■ 曾濤 / 中國航發(fā)商發(fā)

增推起飛（bump rating）是通過犧牲發(fā)動機排氣溫度（EGT）裕度獲取更大的推力，并通過飛行員人工選擇予以激活的額外起飛推力等級，適用于特定的高原運行場景。增推起飛發(fā)動機在設計時須重點考慮性能方案和操控方案。

中國是世界范圍內(nèi)高原機場較多的國家之一，因此，高原運行成為國內(nèi)民用航空器設計和運行必須考慮的問題。例如，CFM國際公司為中國商飛C919飛機提供的LEAP-1C發(fā)動機包括了C28、C30和C30B1等3種性能構型，其中C30B1提供了增推起飛（bump rating），以支持C919飛機的高原運行需求。本文以國產(chǎn)民用飛機和航空發(fā)動機的設計經(jīng)驗為基礎，參考國外成熟方案，給出民用航空發(fā)動機增推起飛的設計方法，希望可以為有高原運行需求的發(fā)動機的研制提供一定參考。

增推起飛的需求來源

發(fā)動機高溫高原運行分析

機場標高在1524～2438m的機場稱為高原機場，機場標高在2438m以上的機場稱為高高原機場[1]。高原機場運行的典型特點之一是發(fā)動機推力衰減，而在高溫高原機場運行條件下發(fā)動機推力衰減尤為顯著。典型的涵道比為10∶1的干線飛機發(fā)動機起飛推力高度特性如圖1所示，溫度特性如圖2所示。標準天溫度下，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)動機推力進一步衰減至海平面狀態(tài)的72%。

圖1 典型干線飛機發(fā)動機起飛推力高度特性

圖2 典型干線飛機發(fā)動機起飛推力溫度特性

高溫高原條件下起飛推力的衰減，使得民用飛機必須對起飛質(zhì)量進行限制，進而影響飛機載客量或者航程。但是，在航線運營中常常出現(xiàn)針對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行。如何在高溫高原條件下保證飛機的滿載運行需求成為一個必須考慮的問題。

高原增推備選方案對比

在保持發(fā)動機基本構型的前提下，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)動機，提高發(fā)動機高原狀態(tài)的排氣溫度（EGT）限制，從而獲得更大發(fā)動機推力；第二種是增推起飛發(fā)動機，發(fā)動機正常起飛推力保持不變，額外設計一個具備更大起飛推力的增推起飛等級，日常運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，實現(xiàn)更大起飛推力。

高原型發(fā)動機與增推起飛發(fā)動機的性能調(diào)整思路并無本質(zhì)不同，都是通過犧牲EGT換取更大推力，但二者之間的差異有兩點：一是發(fā)動機默認運行功率，高原型發(fā)動機的默認運行功率高于增推起飛發(fā)動機；二是飛行員的操作，增推起飛發(fā)動機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)動機飛行操作簡單，但日常運行在較高EGT水平，導致經(jīng)濟性下降；增推起飛發(fā)動機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，運行經(jīng)濟性優(yōu)于高原型發(fā)動機，但須飛行員額外操作導致系統(tǒng)復雜度較高。綜合考慮經(jīng)濟性和飛行員操作負擔兩個因素，高原型發(fā)動機方案適用于長期運行在高原航線的飛機；而增推起飛發(fā)動機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。

綜合以上，增推起飛可定義為一種通過犧牲發(fā)動機EGT裕度獲取更大的推力并通過飛行員人工選擇予以激活的額外起飛推力等級，因此增推起飛的設計應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計

基于飛機需求的增推起飛性能設計流程

增推起飛作為一種額外的起飛推力等級，其性能方案應在正常起飛推力的基礎上對標飛機需求開展設計。因此，增推起飛的性能設計思路是基于飛機需求和發(fā)動機正常起飛推力在設計點的差值來建立特性曲線，而后通過特性曲線的聯(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計流程

增推起飛性能設計實例

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

表1 飛機高溫高原需求和發(fā)動機正常起飛推力對比

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。須針對不同速度分別建立單獨的高度特性曲線。不同高度間采用線性假設，圖4同時標出了與表1中設計點的對應關系。

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。針對不同高度需分別建立單獨的速度特性曲線。通常，在不同設計點間取線性內(nèi)插，設計點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。對于拐點溫度和設計點溫度之間的區(qū)域， 采用線性插值；對于低于拐點溫度的區(qū)域和高于設計點溫度的區(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行發(fā)動機性能方案校核，即可得到最終的增推起飛性能方案。

增推起飛操控方案設計

對于增推起飛發(fā)動機，同時存在正常起飛和增推起飛兩種起飛功率。為了實現(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設置在油門臺上的硬按鈕進行手動激活，每臺發(fā)動機由獨立的激活按鈕進行控制。為了防止誤操作，通常在硬按鈕上增加一個保護裝置。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算機或者其他系統(tǒng)上設置軟件控制開關，由飛行員通過一定操作激活增推起飛。在專利《用于控制飛機的額外起飛推力的方法和裝置》中，給出了一種通過軟件按鈕實現(xiàn)的增推起飛激活方案[2]。

硬按鈕操作便利，但需要對油門臺進行改裝，引入按鈕硬件和信號線，導致系統(tǒng)質(zhì)量的增加。軟按鈕方案雖不會增加質(zhì)量，但相對于硬按紐，飛行員操作時間長?；谝陨咸攸c，在設計中可根據(jù)質(zhì)量和使用場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景，軟按鈕方案適用于在起飛前進行推力設定且無須在空中緊急使用的場景。

結束語

增推起飛是一種在正常起飛推力等級之外額外增加的可選起飛推力等級，是高溫高原推力問題的典型解決方案。由于其經(jīng)濟性的優(yōu)勢，增推起飛適用于兼顧高原和平原運行場景的民用飛機。本文對增推起飛的性能方案和操控方案設計方法進行了闡述，而增推起飛對發(fā)動機壽命影響的換算關系、增推起飛的試驗驗證方法、增推起飛對運行安全性的影響等仍須進一步細化。希望隨著國產(chǎn)民用航空發(fā)動機和飛機項目的研發(fā)進展，最終形成完整的增推起飛設計、驗證與評估體系。