发动机不可控高推力的失效状态分析

李 婧

（上海飞机设计研究院，中国 上海 201210）

0 引言

CCAR25-R4运输类飞机适航标准中25.901(c)条款中规定：对于动力装置和辅助动力装置的安装，必须确认任何单个失效或故障或可能的失效组合都不会危及飞机的安全运行。一般情况下，飞机的主制造商都认为存在某种单个失效和可能的失效组合会导致机组无法通过正常的方法来减少过大的发动机推力（功率），例如油门杆卡阻、燃油计量阀故障或者发动机控制在“固定故障”模式下等。

1 发动机不可控高推力的故障描述

工程模拟器试验和飞机运营数据分析，包括在1997年沙特阿拉伯航空公司B737-200空难事故，都表明在丧失发动机推力（功率）正常控制的情况下，即使通过独立的燃油切断开关关闭故障发动机，飞行机组不能总是有能力安全地处理这样的故障。

传统发动机控制系统内部的多数单个失效和预期的故障组合会导致丧失正常的方法控制过大的发动机推力（功率）或者发动机推力方向。当油门杆指令在低推力（功率）时，可能会存在任一发动机推力（功率）增加到显著高于油门杆指令的情况，或者是保持在高推力状态。例如，当燃油计量装置卡在某位置时，飞行机组丧失用油门杆或者自动油门控制推力的能力。当燃油计量装置卡在最大燃油流量位置时，发动机推力持续增加，直至达到发动机限制或采取某些干预措施为止。“发动机限制”可能是独立的发动机控制限制，如发动机超速保护系统；也可能是发动机的固有物理限制，如发动机失速。同时，干预措施也包括一些恢复正常控制的操作，或者利用独立的燃油切断阀关闭故障发动机等。

2 发动机不可控高推力的失效状态分析

发动机不可控高推力的故障及其危害，长期存在于运输类飞机设计之中。实际上，传统的发动机一般采用“失效—安全”方式进行发动机高推力的保护，并且允许飞行机组在适当的时机或者飞行阶段关闭故障发动机。美国联邦航空局表明：绝大多数的飞机都存在可预知的故障状态，机组无法在其演变为重大危害或灾难性故障前意识到并且采取措施减轻此类故障。此类故障的失效状态需要强调在以下九种情况重点分析：

2.1 起飞异常中断情景1#

不可控高推力故障在起飞滑跑期间，处于功率设置和决断起飞速度之间时发生。由于不正常的发动机运行导致起飞异常中断（如无法达到推力等级、超过推力等级或红线，油门杆不响应，发动机之间的参数不匹配等）；工作正常的发动机推力正常下降，但是故障发动机仍处于高推力状态，由此导致的推力不对称致使飞机偏出跑道，如果跑道没有足够的有效安全区域，则容易发生灾难性事故。

2.2 起飞异常中断情景2#

不可控高推力故障在起飞滑跑期间，处于功率设置和决断起飞速度之间时发生。由于不正常的发动机运行导致起飞异常中断（如无法达到推力等级、超过推力等级或红线，油门杆不响应，发动机之间的参数不匹配等）；工作正常的发动机推力正常下降，但是故障发动机仍处于高推力状态，由此导致的过高净推力致使飞机冲出跑道，如果跑道没有足够的有效安全区域，则容易发生灾难性事故。

2.3 复飞情景 1#

不可控高推力故障状态在进近/拉平时出现，飞行员无法对准跑道中心线而开始复飞，但是如果不能及时克服飞机的下降率，有可能在跑道侧面降落（灾难性故障状态）。

2.4 复飞情景 2#

不可控高推力故障状态在进近/拉平时出现，飞行员试图对准跑道中心线而开始复飞，但是如果不能及时克服飞机的下降率，则发生飞机翼尖触地的灾难性失效状态。

2.5 复飞情景 3#

不可控高推力故障状态通常发生在最后进近阶段，飞行员试图通过方向舵输入进行补偿，但是无法对准跑道便开始复飞；当正常工作的发动机加速到复飞推力时，故障发动机达到其超速限制，突然被发动机超速保护系统切断燃油流量，此时需要飞行机组额外的技巧才能完成方向舵反向以保持安全状态。如果飞行机组失去对飞机的控制，则没有足够的高度可以恢复（灾难性失效状态）。

2.6 着陆情景 1#

不可控高推力故障状态发生在最后进近阶段，飞行机组试图对准跑道并继续着陆，结果发生飞机翼尖在跑道内或者跑道外触地（灾难性故障状态）。

2.7 着陆情景 2#

不可控高推力故障状态通常发生在进近的最后阶段，飞行机组无法对准跑道并继续着陆，工作正常的发动机推力正常下降，但是故障发动机仍处于高推力状态；由此导致的推力不对称致使飞机高速偏离跑道（灾难性故障状态）。

2.8 着陆情景 3#

不可控高推力故障状态发生在最后进近阶段，工作正常的发动机推力正常下降，但是故障发动机仍处于高推力状态，飞行机组对不对称推力进行补偿操作，延长着陆距离，并最终关闭发动机。然而延长着陆对着陆性能的影响和额外时间的高推力导致飞机高速偏离跑道（灾难性故障状态）。

2.9 着陆情景 4#

不可控高推力故障发生在着陆时反推力装置应用的初始阶段，故障发动机的反推力增加。飞行机组认为横向控制问题是由于反推力的展开，收回反推力；正常发动机的推力减小，反推力按命令收回，而故障发动机处于高推力状态时，反推力装置由于过高的气动压力无法收回，发动机推力的不对称导致飞机高速偏离出跑道（灾难性故障状态）。

3 发动机不可控高推力的故障风险计划

如果要向美国联邦航空局表明CCAR25-R4运输类飞机适航标准中25.901(c)条款的符合性，那么基于以上九种失效状态需要提供以下风险计划：

1）确定并描述可能导致不可控高推力故障的部件故障，通过系统的故障分析完成每个部件和部件组合的故障概率分析。

2）确定所有定义的不可控高推力故障符合所有适航条款的工作和环境条件，通过飞行试验、工程模拟器试验的方法验证。

3）确定并描述定义的不可控高推力故障状态不符合现有的25.901(c)的环境条件。

4）确定并描述定义的不可控高推力相关的不符合性，应该包括最严重的预期结果。

5）通过系统的故障分析进行数值分析不可控高推力故障状态会危及飞机“不能持续安全飞行”的概率。

6）制定对策方案，如设计补偿特征、改进程序、部件寿命、故障检查和在役监控程序，使在机队运营的整个寿命期间，不可控高推力故障导致的风险减到最小。

7）评估采取何种措施可以使改进方案完全符合25.901(c)的要求。

［1］Federal Aviation Administration.Memorandum-Policy statement on Thrust control malfunction airworthiness program[Z].2003.

［2］中国民用航空总局.CCAR25-R4运输类飞机适航标准[S].北京：中国民用航空局，2011.