民用飛機沖壓空氣渦輪艙布置方法研究

劉賀

【摘 要】現(xiàn)代民用飛機多安裝有沖壓空氣渦輪（RAT）作為飛機應急功能裝置，RAT艙的布置設(shè)計是民用飛機的整機研發(fā)過程中的重要設(shè)計環(huán)節(jié)之一。以某雙發(fā)翼吊窄體機型為例說明了RAT艙的布置設(shè)計流程，布置約束條件，強調(diào)了在已有工程設(shè)計框架下的布置設(shè)計過程，對提出的幾種方案進行了詳細的評估，為民用飛機分艙布置設(shè)計的工程應用提供了方法和思路。

【關(guān)鍵詞】布置；RAT艙；RAT；民機

0 引言

沖壓空氣渦輪（RAT Ram Air Turbine）是為飛機在失去主動力和輔助動力時進行應急迫降而設(shè)計的，以提高飛機的生存性。該系統(tǒng)利用飛機的動能工作，在特定情況下，從飛機上應急放下一個螺旋槳，利用急速的空氣來流沖擊螺旋槳，其高速的旋轉(zhuǎn)運動帶動與之相連的電動機和液壓泵，產(chǎn)生必要的應急能源，用于重啟發(fā)動機，保證飛機操作系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)和電子設(shè)備的應急功能供電。其系統(tǒng)工作原理圖如圖1所示。RAT系統(tǒng)需布置在非氣密艙，為了得到較好的氣動力載荷和釋放角度，大型民用飛機的RAT系統(tǒng)通常布置于飛機機身下部，其具體布置位置需要權(quán)衡整機的多種因素，最終得出最優(yōu)方案。圖2顯示了一種典型的RAT艙布置方案。

1 民用飛機RAT系統(tǒng)設(shè)計要求

民用飛機RAT系統(tǒng)設(shè)計時需要在滿足適航條款要求的基礎(chǔ)上，根據(jù)頂層設(shè)計約束條件滿足其功能指標。其布置位置由多種影響因子共同決定。

1.1 適航要求

1）CCAR-25.671（d）：飛機必須設(shè)計成在所有發(fā)動機都失效的情況下扔可操作。

2）CCAR-25.903（e）（3）：對于渦輪發(fā)動機飛機，如果飛行中所有發(fā)動機停車后，發(fā)動機的最小轉(zhuǎn)速不足以提供發(fā)動機點火所需電功率，則需要有一個不依賴發(fā)動機驅(qū)動的發(fā)電系統(tǒng)的電源，以便能在飛行中對發(fā)動機再起動。

3）CCAR-25.1351（d）：無正常電源時的運行，當正常電源（除蓄電池之外的電源）不工作，燃油（從熄火和重新起動能力考慮）為臨界狀態(tài)，且飛機最初處于最大審定高度情況下，飛機能按目視飛行規(guī)則安全飛行至少五分鐘。

1.2 RAT系統(tǒng)設(shè)計與布置要求

1）RAT發(fā)電機發(fā)電容量：根據(jù)特定機型的應急供電系統(tǒng)需求，計算其所有應急負載得出。計算所得RAT的額定容量應能滿足系統(tǒng)指標參數(shù)，滿足適航需求。

2）速度要求：RAT設(shè)計速度是RAT系統(tǒng)的重要設(shè)計輸入?yún)?shù)，其大小主要和最小操縱面設(shè)置，應急狀態(tài)下飛機的進場速度有關(guān)。對于最小操縱面設(shè)置，在RAT工作條件下，RAT必須滿足主飛控最小操縱面的能源需求。確定應急狀態(tài)的進場速度時需要參照飛機頂層設(shè)計的正常進場速度。為了確保RAT產(chǎn)生足夠的能量滿足最小操縱面的能源需求，飛行員必須增加進場速度以保證安全著陸，故RAT的設(shè)計速度通常稍大于飛機的正常進場速度。

3）環(huán)境要求：RAT安裝的環(huán)境要求為非溫控、非氣密。

4）氣動力要求：RAT釋放后，需要氣流場來帶動沖壓渦輪，在飛機的不同位置區(qū)域，氣動效率是不同的。RAT打開后必須在迎風面上，最好在無遮擋、氣動效率高的區(qū)域。根據(jù)當前航線機型的應用，布置區(qū)域多位于機頭到中段機身部分，部分寬體機型布置在機翼滑軌整流罩區(qū)域，如圖3所示。

5）空間要求：RAT的布置必須滿足RAT的安裝空間要求，RAT安裝在RAT艙內(nèi)。布置的過程中需要考慮到RAT收放過程的運動包絡(luò)面，確保與機身結(jié)構(gòu)、周邊管路線束保持足夠距離。考慮震動等因素下，布置RAT本體時需要保證在釋放過程中葉片距艙門間隙大于1.5英寸。

6）維修性要求：RAT的布置位置應滿足RAT本體系統(tǒng)以及相關(guān)管線路的維護要求，保證安裝維護通道的可達性要求。

7）對周邊系統(tǒng)環(huán)境的影響：RAT艙的布置位置需要考慮對周邊系統(tǒng)布置的影響，因RAT工作的特殊性，葉片轉(zhuǎn)動過程會干擾機身外氣流場，影響機身外探頭工作環(huán)境，在布置設(shè)計時需要考慮。

8）重量要求：在保證滿足設(shè)計要求的前提下盡量減少重量增加，選取重量最優(yōu)方案。

9）成本要求：RAT艙的布置過程涉及各相關(guān)系統(tǒng)的更改，以及對RAT本體設(shè)備的選型，在布置設(shè)計過程中要考慮經(jīng)濟成本、研發(fā)更改的時間成本等，選用成本最優(yōu)方案。

10）安全性要求：RAT艙布置位置應滿足RAT工作安全性要求，應避開轉(zhuǎn)子爆破和輪胎爆破區(qū)域。

2 RAT系統(tǒng)工作模式

RAT系統(tǒng)的主流工作模式主要有三類：液壓模式、電氣模式、混合模式。當前航線機型均有應用。

2.1 液壓模式

RAT系統(tǒng)驅(qū)動應急液壓泵，作為應急液壓系統(tǒng)，與飛機液壓系統(tǒng)的恒速馬達驅(qū)動應急發(fā)電機（CSM/G）聯(lián)合工作，構(gòu)成應急液壓源和應急電源。該工作模式即為液壓模式。應用機型主要有：A320系列、B-757、B-767、A330/A340等。

2.2 電氣模式

RAT系統(tǒng)驅(qū)動應急發(fā)電機，作為應急電源系統(tǒng)，與飛機液壓系統(tǒng)的電動泵聯(lián)合工作，構(gòu)成應急電源和應急液壓源。這種工作模式即電氣模式。應用機型有：ERJ170/190、CRJ 系列、ARJ21、A380、A350、龐巴迪C 系列等。

2.3 混合模式

RAT系統(tǒng)同時驅(qū)動應急發(fā)電機和應急液壓泵，構(gòu)成飛機應急電源和液壓源。這種工作模式即混合模式。應用機型有B-777、B-787等。

3 RAT艙布置方案分析

參照相關(guān)機型的布置方案，以某雙發(fā)翼吊布局窄體民用客機的RAT艙布置設(shè)計為實例，詳細討論了RAT艙的布置設(shè)計過程。本實例基于機身主結(jié)構(gòu)總體方案確定的情況下安排布置RAT艙位，考慮了設(shè)備氣動效率、結(jié)構(gòu)更改成本、周邊系統(tǒng)環(huán)境、重量、成本可靠性、設(shè)備能源利用率等主要約束因子，分析各方案優(yōu)缺點，在保證飛機設(shè)計最優(yōu)的原則下確定最終方案。

3.1 RAT系統(tǒng)模式選擇

當前在役的民用飛機中，支線客機RAT多采用電氣模式，如ARJ21-700、ERJ系列等。早期干線客機多數(shù)使用液壓模式，如A320系列、A330/340等。較新的機型多采用電氣模式（A380、龐巴迪C系列）、混合模式（B-777、B-787）。根據(jù)不同模式的工作機理和工程應用經(jīng)驗，液壓模式需額外加裝液壓馬達發(fā)電機，重量較大，易泄露，可靠性較低。RAT系統(tǒng)的液壓管路與正常工作液壓系統(tǒng)相連，一旦RAT系統(tǒng)的液壓管路發(fā)生泄露，將導致相連的液壓系統(tǒng)失效，故障不易隔離。根據(jù)當前民機發(fā)展趨勢，最新民用飛機均未選用液壓模式的RAT系統(tǒng)?；谏鲜龇治霰景咐羞x用混合或電氣模式。

混合模式下，RAT系統(tǒng)需從液壓系統(tǒng)吸取液壓油，為保證液壓泵吸油特性，同時減少液壓管路過長引起的增重，RAT位置應盡量靠近系統(tǒng)液壓油箱（通常位于翼身整流罩區(qū)域），故混合模式的RAT系統(tǒng)應布置在機腹位置，電氣模式的RAT系統(tǒng)可布置在機頭和機腹位置。

3.2 RAT葉片尺寸選擇

RAT輸出功率與其葉片尺寸、飛行速度在一定范圍內(nèi)正相關(guān)，如圖4，RAT穩(wěn)定工作所需飛行速度與RAT布置位置有關(guān)。因機頭位置氣動損失明顯小于機腹位置，布置在機腹位置的RAT系統(tǒng)若達到相同的輸出功率需要更高的飛行速度或適當增大葉片直徑。

3.3 RAT艙布置方案

綜上初步分析并參考航線機型布置經(jīng)驗，提出三種總體布置方案：機頭方案、機腹方案、機翼滑軌整流罩方案。

1）機頭方案：該方案將RAT布置在機頭下部，RAT艙占用部分E-E艙三角區(qū)空間，犧牲航向右側(cè)E-E艙維護艙門，與前起艙共用側(cè)壁版。為避免結(jié)構(gòu)加強框承受較大載荷，在保證RAT艙足夠空間的前提下，RAT艙開口位置避開原機身加強框。調(diào)整RAT本體航向尺寸，盡量減少對現(xiàn)有框結(jié)構(gòu)的占用，使RAT艙內(nèi)空間利用率最優(yōu)。RAT艙的布置破壞了原有機體結(jié)構(gòu)的傳力路線，因開口較大，需要對其門框結(jié)構(gòu)進行結(jié)構(gòu)加強。為保證E-E艙內(nèi)部的氣密載荷對RAT艙體結(jié)構(gòu)有較好的傳力形式，RAT艙上壁板與前起艙上壁板保持平齊，如圖5。

此處RAT只能選用電氣模式，因機頭位置氣動損失小，故RAT葉片可以采用較小的尺寸。RAT本體布置在機體下方，維修安裝可達性滿足要求。該布置方案實施存在兩個問題：首先由于RAT艙開口較大，在結(jié)構(gòu)設(shè)計上需要采用加強措施，增重較大。其次，機頭區(qū)域除前起艙外均為氣密區(qū)，需在機頭上單獨隔離非氣密區(qū)，導致前起艙區(qū)域受力不對稱，傳力路線變化，降低結(jié)構(gòu)效率。

2）機腹方案：RAT艙布置在機腹（翼身整流罩內(nèi)），則需考慮轉(zhuǎn)子爆破（翼吊布局飛機）、主起落架輪胎爆破及周邊液壓系統(tǒng)布置的影響。起落架在收起后若發(fā)生輪胎爆破，碎片可能會擊穿結(jié)構(gòu)破壞RAT，同理在轉(zhuǎn)子爆破區(qū)域，發(fā)動機的爆破碎片可能同時擊壞RAT和另一側(cè)的發(fā)動機從而導致整機喪失液壓源，為了避開這類區(qū)域，根據(jù)現(xiàn)有設(shè)計環(huán)境，RAT需布置在后部整流罩，避開爆破區(qū)包絡(luò)面。

機腹位置處RAT可以選用混合工作模式，因該位置氣動損失較大，RAT葉片尺寸相應增大。本實例窄體機型整流罩內(nèi)部空間較小，RAT的布置空間不足，故需適當擴大整流罩內(nèi)部空間。由于RAT艙門開口，需在整流罩結(jié)構(gòu)以及機身結(jié)構(gòu)上采取加強措施。

飛行過程中，機腹區(qū)域流場復雜，RAT在該位置釋放后所受到氣動載荷效率低，損失近一半。RAT布置在主起落架后部（后部整流罩），如圖6，在利用RAT應急著陸過程中，起落架的遮擋會破壞流場，RAT氣動效率進一步損失。后部整流罩區(qū)域距離主起艙較近，一旦發(fā)生輪胎爆破可能會對RAT設(shè)備造成損傷。

該布置方案實施主要存在兩個問題：首先整流罩由非受力結(jié)構(gòu)更改為受力結(jié)構(gòu)，更改成本大，損害結(jié)構(gòu)效率，結(jié)構(gòu)加強實施困難。其次RAT采用混合模式布置在機腹，發(fā)生轉(zhuǎn)子爆破時，轉(zhuǎn)子擊壞液壓管路會造成RAT液壓功能失效，危害安全性，若改用電氣模式，考慮電能轉(zhuǎn)換液壓能的失效率損失，RAT葉片直徑尺寸需相應增加近一半，需進一步增大RAT艙空間，更改成本較高。

3）機翼滑軌整流罩方案：參考航線機型，該布置方案主要適用于寬體客機，其整流罩空間較大，氣動效率較好，針對本實例的窄體機型，其整流罩空間較小，經(jīng)布置后發(fā)現(xiàn)空間難以滿足RAT安裝需求，如圖7。圖中看出在未考慮結(jié)構(gòu)厚度，以及內(nèi)部管線路前提下，空間已經(jīng)不滿足RAT布置要求，該方案不可行。

3.4 布置方案總結(jié)

針對兩種可行方案對布置影響因子權(quán)衡分析，考慮當前窄體機型設(shè)計布局狀態(tài)和頂層設(shè)計需求選擇最優(yōu)布置方案。

通過比較表1評估結(jié)果，基于本實例中雙發(fā)翼吊窄體機的結(jié)構(gòu)設(shè)計狀態(tài)，應優(yōu)先考慮氣動效率、結(jié)構(gòu)更改成本、周邊系統(tǒng)影響、更改時間成本因素，最終犧牲重量和設(shè)備能源利用率，采用機頭布置方案。

4 總結(jié)

民用飛機艙位布置問題是一個權(quán)衡迭代過程，尤其在已有設(shè)計框架下進行較大的工程更改，需要考慮多種因素，協(xié)調(diào)各專業(yè)意見，在保證滿足更改目標的前提下，做到成本最小，方案最優(yōu)。本文以RAT艙的布置設(shè)計方案為例，詳細介紹了布置設(shè)計的過程和方法，為民用飛機分艙布置設(shè)計提供了一些思路，對民用飛機的布置設(shè)計有一定借鑒作用。

【參考文獻】

[1] 運輸類飛機適航標準.中國民用航空規(guī)章第25部CCAR-25-R4[S].中國民航總局.2009.

[責任編輯：田吉捷]