動機(jī)功率、進(jìn)氣系統(tǒng)氣流以及進(jìn)氣系統(tǒng)入口附近的外部氣流流線圖發(fā)生變化。下降和著陸最后拉平也會產(chǎn)生傳給進(jìn)氣系統(tǒng)的附加機(jī)體振動。這些功率、氣流和振動變化都會對任何水平飛行下積雪被吸入發(fā)動機(jī)造成機(jī)會。在任何試驗期間或試驗之后產(chǎn)生危險量的積雪都是不可接受的。

5)平飛速度

對于按目視飛行規(guī)則飛行的旋翼航空器，水平飛行試驗狀態(tài)的空速應(yīng)為符合能見度條件的最大空速。對于儀表飛行規(guī)則的運(yùn)行，空速應(yīng)是最大巡航速度或飛行手冊限制中對雪天飛行規(guī)定的最大速度，除非其它的空速被認(rèn)為更臨界。按目視飛行規(guī)則合格審定的許多旋翼航空器，如果后來申請按儀表飛行規(guī)則進(jìn)行合格審定，可能會增加雪中水平飛行的空速。因此，如果預(yù)計將來采用儀表飛行規(guī)則合格審定，那么應(yīng)提前考慮這個因素。

6)等效的試驗程序

① 可考慮在重復(fù)循環(huán)的雪中的地面運(yùn)行和有地效懸停時間限制不超過25 min。時間結(jié)束后停車，并檢查進(jìn)氣系統(tǒng)或轉(zhuǎn)換到一個安全的飛行狀態(tài)。在這個狀態(tài)下，演示表明水汽的積聚不會加劇或散發(fā)，也不會引起發(fā)動機(jī)工作問題。

② 對于某些發(fā)動機(jī)進(jìn)氣系統(tǒng)，通過檢查水分的積聚，可能發(fā)現(xiàn)以下明顯情況，即在重復(fù)循環(huán)的雪中地面運(yùn)行和有地效懸停時的水分積聚比水平飛行試驗時嚴(yán)重得多。在這種情況下，可延長重復(fù)循環(huán)的雪中有地效懸停時間，同時減少平飛時間，但應(yīng)保證應(yīng)至少進(jìn)行一定時間的402m(或更小)能見度下的水平飛行，以保證試驗覆蓋全部各個運(yùn)行階段。

7)揚(yáng)雪試驗

上述規(guī)定的試驗是演示在自然降雪條件的飛行，地面運(yùn)行和有地效懸停試驗條件假定是在重復(fù)循環(huán)雪中運(yùn)行。如果旋翼航空器在剛下的雪上空緩慢地持續(xù)飛行，則因旋翼氣流重復(fù)循環(huán)造成的揚(yáng)雪，預(yù)計可能比自然揚(yáng)雪更嚴(yán)重。因此，揚(yáng)雪飛行能力，通常采用在重復(fù)雪中滑行和懸停來飛行演示。應(yīng)通過在重復(fù)雪中滑行和懸停來飛行演示揚(yáng)雪飛行能力。

8)試驗合格判定要求

在該條件下的試驗演示，發(fā)動機(jī)、進(jìn)氣系統(tǒng)和附近的整流罩表面應(yīng)沒有過量的雪、冰和水積聚。過量的積聚定義為它可能引起發(fā)動機(jī)不穩(wěn)定、損壞或發(fā)動機(jī)功率嚴(yán)重喪失。如果對進(jìn)氣口中積聚的雪或水氣量有疑問，則申請人可選用這個量的雪或水和冰(根據(jù)適用性)進(jìn)行演示，讓其由發(fā)動機(jī)吸入而不造成發(fā)動機(jī)喘振、熄火或損壞。

5 型號案例綜合分析

根據(jù)相關(guān)資料，收集到國內(nèi)外幾個型號的關(guān)于進(jìn)氣系統(tǒng)雪天運(yùn)行的合格審定方式和驗證方法，具體如下：

1) SA365N直升機(jī)，即海豚直升機(jī)，由原法國航宇工業(yè)公司于20世紀(jì)70年代研制，兩臺發(fā)動機(jī)，單旋翼+涵道式尾槳構(gòu)型，最大起飛重量為4300kg。該直升機(jī)按完全雪天運(yùn)行進(jìn)行合格審定，驗證情況如下：

① 風(fēng)雪地飛行(揚(yáng)雪試驗)

試飛條件：直升機(jī)在野外小雪中過夜(外界溫度為-11℃)，進(jìn)氣口、旋翼槳轂、涵道尾槳有保護(hù)罩。

試飛內(nèi)容：發(fā)動機(jī)開車，在低空以低速飛行，將雪揚(yáng)起。

試飛結(jié)果：進(jìn)氣系統(tǒng)沒有發(fā)生積雪，吸入雪量很小，發(fā)動機(jī)工作正常，沒有運(yùn)轉(zhuǎn)故障。

② 降雪中飛行(2次試驗)—第1次

試飛條件：外界大氣溫度-4℃，能見度估計低于450m。

試飛內(nèi)容：指示空速以204km/h飛行6min，148km/h飛行14min。

試飛結(jié)果：進(jìn)氣網(wǎng)格上有少量溶雪，發(fā)動機(jī)工作正常(除在地面階段曾發(fā)生因直徑80mm雪球射向進(jìn)氣道網(wǎng)格而導(dǎo)致發(fā)動機(jī)停車)。

③ 降雪中飛行—第2次

試飛條件：外界大氣溫度-1℃至-2℃，能見度估計低于500m。

試飛內(nèi)容：低空盤旋飛行，共5個起落，時間為85min，絕大部分時間平均速度為185～204km/h，最后階段以最大連續(xù)功率飛行，速度以287～296km/h，大約飛行12min。

試飛結(jié)果：未出現(xiàn)發(fā)動機(jī)工作不正常情況。

2)EC175直升機(jī)(Z15型直升機(jī))，21世紀(jì)中法聯(lián)合研制的先進(jìn)中型直升機(jī)，兩發(fā)+單旋翼+尾槳構(gòu)型，最大起飛重量7500kg。該直升機(jī)按照限制雪天運(yùn)行進(jìn)行合格審定，手冊中規(guī)格了雪天運(yùn)行的限制，僅進(jìn)行了揚(yáng)雪條件試驗演示。

3)AC313直升機(jī)，中國直升機(jī)設(shè)計研究所于21世紀(jì)研制的大型直升機(jī)，三發(fā)+單旋翼+尾槳構(gòu)型，最大起飛重量13800kg。該直升機(jī)按照限制雪天運(yùn)行進(jìn)行合格審定，手冊中規(guī)定了雪天運(yùn)行的限制，僅進(jìn)行了揚(yáng)雪條件試驗演示，具體如下：

試驗條件：外界溫度為-27℃，地面積雪10～20cm，并經(jīng)人工鏟松，使其為蓬松狀態(tài)。

試驗內(nèi)容：起動三臺發(fā)動機(jī)至地慢狀態(tài)，穩(wěn)定4min；加速至飛行狀態(tài)，穩(wěn)定5min；提總距桿至發(fā)動機(jī)總扭為40%，穩(wěn)定8min；放總距桿至低距，穩(wěn)定5min；迎風(fēng)起飛，離地高度3m，實際穩(wěn)定10min。

試驗結(jié)果：在進(jìn)氣防護(hù)網(wǎng)和進(jìn)氣兜壁面上未發(fā)現(xiàn)明顯的雪、水分和冰積累；APU和三臺發(fā)動機(jī)起動過程正常，未出現(xiàn)超溫、喘振、懸掛等現(xiàn)象。

上述型號取證時并沒有嚴(yán)格地規(guī)定三類雪天運(yùn)行的適航要求。EC175和AC313直升機(jī)通過限制雪天運(yùn)行(沒有限制5℃以上運(yùn)行)，并開展了部分揚(yáng)雪試驗(但沒有開展偶遇降雪和揚(yáng)雪條件的演示)以表明符合條款要求。SA365N直升機(jī)沒有雪天運(yùn)行的限制，進(jìn)行了較為嚴(yán)格的降雪和揚(yáng)雪條件演示試驗，其試驗條件接近但未能符合完全降雪和揚(yáng)雪條件演示的要求，其中能見度為450m，未達(dá)到402m的要求，而適航當(dāng)局接受了該試驗。

6 結(jié)論

目前，世界范圍內(nèi)民用直升機(jī)仍普遍存在限制雪天飛行的情況，而采取限制雪天飛行時往往忽視了需要驗證在偶遇降雪和揚(yáng)雪條件的運(yùn)行能力，對直升機(jī)的適航性有一定的影響。特別是在國內(nèi)，由于極難達(dá)到符合要求的降雪條件，暫沒有直升機(jī)開展完全的或偶遇的降雪和揚(yáng)雪條件演示。本文根據(jù)FAA最新修訂的咨詢通告，結(jié)合國內(nèi)外型號驗證經(jīng)驗，對直升機(jī)雪天運(yùn)行的適航要求進(jìn)行梳理研究，將直升機(jī)進(jìn)氣系統(tǒng)雪天運(yùn)行合格審定分為完全雪天運(yùn)行、限制雪天運(yùn)行和禁止雪天運(yùn)行三類，分別給出不同類別的限制和符合性驗證內(nèi)容，以及詳細(xì)的驗證試驗方法的解釋，對于民用直升機(jī)型號適航取證具有一定的指導(dǎo)價值。