陳茹 劉雷
(北京青云航空儀表有限公司,北京101300)
現(xiàn)代飛機(jī)大多設(shè)計(jì)有反推系統(tǒng),主要功能是在飛機(jī)著陸時(shí)提供反推力,以減輕機(jī)輪剎車(chē)的負(fù)載,提高制動(dòng)性能。飛機(jī)反推系統(tǒng)發(fā)生故障的后果嚴(yán)重,其中,反推意外打開(kāi)可能引發(fā)災(zāi)難性事故。天馬航空402號(hào)航班起飛時(shí),右舷發(fā)動(dòng)機(jī)出現(xiàn)一個(gè)不受指令的反推力,致使飛機(jī)不受控制失速,造成99人死亡;勞達(dá)航空004號(hào)航班駕駛B767飛機(jī),因反推在空中意外打開(kāi),導(dǎo)致全機(jī)223人不幸罹難。此外,統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示,反推開(kāi)鎖是造成發(fā)動(dòng)機(jī)空停/中斷起飛/返航/取消延誤的最主要原因[1]。因此,反推功能對(duì)飛機(jī)經(jīng)濟(jì)性和航班可靠度影響較大。
駕駛?cè)藛T的人為差錯(cuò)是飛機(jī)失事的重要原因[2]。為防止反推操縱錯(cuò)誤或不當(dāng)導(dǎo)致的反推故障,需進(jìn)行反推力防誤動(dòng)設(shè)計(jì)。發(fā)動(dòng)機(jī)的推力控制器件一般是位于中央駕駛臺(tái)的推力控制桿(也稱(chēng)油門(mén)桿或油門(mén)臺(tái))。通過(guò)推力控制桿在反推行程內(nèi)的操縱,產(chǎn)生反推控制指令并傳遞給發(fā)動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng),以實(shí)現(xiàn)飛機(jī)反推力的控制。本文介紹了幾種常見(jiàn)的防油門(mén)桿反推誤操作的方法。
適航條款第25.1155條要求反推力的每一操縱器件必須有防止被誤動(dòng)的措施,且在慢車(chē)位置有可靠的鎖和止動(dòng)裝置。當(dāng)操縱器件從正推力狀態(tài)移開(kāi)時(shí),必須有一個(gè)單獨(dú)和明確的操縱動(dòng)作,以保證飛行安全[3,4]。
在飛行慢車(chē)位置的鎖或止動(dòng)器可為機(jī)械式或電控式。其中,機(jī)械鎖止器方案受油門(mén)桿組件構(gòu)型的影響,目前根據(jù)正反推油門(mén)桿的相對(duì)位置,主要有直通式構(gòu)型和背負(fù)式構(gòu)型,背負(fù)桿式油門(mén)臺(tái)正推力和反推力由兩根桿分別控制,直通式油門(mén)臺(tái)由同一根桿控制。
采用純機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)可以實(shí)現(xiàn)對(duì)反推操縱的防誤動(dòng)設(shè)計(jì),從功能上實(shí)現(xiàn)機(jī)械內(nèi)鎖的作用。常見(jiàn)的機(jī)械止動(dòng)結(jié)構(gòu)包括棘爪/棘輪、限位銷(xiāo)、限位槽等。
2.1.1 直通式油門(mén)臺(tái)扳機(jī)式防誤操作
A320、ARJ21、新舟系列客機(jī)的油門(mén)臺(tái)均采用直通式油門(mén)臺(tái)構(gòu)型[5,6]。正推桿和反推桿為同一桿,但正推行程與反推行程位于兩段不同的滑軌上,兩條滑軌在慢車(chē)位置相交處設(shè)置臺(tái)階(機(jī)械擋塊)作為止動(dòng)面。當(dāng)飛行員由正推操作轉(zhuǎn)向反推操作時(shí),需在慢車(chē)位置操作扳機(jī),解除機(jī)械限位的阻擋,使與油門(mén)桿連接的銷(xiāo)軸由正推軌道進(jìn)入反推軌道。為防止反推誤動(dòng),可設(shè)置一個(gè)彈簧與銷(xiāo)軸相連,使銷(xiāo)軸在彈簧力作用下可保持在正推軌道內(nèi),在臺(tái)階處變換軌道時(shí),需克服彈簧力,才能將滾柱拉入反推軌道。典型結(jié)構(gòu)如圖1所示。
圖1 扳機(jī)式防誤操作原理圖
2.1.2 背負(fù)式油門(mén)臺(tái)正反推互鎖
對(duì)于背負(fù)式油門(mén)桿,正、反推桿分別在各自的導(dǎo)軌內(nèi)運(yùn)動(dòng),實(shí)現(xiàn)正反推互鎖。
空客飛機(jī)采用導(dǎo)軌和滾子或銷(xiāo)的鎖定方式,正反推軌道分離,分別與正推桿和反推桿相連的兩個(gè)滾子在各自軌道內(nèi)運(yùn)動(dòng),兩滾子間通過(guò)連鎖桿實(shí)現(xiàn)連接。利用兩個(gè)推力軌道的錯(cuò)位匹配,連鎖桿兩端的滾體分別會(huì)在正推力軌道和反推力軌道中運(yùn)動(dòng),當(dāng)一側(cè)的滾體處于推力軌道時(shí),另一側(cè)的滾體處于限位卡槽。
波音飛機(jī)油門(mén)桿曾采用過(guò)棘爪的止動(dòng)方式[5]。如圖2(a)所示,當(dāng)正推力桿進(jìn)入正推力區(qū)域時(shí),棘爪端部A位于控制腹板下方,此時(shí),棘爪端部B可鎖定反推拉桿(反推拉桿與反推桿相連),使反推拉桿與正推桿保持相對(duì)位置的固定,即反推桿處于慢車(chē)位置。當(dāng)正推力桿位于飛行慢車(chē)位置時(shí),拉動(dòng)反推手柄,與反推桿相連的反推拉桿可推動(dòng)棘爪向上,使棘爪端部A卡在腹板孔位置,棘爪尾部C可鎖定正推桿,防止正推力桿移動(dòng),同時(shí),棘爪端部B可解除對(duì)反推拉桿的限位,允許飛行機(jī)組移動(dòng)反推手柄,圖2(b)所示。
圖2 棘爪原理圖
除機(jī)械式防誤操作外,波音、新舟等系列飛機(jī)還增加了電子控制的反推力聯(lián)鎖裝置(電磁鎖)。電磁鎖位于反推慢車(chē)位置,多數(shù)時(shí)間處于鎖定狀態(tài)下,以防止反推意外打開(kāi);當(dāng)反推桿轉(zhuǎn)動(dòng)到設(shè)定角度時(shí),經(jīng)過(guò)發(fā)動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)信號(hào)接收和邏輯處理,向油門(mén)臺(tái)發(fā)送電磁鎖打開(kāi)指令,允許反推桿移動(dòng)、進(jìn)一步增大反推力。
正反推油門(mén)桿相對(duì)位置作為反推防誤動(dòng)方案的結(jié)構(gòu)上的限制條件,會(huì)間接影響反推防誤動(dòng)方案的選擇。
直通式油門(mén)桿結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,直接與角度解算器或輸出軸相連。相對(duì)來(lái)說(shuō)體積小,重量輕,可靠性指標(biāo)更容易滿(mǎn)足。對(duì)于需要兩個(gè)以上油門(mén)桿的情況,如四發(fā)干線(xiàn)飛機(jī),考慮駕駛員一只手難以同時(shí)操作四個(gè)反推扳機(jī),一般不選擇直通式油門(mén)桿。
背負(fù)式油門(mén)桿布局,實(shí)現(xiàn)了反推力桿與正推力桿的分離,使正推行程和反推行程的空間角度變大,利于操縱精度的提高,適合飛行平穩(wěn)、不需頻繁操縱的運(yùn)輸機(jī)。
導(dǎo)軌-滾子/銷(xiāo)的止動(dòng)鎖設(shè)計(jì)利用了正推桿和反推桿的弧形運(yùn)動(dòng)軌跡,整個(gè)油門(mén)臺(tái)機(jī)械部分采用軸承和齒輪的傳動(dòng)方式,結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)巧妙,止動(dòng)面防突破能力強(qiáng),不易發(fā)生磨損和卡滯,具備一定的優(yōu)勢(shì)性。棘爪和控制腹板的止動(dòng)鎖設(shè)計(jì)需要一個(gè)長(zhǎng)度可變的桿,以消除棘爪機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)帶來(lái)的軌跡變動(dòng)影響,因此,整個(gè)油門(mén)臺(tái)采用連桿的傳動(dòng)方式。止動(dòng)器機(jī)械鎖最終效果的好壞,如操作舒適性、可靠性等,除止動(dòng)鎖的機(jī)械類(lèi)別差異外,很大程度上取決于整體設(shè)計(jì)方案的優(yōu)化程度、工藝合理性以及對(duì)生產(chǎn)過(guò)程的控制。
反推功能失效影響等級(jí)較大的情況包括空中反推意外打開(kāi)(單側(cè)或雙側(cè))和著陸時(shí)反推失效(單側(cè)或雙側(cè))。對(duì)應(yīng)于反推操縱器件相關(guān)的子故障為:空中單側(cè)反推手柄意外操作、空中雙側(cè)反推手柄意外操作、以及著陸時(shí)雙側(cè)反推無(wú)法操作(當(dāng)單側(cè)反推操縱器件故障時(shí),飛行員根據(jù)操作程序應(yīng)停止單側(cè)反推操作)。
雖然僅設(shè)置機(jī)械反推鎖,但可以滿(mǎn)足適航條款25.1155條的要求。同時(shí)在反推機(jī)械鎖的基礎(chǔ)上增加反推電磁鎖,為防止反推誤操作提供了雙重屏障,在反推機(jī)械鎖被意外打開(kāi)時(shí),如遇到顛簸反推鎖被暴力解鎖或飛行員無(wú)意碰觸油門(mén)桿造成意外解鎖,電磁鎖可有效減少空中反推意外打開(kāi)的概率,僅從該功能失效狀態(tài)考慮,電磁鎖的增加有利于提升飛機(jī)的安全性。
但電磁鎖的增加也會(huì)帶來(lái)一些弊端。電磁鎖組件內(nèi)存在壽件和易損件時(shí),可能影響整個(gè)油門(mén)臺(tái)的所用壽命,增加維修成本;電磁鎖存在無(wú)法打開(kāi)的風(fēng)險(xiǎn),降低了油門(mén)桿反推操作的工作可靠性。
反推操縱的防操作方案的選擇,應(yīng)考慮從飛機(jī)到系統(tǒng)到設(shè)備的需求分配指標(biāo),結(jié)合油門(mén)臺(tái)供應(yīng)商的技術(shù)基礎(chǔ)和優(yōu)勢(shì),在滿(mǎn)足主機(jī)要求和適航條款要求的前提下,從對(duì)飛機(jī)的安全性、可靠性、維修成本、經(jīng)濟(jì)性、人機(jī)工效等多方面進(jìn)行綜合權(quán)衡,尋求對(duì)上述指標(biāo)貢獻(xiàn)更大的方案。在電磁鎖技術(shù)成熟,故障率低的情況下,傾向于采用機(jī)械鎖和電磁鎖結(jié)合的方式,以提高反推功能的安全性,降低失效概率,滿(mǎn)足反推操縱器件的防誤動(dòng)要求。