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论喷气发动机故障的分析与处置

 2018-12-21 17:30:59 来源:民航资源网 作者:汪涛  [投稿排行榜]

      摘要:发动机作为飞机系统中不可或缺的一环,是飞行安全与飞机性能的基础。然而在历史统计中有许多严重的事故却与发动机息息相关。统计资料发现,飞行员在遭遇与发动机相关故障后出现错误操作的概率较高。本篇文章主要从发动机故障的特点和人为因素两个方面分析,分析导致飞行机组错误的判断和操作的原因,以及当遭遇了发动机故障后正确操作思路和处置原则。另外模拟机的使用在近年来为飞行训练提供了极大的帮助,但是由于模拟机本身的设计局限,难以完全真实的模拟声音、震动、参数变化状态等,导致飞行员在模拟机上训练发动机相关故障时,较难获得像其他科目一样好的训练效果。所以如何正确的利用和看待与发动机故障相关的模拟机训练也是本篇论文讨论的另一个重要话题。

      关键词:发动机、人为因素、模拟机训练

      历史上有很多与发动机相关的故障统计,下面的事例很具代表性,通过事例分析,我们可以从中感受到发动机相关故障的特点和共性。

      1.澳航32号航班事件

      澳航32号航班是一起由于发动机故障引起的严重事件。2010年11月4日,澳洲航空一架A380飞机执飞从新加坡飞往悉尼的航班,飞机正常起飞,在起飞4分钟后,机组听到了接连两声爆炸。同时ECAM出现发动机故障信息,机长马上接管操纵选择固定航向飞行。在发动机故障信息出现之后,警告系统并没有保持安静,而是接二连三的触发各种各样的故障信息,故障涵盖了液压/电气/飞行操纵/引气/燃油等几乎所有的飞机主要系统,通过事后对(DFDR)的资料分析发现当时的故障信息数量达到了惊人的58条。故障原因由于2号发动机出现非包容性破损,发动机后半部分几乎完全裸露(图1.1),发动机的碎片击穿了机翼(图1.2),并且在机翼的破损部分看到燃油在持续的泄漏。

    图1.1。海南天羽飞行训练有限公司供图。

      图1.1

    图1.2。海南天羽飞行训练有限公司供图。

      图1.2

      飞机在ATC的指挥下在印度尼西亚东边海域上执行等待并处理故障,海量的ECAM信息和故障程序考验每一名机组人员的耐心,幸运的是飞机最终安全着陆,虽然着陆后油箱还在持续漏油,同侧的发动机由于爆炸碎片影响失去关车能力,但这些都已经不是生死攸关的问题了。通过调查发现整起事件的原因在于发动机零件供应商提供的不合格的滑油管路(图1.3),由于不合格的滑油管路厚度是不均匀的,长时间的金属疲劳造成了滑油管路破裂,滑油喷洒到涡轮高温区域,滑油着火产生的热量造成了轴承部分融化,涡轮盘最终碎裂(图1.4),造成了发动机爆炸(非包容性受损)。

    图1.3。海南天羽飞行训练有限公司供图。

      图1.3

    图1.4。海南天羽飞行训练有限公司供图。

      图1.4

      回顾整起事件,机组许多冷静、专业的处置值得赞赏,但从这起事件可以看出发动机故障不同于其他系统的故障。真实中的发动机故障往往伴随着多样性和不可预测性,给飞行员的处理和判断带来了很多困难,所以如何做到正确的分析和处置发动机相关故障对飞行安全有着至关重要的意义。

      2.发动机故障统计概况

      喷气涡轮发动机在60年代首次使用在民航客机上,在当时这种发动机的故障率较高。而目前服役的喷气发动机失效概率却大大降低,空停概率达到10万小时1次以下。所以对于目前许多民航飞行员而言,整个职业生涯中都不会遭遇一次发动机失效。

    表2.1。海南天羽飞行训练有限公司供图。

      然而另一项统计表明当遭遇了发动机失效之后飞行员错误操作的概率其实并没有降低。可以说目前航空安全的大幅提升主要是靠机械可靠性的提高,而人为操作的偏差依然是各类事故的主要原因。

      2.1 发动机故障后统计到的飞行员错误操作主要集中在以下几个方面:

      ---飞机失控(发动机失效后没有很好的控制航向,速度等)

      ---V1之后中断起飞

      ---关错发动机

      ---关断非必须关断的发动机

      ---执行了错误/不适当的程序或执行程序中出现偏离

      3.导致飞行员错误操作的原因分析

      而造成飞行员错误操作的主要原因是:

      3.1 故障识别

      对于现象比较典型的发动机故障,飞行员往往可以迅速并且正确的识别,比如发动机熄火(ENG FLAME OUT),发动机火警(ENG FIRE)等等。然而有些发动机故障现象并不单一并且与其他故障现象叠加或存在相似性,这就给飞行员的判断和处置带来了不小的困难。例如发动机尾喷管喷火与发动机火警故障的混淆。尾喷管喷火又称作内部火警,指燃烧室中存在过富油状态导致尾喷管可见明火,一般情况下只会出现在地面阶段。通常发动机出现尾喷管喷火时机组会得到地面报告,若相关人员的报告含糊不清(例如机组得到的报告是“发动机着火了”),而机组对于火警和尾喷管喷火两种故障不能清晰区分,就很容易错误的执行发动机火警程序。历史上的统计报告显示,在遭遇尾喷管喷火时,有机组通知消防人员喷洒强腐蚀性的地面灭火剂,甚至有飞行员放出逃生滑梯执行紧急撤离等错误的操作。

      3.2 子系统影响

      按照目前民航飞机的设计逻辑,发动机除了提供推力之外,还和其他子系统有密切关联,例如电气、液压、引气、滑油等。一旦发动机失效或者熄火就会导致相关的子系统不同程度的失效或失去冗余度。而当发动机发生结构受损甚至非包容性失效时,更多的系统将会受到影响。另外在推力失去或大范围波动的情况下,飞机可能伴随着较大的偏航力矩,这时飞行机组还必须兼顾其他受影响的系统,这就给故障的处理带来了时间和工作负荷方面的压力,失误操作的概率也就会自然而然的提高。

      以上两条原因归结为机械方面的因素,而下面两条原因主要分析人为因素的影响。

      3.3 欠缺真实操作的经历

      从目前的发动机失效概率来看,大多数的飞行员一生可能都不会遭遇一次发动机失效。所以在遇到严重发动机故障时,恐惧和紧张成了一种心理常态。极度的焦虑甚至会导致飞行员犯下非常低级的错误。事故调查报告中多起严重空难是由于飞行员在遭遇单发时,慌忙之中关错发动机导致的。所以机械可靠性给飞行安全带来了保证的同时也确实剥夺了飞行员们的真实体验。目前飞行员绝大多数的操作经历来源于各个阶段的模拟机训练,但是模拟机的训练却存在不可逾越的局限性。

      3.4 模拟机训练的局限

      飞行模拟机出现在第二次世界大战以后,经过不断的改进,如今已经成为了首选的飞行训练模式。无论从经济性,安全性和可用性来说,飞行模拟机训练都有无可替代的优点。而今的D类模拟机对于某些科目的模拟几乎可以达到了“以假乱真”的效果。然而我们必须看到的是,即使对于目前最先进的模拟机来说,对发动机相关故障的模拟依然停留在相对初级的阶段。而少数飞行员却认为,只要在模拟机训练中能正确处置发动机故障,真实操作时也会万无一失,这种想法其实是一个很大的误区。

      希望良好的应用模拟机训练就必须了解模拟机存在哪些局限型。图3.1是模拟机的设计原理,基本原则是从真实现象生成数据包,在依靠相关的设备把数据包的内容再还原为现象。

    图3.1。海南天羽飞行训练有限公司供图。

      最终模拟的真实程度需要根据数据包的质量和还原设备的能力而定。而对于发动机相关的故障,最大的问题在于无法获得全套的数据。因为同一种故障在不同阶段,不同推力设置下的表现形式不尽相同,加上外界环境的影响结果就更加难以界定,而复杂的结构也决定了发动机发生故障的后果存在不可预测性,例如澳航32号航班,在事故发生之前,没有人能够想到由于发动机故障竟然导致了58条故障信息出现。所以提供给模拟机的发动机故障数据包只是非常初级并且偏向于通用的现象,而现实中故障往往是由于各种各样原因综合作用导致的结果。所以很多时候,对于同一种发动机故障,模拟机模拟的现象和真实情况存在着较大的差别。我们以发动机失速为例,发动机失速又称为发动机喘震,由于压缩机受损不能正常压缩气体导致,故障现象为一声或多声响声,发动机参数(EGT/N1/N2)波动。当模拟机模拟的发动机失速时,参数波动的状态和响声的大小与推力设置无关,现象单一。而从真实经历过发动机失速的飞行员的报告来看,发动机失速的现象与推力大小关系密切。在一起冲出跑道的事故调查中,飞行员指出在设置起飞复飞(TOGA)推力时,遭遇到了巨大的响声,这种声音比在驾驶舱听到过的任何声音都巨大,类似于几米之外的枪响或者建筑物倒塌的声音。由于巨大的响声和偏航力矩导致飞行员误以为炸弹爆炸或爆胎,紧张认为飞机已经没有适航能力,从而做出了V1之后中断起飞的操作。

      所以在模拟机训练为飞行安全带来种种好处的同时也要清醒的认识到模拟机的局限性,特别是对于发动机相关的故障,模拟机的模拟并不能完全代替真实的种种情况。而少数飞行员在大量模拟机训练中积累的盲目自信在真实的故障情景下,反而为故障的处理平添了更多地障碍。

      4.操作建议

      既然发动机相关的故障从识别到处理都存在一定难度,那么对于不同的机型和不同的发动机故障类型,若能梳理出一些通用的处置原则,将对特请的有效处置提供有很大帮助,以下几条操作建议,供读者参考。

      4.1 “先飞好你的飞机(Fly theaircraft not the engine)”

      历史上多起严重事故都是由于发动机出现故障后,机组没有第一时间控制好飞机导致的。操纵-导航-通讯的操作流程无论对于正常还是非正常操作都是不变的真理。如过没有稳定的飞行状态这个基本前提,那么对于发动机的故障处理是没有任何意义的。正确的操作是在处理发动机故障(关车,灭火等)前,首先建立安全稳定的飞行轨迹。

      然而一些飞行员会提出:“如果我不马上处理发动机故障,万一发动机爆炸了怎么办?”要解答这个问题,我们可以从飞机适航性要求的角度来看。

      “发动机起飞推力时必须能承受3.65kg鸟击而不着火或发动机外壳不会脱落危险碎片或不会失去关车能力,并能承受4只鸟(1kg以下)同时撞击,而不损失25%以上的推力”①

      “发动机必须能够在N1,N2(N3)超限或者EGT超过红线42°C的情况下持续工作5分钟并提供推力”①(摘自FAR33)

      以上法规是众多发动机适航规章中比较有代表性的两条,可以看出能够在民航客机上服役的发动机都需要满足异常严格的要求,设计冗余度很高。为满足这样的要求,发动机制造商要付出极大的人力物力。而设计如此严苛规章的目的,就是为了在极端条件下,留给机组足够的控制飞机的时间。

      所以“可以放心,发动机比你想象中可靠的多,先控制好飞机吧”

      4.2 “V1之后不要中断(No RTO above V1)”

      从系统的角度讲,发动机的设计余度很高,起飞后马上返场所花的15分钟起落航线时间通常不会引起严重的后果。从性能的角度讲,所有的性能参数计算(起飞速度、越障梯度等)都是基于关键发动机失效计算的,所以性能完全可以满足要求。然而如果在V1之后中断起飞,冲出跑道就变成了大概率事件。

      注意:最常见的V1后中断是由于发动机失速(喘震)造成的,由于巨响和偏航使飞行员认为飞机已没有能力飞行,但是目前所有的事故报告经分析后均发现飞机是适航的。

      “V1之后中断起飞的行为是没有必要并且得不偿失的”。

      4.3 “没看清楚别关车(If not sure which Engine is malfunctioning,Keep-It Running)”

      有些严重的事故是由于飞行员匆忙的关断错误的发动机导致(台湾复兴航空)引起错误操作的因素有许多,包括对系统不熟悉也包括人为因素的原因。

      如果发动机故障现象明显需要关车,一定要得到机组成员的证实,匆忙的关断不会节省太多时间,反而增加了致命错误的发生概率。

      如果发动机故障现象存在过多干扰,那么正确的操作是,前推油门杆,观察发动机参数变化状态,有了清晰的判断之后再做下一步决定。

      “如果不确定哪台发动机故障,千万不要盲目关车。”

      4.4 “能不关车就不关(If possible,keep the Engine Running)”

      因为发动机推力和技术的提高,目前大多数的飞机都有能力在单发之后依然可以维持相对安全的飞行状态(例如B787较长的ETOPS时间)。所以很多飞行员在发动机参数发生偏离时(EGT,VIB,ADV等等)选择直接关断发动机,来避免发动机受损或者可能给自己带来的潜在的麻烦。运行报告统计发现,这种行为时有发生,然而这是一种错误的做法,相当于人为的降低了飞机的安全冗度。正确的思路是,除非程序强制要求,否则建议最好留着发动机继续运转。参数异常可以尝试通过将油门杆置于慢车位解决,而并不是直接关断。因为即使在慢车推力,发动机依然提供电气、液压和引气系统的冗余度,如果关车,不仅仅失去推力,相关系统都会发生不同程度的裕度降级,另一个需要注意的方面是慢车推力的发动机虽然不提供太大的推力但是阻力要比关车后风转的发动机小得多(更小的偏航)。

      “发动机不转了就只是累赘了。”

      4.5 “如果可能,重启(If possible,restart the Engine)”

      如果发动机判断受损则不要重启,但是如果发动机没有明显的受损现象,则应尝试重启发动机,来增加飞机的安全裕度。

      受损的标志在于两个方面:

      ①感官

      -大噪音

      -飞机内油味明显

      -目视发动机外壳,机身连接受损

      ②参数

      -EGT快速上升高于红线

      -N1,N2转速不匹配或转速消失

      -滑油压力/温度不正常

      虽然单发后应该尽快着陆,但不应因为这种想法放弃重启的机会,况且对于成熟的飞行员来说,发动机重启程序也不会消耗太长时间。

      “虽然单发可以落地,但双发会更加从容”

      5.总结

      与发动机相关的故障一直以来都是飞行员训练的重点,针对实际运行中出现的种种问题,本文从发动机故障的特点进行论述,分析了飞行员常见错误操作的类型和原因。最后提出了5点操作建议。希望能帮助飞行员在实际运行中遭遇发动机故障时,有客观稳定的心态以及正确有序的处置思路和原则。

      6.参考文献

      (1)ATSB TRANSPORT SAFETY REPORT(AO-2010-089)

      作者简介:汪涛  海南天羽飞行训练有限公司培训部研发中心经理、高级教员

      海南天羽飞行训练有限公司成立于2015年,是海航集团旗下一家综合型现代航空训练服务企业,现有海口、三亚两处训练基地,主要从事飞行、乘务及其他航空特业人员的模拟机训练、模拟机维护及维修业务。

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