渦扇噴氣發動機反推裝置的替換方案研究

蘭星海 陳魯峰 陳鐵娟

【摘要】渦扇噴氣發動機反推裝置在飛機降落著陸和中止起飛中對減小滑跑距離起著很重要的作用，但是反推裝置對發動機性能和重量等存在一定的局限性，同時反推裝置的維修成本也比較高。本文提出了一種替換發動機反推裝置的更改方案，并利用Matlab中的Simulink模塊進行模擬仿真，從起降滑跑長度和經濟性進行分析，證明了方案的可行性。

【關鍵詞】發動機反推；建模仿真；滑跑距離

1發動機反推介紹

飛機的減速系統在飛機起飛和著陸過程起著極其重要的作用，目前大型渦扇噴氣飛機上的減速裝置主要是輪胎剎車、氣動減速和發動機反推。其中在正常天氣條件下，輪胎剎車、氣動減速都能基本滿足要求。但是在濕滑跑道條件下，地面與輪胎摩擦系數減小，反推的作用就顯得尤為明顯。為了滿足目前適航條款中對飛機起降滑跑長度、中止起飛（RTO）都有明確要求，因此幾乎所有的民用大型渦扇噴氣飛機的發動機都安裝有反推。

2發動機反推利弊分析

事實上，發動機反推在干燥跑道情況下對縮短滑跑距離的貢獻不大，但是在濕滑跑道上，對滑跑距離的影響極其明顯。因此飛行員可以根據跑道情況來選擇是否使用反推。

雖然發動機反推用來作為一種飛機減速的有效手段，但是它對發動機的安裝和性能帶來局限性，同時還會影響短艙的設計、發動機巡航性能、維修成本、可靠性等。

反推作為發動機的附屬設備，其功能單一，僅在飛機滑跑減速時使用，由于使用時氣流的向前噴出，會產生噪音和卷起跑道異物，潛在安全隱患。2000年的法航“協和”號空難事故經調查就是由4分鐘前起飛的一架DC10飛機反推上脫落的一個鈦合金零件刺穿其輪胎引起的。

因此，雖然反推能縮短滑跑距離，并且在濕滑跑道上的作用明顯，但由于其結構復雜，影響發動機重量和使用效率、增加飛機維修成本和低可靠性，因此很多航空公司和航空制造商正在考慮取消發動機反推，以A380為例，4個發動機中僅有內側兩個發動機安裝了發動機反推。

本文利用Matlab中的Simulink模塊，對飛機三種減速系統就行建模仿真，并針對給出的取消反推的解決方案，對更改的可行性進行了分析。

3替換方案分析

針對飛機上三種減速系統，把減速阻力分為三類：氣動阻力、剎車阻力、反推阻力。若要取消發動機反推，但同時保證飛機在降落滑跑或起飛中止過程中提供足夠的阻力，必須試圖增加另外兩種阻力。

剎車阻力與飛機著陸重量和地面摩擦系數有關，速度越大，摩擦系數越小。并且在干燥跑道和濕滑跑道情況下，摩擦系數變化較大，比較難以模擬更改。因此通過增加剎車阻力的辦法難以得到工程實踐。

相比之下，氣動阻力比較簡單，飛機在滑跑時，氣動阻力主要由機翼上的減速裝置來實現，如襟翼、擾流板等。

根據公式F=■C■ρSV■，如果增加氣動面積和著陸速度，飛機氣動阻力會大大增加，可以較大程度的縮短滑跑距離。

因此，為了彌補取消反推引起的阻力損失，我們選擇提高擾流板阻力系數，增加擾流板面積的方案。

以A320為例，取消雙發的反推裝置，飛機重量減少700kg，機翼面積增加11m2，擾流板阻力系數由0.14增至0.2240。

4仿真建模

在本文的模型中，模擬在給定的初速度下，各減速系統對速度和滑跑長度的影響，從而確定各個減速裝置在飛機減速過程中的作用。

剎車阻力與飛機著陸重量和地面摩擦系數有關，可以根據不同跑道狀況下速度對應的摩擦系數，得到在給定速度情況下的剎車阻力 。

對于反推阻力，一般來說，飛機輪胎著陸后2秒開始啟用反推，并且發動機達到最大推力狀態，直到飛機減速至某一特定速度后，關閉發動機，關閉反推。

最終，得到了飛機在3種阻力下的仿真模型，如圖 1所示。

圖 1模型圖

5實例分析

在本文的研究中，以A320為案例，通過降落著陸和中止起飛兩種工況，從著陸速度、滑跑長度等各方面對兩種構型進行比較。表1中構型1為A320的基本構型，構形2取消發動機反推的更改構型。

表1兩種構型的參數比較

5.1降落著陸

設定t=0為飛機著陸點，從這一刻起，剎車、擾流板、反推開始作用，提供阻力，使飛機速度減至為0，圖2至圖3為兩種構型分別在濕滑跑道和干燥跑道上的速度和阻力變化及滑跑距離。

另外，通過對濕滑跑道上襟翼擾流板等失效進行了仿真模擬，最后得到了各種狀況下的著陸速度和滑跑距離。

根據表2可以看出，在無失效狀況下，兩種構型的著陸滑跑距離基本上一致。但是在裝置失效（襟翼、擾流板）的情況下，滑跑距離會略有增加。但是按照適航要求，供A320飛機起降的機場跑道長度需達到4C標準，即至少為2400m，因此構型2能滿足機場長度的要求。

表2兩種構型的滑跑距離比較

5.2中止起飛（RTO）

中止起飛是指飛機在起飛過程中發生重大失效（如發動機失效），飛行員決定中斷起飛的情況，并且中止起飛只能是在飛機起飛速度未達到某一特定速度V1時才能執行。當速度低于V1執行中止起飛命令時，飛機必須能安全的停止在跑道上而不沖出跑道。

在本文的研究中，以A320為例，參照空客公司的數據， V1=135knots。

按照CCAR/FAR25要求，加速-停止距離的計算公式如下：

L■=L■+L■+L■

其中，L■=2V，L■=■■

由于反推在濕滑跑道情況下作用顯著，本文僅對濕滑跑道下兩種構型的加速-停止距離進行計算比較，結果如表3所示：

表3兩種構型加速-停止距離比較

根據上表可以看出，取消反推，加速-停止距離會增加15%，但是構型2距離也僅為1627m，仍然能滿足機場長度的要求。

6經濟性

在本文涉及的更改方案中，以A320為例，取消發動機反推，增加擾流板和機翼面積，由此引起的飛機重量減少了700kg，導致每年每架飛機直接使用成本可減少近$350,000。同時，取消了發動機發推，每年可節省用于反推的維修費近$120,000。因此，構型2相比于原構型，每架飛機每年的直接運營成本會減少近$470,000，這對于無論是大型航空公司或小型支線航空公司來說都是一筆很大的利潤。

7結論

根據本文研究，以A320為例，若取消發動機反推，增加擾流板面積和機翼面積，在無裝置失效的情況下，飛機降落時滑跑距離基本上保持一致。中止起飛時加速-停止距離會增加15%，但能滿足機場長度的要求。

同時，由于取消發動機反推引起的重量減少和維修成本節省會導致每架飛機每年的直接運營成本減少近$470,000。由于本文所涉及的研究僅以A320為案例，從飛機起降滑跑長度和重量引起的變化上比較方案的優劣，沒有考慮增加擾流板和機翼面積在制造上的可行性以及不同重量等級的飛機的差異性，但是，本文提出的更改方案值得航空制造企業進行更加深入論證研究。

【參考文獻】

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［責任編輯：薛俊歌］