民用航空發(fā)動(dòng)機(jī)增推起飛設(shè)計(jì)方法初探

■ 曾濤 / 中國(guó)航發(fā)商發(fā)

增推起飛（bump rating）是通過(guò)犧牲發(fā)動(dòng)機(jī)排氣溫度（EGT）裕度獲取更大的推力，并通過(guò)飛行員人工選擇予以激活的額外起飛推力等級(jí)，適用于特定的高原運(yùn)行場(chǎng)景。增推起飛發(fā)動(dòng)機(jī)在設(shè)計(jì)時(shí)須重點(diǎn)考慮性能方案和操控方案。

中國(guó)是世界范圍內(nèi)高原機(jī)場(chǎng)較多的國(guó)家之一，因此，高原運(yùn)行成為國(guó)內(nèi)民用航空器設(shè)計(jì)和運(yùn)行必須考慮的問(wèn)題。例如，CFM國(guó)際公司為中國(guó)商飛C919飛機(jī)提供的LEAP-1C發(fā)動(dòng)機(jī)包括了C28、C30和C30B1等3種性能構(gòu)型，其中C30B1提供了增推起飛（bump rating），以支持C919飛機(jī)的高原運(yùn)行需求。本文以國(guó)產(chǎn)民用飛機(jī)和航空發(fā)動(dòng)機(jī)的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)為基礎(chǔ)，參考國(guó)外成熟方案，給出民用航空發(fā)動(dòng)機(jī)增推起飛的設(shè)計(jì)方法，希望可以為有高原運(yùn)行需求的發(fā)動(dòng)機(jī)的研制提供一定參考。

增推起飛的需求來(lái)源

發(fā)動(dòng)機(jī)高溫高原運(yùn)行分析

機(jī)場(chǎng)標(biāo)高在1524～2438m的機(jī)場(chǎng)稱(chēng)為高原機(jī)場(chǎng)，機(jī)場(chǎng)標(biāo)高在2438m以上的機(jī)場(chǎng)稱(chēng)為高高原機(jī)場(chǎng)[1]。高原機(jī)場(chǎng)運(yùn)行的典型特點(diǎn)之一是發(fā)動(dòng)機(jī)推力衰減，而在高溫高原機(jī)場(chǎng)運(yùn)行條件下發(fā)動(dòng)機(jī)推力衰減尤為顯著。典型的涵道比為10∶1的干線飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)起飛推力高度特性如圖1所示，溫度特性如圖2所示。標(biāo)準(zhǔn)天溫度下，1524m高度靜態(tài)起飛推力衰減至海平面的95%，2438m高度下衰減到海平面的86%。而高溫條件下，以熱天（ISA+40℃）靜態(tài)起飛狀態(tài)為例，2438m高度發(fā)動(dòng)機(jī)推力進(jìn)一步衰減至海平面狀態(tài)的72%。

圖1 典型干線飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)起飛推力高度特性

圖2 典型干線飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)起飛推力溫度特性

高溫高原條件下起飛推力的衰減，使得民用飛機(jī)必須對(duì)起飛質(zhì)量進(jìn)行限制，進(jìn)而影響飛機(jī)載客量或者航程。但是，在航線運(yùn)營(yíng)中常常出現(xiàn)針對(duì)高溫高原條件的特定載客量和航程需求，例如，在夏季保證昆明至哈爾濱的滿載運(yùn)行。如何在高溫高原條件下保證飛機(jī)的滿載運(yùn)行需求成為一個(gè)必須考慮的問(wèn)題。

高原增推備選方案對(duì)比

在保持發(fā)動(dòng)機(jī)基本構(gòu)型的前提下，增大高原狀態(tài)起飛推力通常有兩種解決方案：第一種是高原型發(fā)動(dòng)機(jī)，提高發(fā)動(dòng)機(jī)高原狀態(tài)的排氣溫度（EGT）限制，從而獲得更大發(fā)動(dòng)機(jī)推力；第二種是增推起飛發(fā)動(dòng)機(jī)，發(fā)動(dòng)機(jī)正常起飛推力保持不變，額外設(shè)計(jì)一個(gè)具備更大起飛推力的增推起飛等級(jí)，日常運(yùn)行采用正常起飛推力，在特定飛行需求（環(huán)境溫度、起飛質(zhì)量）下，由飛行員人工激活增推起飛，實(shí)現(xiàn)更大起飛推力。

高原型發(fā)動(dòng)機(jī)與增推起飛發(fā)動(dòng)機(jī)的性能調(diào)整思路并無(wú)本質(zhì)不同，都是通過(guò)犧牲EGT換取更大推力，但二者之間的差異有兩點(diǎn)：一是發(fā)動(dòng)機(jī)默認(rèn)運(yùn)行功率，高原型發(fā)動(dòng)機(jī)的默認(rèn)運(yùn)行功率高于增推起飛發(fā)動(dòng)機(jī)；二是飛行員的操作，增推起飛發(fā)動(dòng)機(jī)存在正常起飛和增推起飛兩種起飛推力，飛行員須操作激活增推起飛。

高原型發(fā)動(dòng)機(jī)飛行操作簡(jiǎn)單，但日常運(yùn)行在較高EGT水平，導(dǎo)致經(jīng)濟(jì)性下降；增推起飛發(fā)動(dòng)機(jī)采用較低的起飛推力作為基線功率，僅在特定狀態(tài)下采用增推起飛，運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性優(yōu)于高原型發(fā)動(dòng)機(jī)，但須飛行員額外操作導(dǎo)致系統(tǒng)復(fù)雜度較高。綜合考慮經(jīng)濟(jì)性和飛行員操作負(fù)擔(dān)兩個(gè)因素，高原型發(fā)動(dòng)機(jī)方案適用于長(zhǎng)期運(yùn)行在高原航線的飛機(jī)；而增推起飛發(fā)動(dòng)機(jī)適用于兼顧高原航線和平原航線且僅需在少數(shù)狀態(tài)下采用更高起飛推力的飛機(jī)。

綜合以上，增推起飛可定義為一種通過(guò)犧牲發(fā)動(dòng)機(jī)EGT裕度獲取更大的推力并通過(guò)飛行員人工選擇予以激活的額外起飛推力等級(jí)，因此增推起飛的設(shè)計(jì)應(yīng)包括性能方案和操控方案兩方面的考慮。

增推起飛性能方案設(shè)計(jì)

基于飛機(jī)需求的增推起飛性能設(shè)計(jì)流程

增推起飛作為一種額外的起飛推力等級(jí)，其性能方案應(yīng)在正常起飛推力的基礎(chǔ)上對(duì)標(biāo)飛機(jī)需求開(kāi)展設(shè)計(jì)。因此，增推起飛的性能設(shè)計(jì)思路是基于飛機(jī)需求和發(fā)動(dòng)機(jī)正常起飛推力在設(shè)計(jì)點(diǎn)的差值來(lái)建立特性曲線，而后通過(guò)特性曲線的聯(lián)合求解得到全包線范圍內(nèi)增推起飛與正常起飛推力的差值，最終在正常起飛推力基礎(chǔ)上疊加差值得到全包線的增推起飛性能方案，具體流程如圖3所示。

圖3 增推起飛性能方案設(shè)計(jì)流程

增推起飛性能設(shè)計(jì)實(shí)例

假定飛機(jī)高溫高原推力需求和發(fā)動(dòng)機(jī)正常起飛推力數(shù)據(jù)如表1所示，飛機(jī)推力需求高于發(fā)動(dòng)機(jī)正常起飛推力能力，推力差值在2.2%～5.5%之間。

表1 飛機(jī)高溫高原需求和發(fā)動(dòng)機(jī)正常起飛推力對(duì)比

基于表1數(shù)據(jù)建立高度特性線如圖4所示，建立高度特性線目的是確定增推起飛與正常起飛在全高度范圍內(nèi)的推力差異特性。須針對(duì)不同速度分別建立單獨(dú)的高度特性曲線。不同高度間采用線性假設(shè)，圖4同時(shí)標(biāo)出了與表1中設(shè)計(jì)點(diǎn)的對(duì)應(yīng)關(guān)系。

圖4 推力差值高度特性曲線（Ma0）

基于表1數(shù)據(jù)建立速度特性曲線，確定增推起飛與正常起飛在全速度范圍內(nèi)的差異特性，如圖5所示。針對(duì)不同高度需分別建立單獨(dú)的速度特性曲線。通常，在不同設(shè)計(jì)點(diǎn)間取線性內(nèi)插，設(shè)計(jì)點(diǎn)范圍外采用等值外插。

圖5 推力差值速度特性曲線（高度1829m）

基于表1數(shù)據(jù)建立溫度特性曲線，確定增推起飛與正常起飛在全溫度范圍內(nèi)的差異特性，如圖6所示。對(duì)于拐點(diǎn)溫度和設(shè)計(jì)點(diǎn)溫度之間的區(qū)域， 采用線性插值；對(duì)于低于拐點(diǎn)溫度的區(qū)域和高于設(shè)計(jì)點(diǎn)溫度的區(qū)域，采用等值外插。

圖6 推力差值溫度特性曲線（1828m，Ma0）

將高度、速度、溫度3種特性曲線聯(lián)合求解進(jìn)行線性插值，即可得到增推起飛與正常起飛在包線內(nèi)任意高度、速度、溫度條件下的推力差值?；诒?數(shù)據(jù)及形成的特性曲線，可得到Ma0狀態(tài)下增推起飛與正常起飛推力全包線差值特性，如圖7所示。

圖7 Ma 0狀態(tài)下增推起飛與正常起飛推力全包線差值特性

利用差值特性和正常起飛推力基準(zhǔn)值，即可得到全包線范圍內(nèi)任一狀態(tài)的增推起飛的推力值。而后基于增推起飛推力值進(jìn)行發(fā)動(dòng)機(jī)性能方案校核，即可得到最終的增推起飛性能方案。

增推起飛操控方案設(shè)計(jì)

對(duì)于增推起飛發(fā)動(dòng)機(jī)，同時(shí)存在正常起飛和增推起飛兩種起飛功率。為了實(shí)現(xiàn)增推起飛可靠、便捷的激活，其操控方案有硬按鈕和軟按鈕兩種。

硬按鈕方案是指通過(guò)設(shè)置在油門(mén)臺(tái)上的硬按鈕進(jìn)行手動(dòng)激活，每臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)由獨(dú)立的激活按鈕進(jìn)行控制。為了防止誤操作，通常在硬按鈕上增加一個(gè)保護(hù)裝置。目前A320和A330采用了硬按鈕的方案。

軟按鈕方案是指在飛行管理計(jì)算機(jī)或者其他系統(tǒng)上設(shè)置軟件控制開(kāi)關(guān)，由飛行員通過(guò)一定操作激活增推起飛。在專(zhuān)利《用于控制飛機(jī)的額外起飛推力的方法和裝置》中，給出了一種通過(guò)軟件按鈕實(shí)現(xiàn)的增推起飛激活方案[2]。

硬按鈕操作便利，但需要對(duì)油門(mén)臺(tái)進(jìn)行改裝，引入按鈕硬件和信號(hào)線，導(dǎo)致系統(tǒng)質(zhì)量的增加。軟按鈕方案雖不會(huì)增加質(zhì)量，但相對(duì)于硬按紐，飛行員操作時(shí)間長(zhǎng)?；谝陨咸攸c(diǎn)，在設(shè)計(jì)中可根據(jù)質(zhì)量和使用場(chǎng)景需求綜合選擇操控方案。一般而言，硬按鈕方案適用于空中緊急使用增推起飛的場(chǎng)景，軟按鈕方案適用于在起飛前進(jìn)行推力設(shè)定且無(wú)須在空中緊急使用的場(chǎng)景。

結(jié)束語(yǔ)

增推起飛是一種在正常起飛推力等級(jí)之外額外增加的可選起飛推力等級(jí)，是高溫高原推力問(wèn)題的典型解決方案。由于其經(jīng)濟(jì)性的優(yōu)勢(shì)，增推起飛適用于兼顧高原和平原運(yùn)行場(chǎng)景的民用飛機(jī)。本文對(duì)增推起飛的性能方案和操控方案設(shè)計(jì)方法進(jìn)行了闡述，而增推起飛對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)壽命影響的換算關(guān)系、增推起飛的試驗(yàn)驗(yàn)證方法、增推起飛對(duì)運(yùn)行安全性的影響等仍須進(jìn)一步細(xì)化。希望隨著國(guó)產(chǎn)民用航空發(fā)動(dòng)機(jī)和飛機(jī)項(xiàng)目的研發(fā)進(jìn)展，最終形成完整的增推起飛設(shè)計(jì)、驗(yàn)證與評(píng)估體系。