劉賀

【摘 要】現(xiàn)代民用飛機(jī)多安裝有沖壓空氣渦輪（RAT）作為飛機(jī)應(yīng)急功能裝置，RAT艙的布置設(shè)計(jì)是民用飛機(jī)的整機(jī)研發(fā)過(guò)程中的重要設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)之一。以某雙發(fā)翼吊窄體機(jī)型為例說(shuō)明了RAT艙的布置設(shè)計(jì)流程，布置約束條件，強(qiáng)調(diào)了在已有工程設(shè)計(jì)框架下的布置設(shè)計(jì)過(guò)程，對(duì)提出的幾種方案進(jìn)行了詳細(xì)的評(píng)估，為民用飛機(jī)分艙布置設(shè)計(jì)的工程應(yīng)用提供了方法和思路。

【關(guān)鍵詞】布置；RAT艙；RAT；民機(jī)

0 引言

沖壓空氣渦輪（RAT Ram Air Turbine）是為飛機(jī)在失去主動(dòng)力和輔助動(dòng)力時(shí)進(jìn)行應(yīng)急迫降而設(shè)計(jì)的，以提高飛機(jī)的生存性。該系統(tǒng)利用飛機(jī)的動(dòng)能工作，在特定情況下，從飛機(jī)上應(yīng)急放下一個(gè)螺旋槳，利用急速的空氣來(lái)流沖擊螺旋槳，其高速的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)帶動(dòng)與之相連的電動(dòng)機(jī)和液壓泵，產(chǎn)生必要的應(yīng)急能源，用于重啟發(fā)動(dòng)機(jī)，保證飛機(jī)操作系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)和電子設(shè)備的應(yīng)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(dòng)力載荷和釋放角度，大型民用飛機(jī)的RAT系統(tǒng)通常布置于飛機(jī)機(jī)身下部，其具體布置位置需要權(quán)衡整機(jī)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(jī)RAT系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求

民用飛機(jī)RAT系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)需要在滿(mǎn)足適航條款要求的基礎(chǔ)上，根據(jù)頂層設(shè)計(jì)約束條件滿(mǎn)足其功能指標(biāo)。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(jī)必須設(shè)計(jì)成在所有發(fā)動(dòng)機(jī)都失效的情況下扔可操作。

2）CCAR-25.903（e）（3）：對(duì)于渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)飛機(jī)，如果飛行中所有發(fā)動(dòng)機(jī)停車(chē)后，發(fā)動(dòng)機(jī)的最小轉(zhuǎn)速不足以提供發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火所需電功率，則需要有一個(gè)不依賴(lài)發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)的發(fā)電系統(tǒng)的電源，以便能在飛行中對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)再起動(dòng)。

3）CCAR-25.1351（d）：無(wú)正常電源時(shí)的運(yùn)行，當(dāng)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(dòng)能力考慮）為臨界狀態(tài)，且飛機(jī)最初處于最大審定高度情況下，飛機(jī)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(jì)與布置要求

1）RAT發(fā)電機(jī)發(fā)電容量：根據(jù)特定機(jī)型的應(yīng)急供電系統(tǒng)需求，計(jì)算其所有應(yīng)急負(fù)載得出。計(jì)算所得RAT的額定容量應(yīng)能滿(mǎn)足系統(tǒng)指標(biāo)參數(shù)，滿(mǎn)足適航需求。

2）速度要求：RAT設(shè)計(jì)速度是RAT系統(tǒng)的重要設(shè)計(jì)輸入?yún)?shù)，其大小主要和最小操縱面設(shè)置，應(yīng)急狀態(tài)下飛機(jī)的進(jìn)場(chǎng)速度有關(guān)。對(duì)于最小操縱面設(shè)置，在RAT工作條件下，RAT必須滿(mǎn)足主飛控最小操縱面的能源需求。確定應(yīng)急狀態(tài)的進(jìn)場(chǎng)速度時(shí)需要參照飛機(jī)頂層設(shè)計(jì)的正常進(jìn)場(chǎng)速度。為了確保RAT產(chǎn)生足夠的能量滿(mǎn)足最小操縱面的能源需求，飛行員必須增加進(jìn)場(chǎng)速度以保證安全著陸，故RAT的設(shè)計(jì)速度通常稍大于飛機(jī)的正常進(jìn)場(chǎng)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(dòng)力要求：RAT釋放后，需要?dú)饬鲌?chǎng)來(lái)帶動(dòng)沖壓渦輪，在飛機(jī)的不同位置區(qū)域，氣動(dòng)效率是不同的。RAT打開(kāi)后必須在迎風(fēng)面上，最好在無(wú)遮擋、氣動(dòng)效率高的區(qū)域。根據(jù)當(dāng)前航線(xiàn)機(jī)型的應(yīng)用，布置區(qū)域多位于機(jī)頭到中段機(jī)身部分，部分寬體機(jī)型布置在機(jī)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(mǎn)足RAT的安裝空間要求，RAT安裝在RAT艙內(nèi)。布置的過(guò)程中需要考慮到RAT收放過(guò)程的運(yùn)動(dòng)包絡(luò)面，確保與機(jī)身結(jié)構(gòu)、周邊管路線(xiàn)束保持足夠距離?？紤]震動(dòng)等因素下，布置RAT本體時(shí)需要保證在釋放過(guò)程中葉片距艙門(mén)間隙大于1.5英寸。

6）維修性要求：RAT的布置位置應(yīng)滿(mǎn)足RAT本體系統(tǒng)以及相關(guān)管線(xiàn)路的維護(hù)要求，保證安裝維護(hù)通道的可達(dá)性要求。

7）對(duì)周邊系統(tǒng)環(huán)境的影響：RAT艙的布置位置需要考慮對(duì)周邊系統(tǒng)布置的影響，因RAT工作的特殊性，葉片轉(zhuǎn)動(dòng)過(guò)程會(huì)干擾機(jī)身外氣流場(chǎng)，影響機(jī)身外探頭工作環(huán)境，在布置設(shè)計(jì)時(shí)需要考慮。

8）重量要求：在保證滿(mǎn)足設(shè)計(jì)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(guò)程涉及各相關(guān)系統(tǒng)的更改，以及對(duì)RAT本體設(shè)備的選型，在布置設(shè)計(jì)過(guò)程中要考慮經(jīng)濟(jì)成本、研發(fā)更改的時(shí)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(yīng)滿(mǎn)足RAT工作安全性要求，應(yīng)避開(kāi)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(lèi)：液壓模式、電氣模式、混合模式。當(dāng)前航線(xiàn)機(jī)型均有應(yīng)用。

2.1 液壓模式

RAT系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)應(yīng)急液壓泵，作為應(yīng)急液壓系統(tǒng)，與飛機(jī)液壓系統(tǒng)的恒速馬達(dá)驅(qū)動(dòng)應(yīng)急發(fā)電機(jī)（CSM/G）聯(lián)合工作，構(gòu)成應(yīng)急液壓源和應(yīng)急電源。該工作模式即為液壓模式。應(yīng)用機(jī)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(dòng)應(yīng)急發(fā)電機(jī)，作為應(yīng)急電源系統(tǒng)，與飛機(jī)液壓系統(tǒng)的電動(dòng)泵聯(lián)合工作，構(gòu)成應(yīng)急電源和應(yīng)急液壓源。這種工作模式即電氣模式。應(yīng)用機(jī)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(shí)驅(qū)動(dòng)應(yīng)急發(fā)電機(jī)和應(yīng)急液壓泵，構(gòu)成飛機(jī)應(yīng)急電源和液壓源。這種工作模式即混合模式。應(yīng)用機(jī)型有B-777、B-787等。

3 RAT艙布置方案分析

參照相關(guān)機(jī)型的布置方案，以某雙發(fā)翼吊布局窄體民用客機(jī)的RAT艙布置設(shè)計(jì)為實(shí)例，詳細(xì)討論了RAT艙的布置設(shè)計(jì)過(guò)程。本實(shí)例基于機(jī)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(dòng)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(diǎn)，在保證飛機(jī)設(shè)計(jì)最優(yōu)的原則下確定最終方案。

3.1 RAT系統(tǒng)模式選擇

當(dāng)前在役的民用飛機(jī)中，支線(xiàn)客機(jī)RAT多采用電氣模式，如ARJ21-700、ERJ系列等。早期干線(xiàn)客機(jī)多數(shù)使用液壓模式，如A320系列、A330/340等。較新的機(jī)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(jī)理和工程應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)，液壓模式需額外加裝液壓馬達(dá)發(fā)電機(jī)，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(dǎo)致相連的液壓系統(tǒng)失效，故障不易隔離。根據(jù)當(dāng)前民機(jī)發(fā)展趨勢(shì)，最新民用飛機(jī)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(shí)減少液壓管路過(guò)長(zhǎng)引起的增重，RAT位置應(yīng)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(yīng)布置在機(jī)腹位置，電氣模式的RAT系統(tǒng)可布置在機(jī)頭和機(jī)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(jī)頭位置氣動(dòng)損失明顯小于機(jī)腹位置，布置在機(jī)腹位置的RAT系統(tǒng)若達(dá)到相同的輸出功率需要更高的飛行速度或適當(dāng)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(xiàn)機(jī)型布置經(jīng)驗(yàn)，提出三種總體布置方案：機(jī)頭方案、機(jī)腹方案、機(jī)翼滑軌整流罩方案。

1）機(jī)頭方案：該方案將RAT布置在機(jī)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(hù)艙門(mén)，與前起艙共用側(cè)壁版。為避免結(jié)構(gòu)加強(qiáng)框承受較大載荷，在保證RAT艙足夠空間的前提下，RAT艙開(kāi)口位置避開(kāi)原機(jī)身加強(qiáng)框。調(diào)整RAT本體航向尺寸，盡量減少對(duì)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(jī)體結(jié)構(gòu)的傳力路線(xiàn)，因開(kāi)口較大，需要對(duì)其門(mén)框結(jié)構(gòu)進(jìn)行結(jié)構(gòu)加強(qiáng)。為保證E-E艙內(nèi)部的氣密載荷對(duì)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(jī)頭位置氣動(dòng)損失小，故RAT葉片可以采用較小的尺寸。RAT本體布置在機(jī)體下方，維修安裝可達(dá)性滿(mǎn)足要求。該布置方案實(shí)施存在兩個(gè)問(wèn)題：首先由于RAT艙開(kāi)口較大，在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上需要采用加強(qiáng)措施，增重較大。其次，機(jī)頭區(qū)域除前起艙外均為氣密區(qū)，需在機(jī)頭上單獨(dú)隔離非氣密區(qū)，導(dǎo)致前起艙區(qū)域受力不對(duì)稱(chēng)，傳力路線(xiàn)變化，降低結(jié)構(gòu)效率。

2）機(jī)腹方案：RAT艙布置在機(jī)腹（翼身整流罩內(nèi)），則需考慮轉(zhuǎn)子爆破（翼吊布局飛機(jī)）、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(huì)擊穿結(jié)構(gòu)破壞RAT，同理在轉(zhuǎn)子爆破區(qū)域，發(fā)動(dòng)機(jī)的爆破碎片可能同時(shí)擊壞RAT和另一側(cè)的發(fā)動(dòng)機(jī)從而導(dǎo)致整機(jī)喪失液壓源，為了避開(kāi)這類(lèi)區(qū)域，根據(jù)現(xiàn)有設(shè)計(jì)環(huán)境，RAT需布置在后部整流罩，避開(kāi)爆破區(qū)包絡(luò)面。

機(jī)腹位置處RAT可以選用混合工作模式，因該位置氣動(dòng)損失較大，RAT葉片尺寸相應(yīng)增大。本實(shí)例窄體機(jī)型整流罩內(nèi)部空間較小，RAT的布置空間不足，故需適當(dāng)擴(kuò)大整流罩內(nèi)部空間。由于RAT艙門(mén)開(kāi)口，需在整流罩結(jié)構(gòu)以及機(jī)身結(jié)構(gòu)上采取加強(qiáng)措施。

飛行過(guò)程中，機(jī)腹區(qū)域流場(chǎng)復(fù)雜，RAT在該位置釋放后所受到氣動(dòng)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(yīng)急著陸過(guò)程中，起落架的遮擋會(huì)破壞流場(chǎng)，RAT氣動(dòng)效率進(jìn)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(huì)對(duì)RAT設(shè)備造成損傷。

該布置方案實(shí)施主要存在兩個(gè)問(wèn)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(qiáng)實(shí)施困難。其次RAT采用混合模式布置在機(jī)腹，發(fā)生轉(zhuǎn)子爆破時(shí)，轉(zhuǎn)子擊壞液壓管路會(huì)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(yīng)增加近一半，需進(jìn)一步增大RAT艙空間，更改成本較高。

3）機(jī)翼滑軌整流罩方案：參考航線(xiàn)機(jī)型，該布置方案主要適用于寬體客機(jī)，其整流罩空間較大，氣動(dòng)效率較好，針對(duì)本實(shí)例的窄體機(jī)型，其整流罩空間較小，經(jīng)布置后發(fā)現(xiàn)空間難以滿(mǎn)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(xiàn)路前提下，空間已經(jīng)不滿(mǎn)足RAT布置要求，該方案不可行。

3.4 布置方案總結(jié)

針對(duì)兩種可行方案對(duì)布置影響因子權(quán)衡分析，考慮當(dāng)前窄體機(jī)型設(shè)計(jì)布局狀態(tài)和頂層設(shè)計(jì)需求選擇最優(yōu)布置方案。

通過(guò)比較表1評(píng)估結(jié)果，基于本實(shí)例中雙發(fā)翼吊窄體機(jī)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)狀態(tài)，應(yīng)優(yōu)先考慮氣動(dòng)效率、結(jié)構(gòu)更改成本、周邊系統(tǒng)影響、更改時(shí)間成本因素，最終犧牲重量和設(shè)備能源利用率，采用機(jī)頭布置方案。

4 總結(jié)

民用飛機(jī)艙位布置問(wèn)題是一個(gè)權(quán)衡迭代過(guò)程，尤其在已有設(shè)計(jì)框架下進(jìn)行較大的工程更改，需要考慮多種因素，協(xié)調(diào)各專(zhuān)業(yè)意見(jiàn)，在保證滿(mǎn)足更改目標(biāo)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(jì)方案為例，詳細(xì)介紹了布置設(shè)計(jì)的過(guò)程和方法，為民用飛機(jī)分艙布置設(shè)計(jì)提供了一些思路，對(duì)民用飛機(jī)的布置設(shè)計(jì)有一定借鑒作用。

【參考文獻(xiàn)】

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[責(zé)任編輯：田吉捷]