运输类旋翼航空器火警探测系统适航要求研究

陈天杰，董宏清，王世杰

(中国直升机设计研究所，江西 景德镇 333001)

0 引言

多年来，因发动机起火引发的航空器事故在国内外时有发生，严重威胁着航空器的安全运行。对于在低空空域运行的直升机而言，其发动机长期运转在十分恶劣的环境，由于机件严重磨损、燃油泄漏、电气着火等原因，包括发动机在内的动力装置极有可能会出现着火风险。若火情不能被及时有效地控制住，不仅会严重损坏动力装置，还会导致整个直升机被烧毁，甚至爆炸解体。为了在动力装置起火时，飞行机组能够及时知晓火情，并采取相应措施迅速排险以保障机上人员安全，现代直升机动力装置安装有火警探测系统[1-3]。火警探测系统一般由火警探测器、火警信号电气处理电路及告警系统等三部分组成，其主要功能是及时有效地探测火警并发出告警信号[4-5]。目前，火警探测器类别众多[6]，系统设计的可靠度也大大提高。为了确保民用航空器能以最低安全标准正常运行[7]，火警探测系统的设计必须满足相应的民用适航规章要求。

本文通过研究FAR 29.1203条款的具体内容，参考该条款历次修订过程中FAA发布的拟定规章制定通告(NPRM)和最终规章法案(Final Rule)，分析了该条款历次修订的原因，并结合工程经验对该条款的适航要求及技术内涵进行了深入解读，提出了依据各火区着火概率来安装布置火警探测器的方法，提炼出条款的适航设计要求，总结了适用于该条款的符合性验证思路，从而为运输类旋翼航空器动力装置火警探测系统的设计和适航验证提供参考依据。

1 条款修订历史及原因

1.1 修订历史

本条款FAR已历经2次修订(表1)，现行有效版本是FAR修正案29-3。

表1 FAR 29.1203历次修订汇总

1.2 条款修订原因分析

1.2.1 第1次修订

1964年5月20日，FAA发布NPRM 64-30[8]，提出将民用航空条例(CAR 7)的部分条款要求重新编制成FAR 29(新)。1965年2月1日生效的Final Rule 5084[9]正式发布了FAR 29(新)，以替代CAR 7作为运输类旋翼航空器适航审定标准。首次发布的FAR 29(新)对原规章的语言进行了简化，使得表述更加清楚，并删除了过时或冗余的条款。同时，通过重新编排章节号，使得FAR 29(新)与FAR 23(新)、FAR 25(新)以及FAR 27(新)中的类似要求具有相同的编号，有助于各规章修订时相互参考。其中，FAR 29.641 “火警探测系统”主要依据CAR 7.485的内容编排而来，FAR 29(新)正式生效时，条款号最终被改为29.1203，但规章内容并未有实质性修改。

1.2.2 第2次修订

为了明确无需在指定火区安装经批准的火警探测器的旋翼航空器范围仅限于安装气缸容量不大于0.0148m3的活塞式发动机的B类旋翼航空器，不致使人误解此豁免可以类推至具有等效功率级别的涡轮发动机，1965年12月21日，FAA发布NPRM 65-42[10]，拟对FAR 29.1203条(a)款进行修订。有反馈意见认为，此豁免对于具有同等推力参数的涡轮发动机也是有效的。FAA起初也同意此豁免或许可以延伸至部分涡轮发动机，但在经过研究后，FAA最终认为此豁免延伸至部分涡轮发动机是不恰当的。

因此，1968年2月25日生效的Final Rule 7087[11]中涵盖的修正案29-3明确了FAR 29.1203(a)款的修订：除了气缸容量不大于0.0148m3的B类旋翼航空器外，其它运输类旋翼航空器在指定区域必须有经批准的火警探测器；此外，对于涡轮发动机的燃烧室、涡轮和尾喷管部分，不管其是否为指定火区，必须有火警探测系统。即将“除装有气缸容量不大于0.0148 m3的B类旋翼航空器之外的所有旋翼航空器，在指定火区必须有…”改为“装有涡轮发动机的旋翼航空器和装有活塞发动机的A类旋翼航空器，以及装有气缸容量大于0.0148 m3的活塞发动机的B类旋翼航空器，在指定火区和涡轮发动机安装的燃烧室、涡轮和尾喷管部分(不管这部分是否指定火区)，均必须有……”。

2 条款适航性设计解读

2.1 条款原文

FAR修正案29-3与国内现行有效的CCAR-29-R2中29.1203条内容一致，条款原文如下[12]：

第 29.1203 条火警探测系统

(a)对装有涡轮发动机的旋翼航空器和装有活塞发动机的A类旋翼航空器，以及装有气缸容量大于0.0148 m3的活塞发动机的B类旋翼航空器，在指定火区和涡轮发动机安装的燃烧室、涡轮和尾喷管部分(不管这部分是否指定火区)，均必须有经批准的、快速动作的火警探测器，其数量和位置要保证迅速探测这些区域内的火警。

(b)每一火警探测器的构造和安装必须能承受运行中可能遇到的任何振动、惯性和其它载荷。

(c)火警探测器不得受到可能出现的任何油、水、其它液体或气体的影响。

(d)必须有措施使机组成员在飞行中能检查每个火警探测系统电路的功能。

(e)在发动机舱内的每个火警探测系统的导线和其它的部件必须至少是耐火的。

(f)任何火区的火警探测系统部件不得穿过另一火区，但具备下列条件之一者除外：

(1)能够防止由于所穿过的火区着火而发生假火警的可能性；

(2)所涉及的火区是由同一探测系统和灭火系统同时防护的。

2.2 条款的适航性解读

2.2.1 29.1203(a)款解读

1)本款规定了必须安装火警探测系统的旋翼航空器类型：以气缸容量大于0.0148 m3的活塞式发动机为动力的B类旋翼航空器；以活塞式发动机为动力的A类旋翼航空器；以涡轮发动机为动力的旋翼航空器。

2)本款明确了指定火区及无论是否在指定火区的涡轮发动机动力部分(燃烧室、涡轮和尾喷管)等区域必须安装火警探测器。

3)旋翼航空器上安装的任一火警探测器必须是经过批准的、快速响应的，即火警探测器需要依据相关标准进行鉴定，比如TSO-C11e[13]规定了热敏和火焰接触型火警探测器需要满足的要求，TSO-C79[14]则规定了辐射敏感型火警探测器需满足的要求。

4)火警探测器的安装位置和安装数量需合理选择，以保证迅速准确地探测到指定区域内所发生的火灾。在工程中，通过分析火区着火概率，判定易着火区域，来确定火警探测器位置和数量是比较有效的方法。以某型发动机为例，该方法具体实施步骤如下：

① 根据该型发动机构型将其细分为4个区域，如图1所示；

② 发动机舱发生火险的前提是存在可燃物的泄漏，同时具备火源，据此可以确定发动机舱发生火险的具体区域为1区-附件齿轮箱(AGB)区域、2区-进气道区域及3区-燃油歧管/排气管区域；

图1 某型发动机的区域划分

③ 罗列1区所有可能的可燃物泄漏源以及每个泄漏源发生泄漏的概率，对列出的各项泄漏源泄漏概率进行累加，得出该区发生可燃物泄漏的总概率λ1k，同理可分别得到2区、3区发生可燃物泄漏的总概率λ2k、λ3k；

(1)

④ 罗列1区所有可能的火源以及产生火花的故障概率，对列出的各项产生火花的故障概率进行累加，得出该区产生火花的故障总概率λ1f，同理可分别得到2区、3区产生火花的故障总概率λ2f、λ3f；

(2)

⑤ 依据各区发生可燃物泄漏的总概率及对应的火花的故障总概率，各区发生火险的故障概率可由下列公式计算得出：

λ=λk×λf

(3)

⑥ 利用故障树的方式(图2所示)综合分析以上计算过程及数据，直观得出各层(1、2、3区)及顶层(发动机舱)的火情发生概率；

基于故障树分析得出的各区火情发生概率，对于着火概率最高的区域优先考虑安装适当数量的火警探测器，具体个数需由选用的火警探测器类型及探测范围决定，对于着火概率极低的区域则可考虑不布置火警探测器。

2.2.2 29.1203(b)款解读

本款规定了火警探测器的构造和安装要求，火警探测器组件及支撑结构应足够牢固，经得住维修装卸，能承受运行中可能遇到的任何振动、惯性和其它载荷。

2.2.3 29.1203(c)款解读

本款对火警探测器的抗干扰能力提出了要求，即火警探测器不得受到可能出现的任何油、水、其它液体或气体的影响，通常可以将火警探测器的敏感元件用防护罩密封起来以减少外界干扰。

2.2.4 29.1203(d)款解读

本款要求必须提供措施使机组成员能在飞行中对每个火警探测系统电路的功能进行检查，通过完成电气线路、火警探测器等器件的自检过程，机组成员能够更好地掌握火警探测系统的状态(正常工作、故障等)。

图2 某型发动机舱火险故障树分析

2.2.5 29.1203(e)款解读

本款要求处于发动机舱内的每个火警探测系统的导线和其它部件必须是满足耐火要求的，即要能够经受1093.3±65.6℃火焰至少5 min而不丧失正常功能[15]，从而为机组人员判明着火情况，关闭相应的发动机，切断相应的切断阀提供适当的时间。

2.2.6 29.1203(f)款解读

为了能准确探测到火警发生的位置，及时扑灭火情，本款要求任何火区的火警探测系统部件不得穿过另一火区，除非火警探测系统部件所穿过的火区的着火不会导致火警探测系统发生假火警，或者所穿过的火区与该探测系统自身负责探测的火区是由同一探测系统和灭火系统同时防护的。

2.3 条款的适航性设计要求

通过深入挖掘本条款的内涵，可以从中进一步梳理出火警探测系统设计需重点满足的适航性要求，具体如下：

1)为迅速准确地探测到指定区域内所发生的火灾，火警探测器的安装位置和安装数量应结合火区安全性分析来布置，着火概率最高的区域优先布置，对于着火概率极低的区域则可考虑不布置；

2)火警探测系统最好由多种不同类型(辐射型、温升比式、过热式等)的火警探测器组成[16]，具体选型可结合各火区的火情发生特点来匹配，同时任一火警探测器必须是经过适航批准的；

3)火警探测系统应设计成在探测火警方面具有最高的可靠度，探测系统响应时间不超过5s[13-14]，并能表明着火区具体位置；

4)火警探测器组件及支撑结构设计应足够牢靠，经得住维修装卸，能承受运行中可能遇到的任何振动、惯性和其它载荷；

5)火警探测器不得受到可能出现的任何油、水、其它液体或气体的影响；

6)必须提供设计措施使机组成员能在飞行中检查每个火警探测系统电路的功能；

7)位于火区内的火警探测系统的线路及安装组件必须能够经受1093.3±65.6℃火焰至少5 min而不丧失正常功能；

8)火警探测系统本身不助长或增加任何其它潜在危险，在整个着火期间能保持工作状态，火焰熄灭时能给出指示，并能指示火焰的再次点燃；

9)两台或两台以上的发动机不应依赖于任何一套探测电路，安装于公共区域的探测设备要防止探测系统在两台发动机安装之间分辨不清，而迫使一台以上发动机停车。

3 条款符合性验证思路

通过对本条款内容的深入解读，同时结合已有的工程取证经验，建议该条款的符合性验证思路按如下展开：

1)通过火警探测系统设计描述文件和火区的着火概率分析，对火警探测器类型、数量、安装位置等进行分析说明，从而表明各指定火区及涡轮发动机动力部分(燃烧室、涡轮和尾喷管)等区域均布置了适当的火警探测器，能够快速探明各区域的火警，并及时报警，指明具体着火位置；

2)通过火警探测系统的概率估算和使用经验，进行安全性分析，说明火警探测系统具有最高可靠度，不会发出假警报，如果不能表明火警探测系统出现虚假指示是极不可能的，则应提供确定火警指示有效性的辅助措施；

3)通过随机飞行考核，验证火警探测器的构造和安装在结构上足够牢固，能承受运行中可能遇到的任何振动、惯性和载荷；

4)通过机上检查等手段，对火警探测系统的电路功能、火警检查开关等进行机上地面测试，从而表明机上提供了措施使机组成员能在飞行中对各火警探测系统电路的功能进行检查，满足设计要求；

5)通过火警探测系统设计描述文件和供应商提供的设备合格性资料表明处于发动机舱内的每个火警探测系统的导线和其它部件至少是满足耐火要求的；

6)通过火警探测器供应商提供的设计文件和相关验证试验等设备合格性资料表明火警探测器是经过适航批准的，不会受到可能出现的任何油、水、其它液体或气体的影响。

4 总 结

通过研究火警探测系统条款的历史版本和现行版本，解析了该条款历次修订的原因，并结合工程经验深入解读了该条款的适航要求及技术内涵，提出了依据各火区着火概率分析来确定高效的火警探测器安装布置方案，提炼出条款的适航性设计要求，总结了适用于该条款的符合性验证思路，为运输类旋翼航空器动力装置火警探测系统的设计和适航验证提供有益的参考依据。