軍用飛機上的沖壓空氣渦輪

潘文林

一天，一架單發教練機照例進行飛行訓練。正當教官和學員對此次飛行感到滿意之際，發動機突然停車。雖經多次努力，依然無法起動。教官明白，發動機一旦空中停車將導致飛機失去電力，起落架無法正常放下。就在這危急時刻，在飛機背部很快伸出一個微小的頗像風車一樣的東西，迎著氣流高速旋轉……

讀到這里，讀者或許已經聯想到風力發電裝置那幾片碩大的槳葉。大家對風力發電都不陌生，知道這是將風能轉化為電能的一種有效方式。其實，在某些軍用飛機及其部分外掛特種設備上也有類似發電風車的那種裝置，它就是本文的主角——沖壓空氣渦輪。在某些時候，這種看似渺小、不足為奇的小東西，卻可以起到四兩撥千斤的作用。

電力對于任何一部現代化的機械或電子設備都是至關重要的，飛機也不例外。在當代，人類已經越來越多地依賴液壓能和電力來操縱飛機。液壓系統依然是主、副飛行控制系統，起落架，剎車和防滑系統的最為有效的動力源。沒有電力，飛行員不僅無法讀取有關飛行數據，也無法駕駛飛機。因為用于保障飛行安全或與操縱飛機直接相關的液壓系統、電子設備、起落架的收放，以及發動機的控制等均需要有一定的電源。

飛機的電源系統，是飛機上用于產生和變換電能的系統。飛機的電源系統要求可靠性高，必須采用多種措施來滿足這個要求，如采用余度技術和應急措施等。任何一架飛機，無論其多么先進，都存在發動機空中停車的可能性。在一般情況下，由于是發動機帶動電動機，發動機一旦停車，飛機將失去動力和主要電力來源。因此，飛機上的電源系統除了地面電源外，一般由主電源、輔助電源、備份電源、應急電源等組成。主電源是由航空發動機直接或間接帶動的發電機及其控制系統，在發動機工作期間負責將機械能轉換成符合一定要求的電能。

正是出于安全上的需要，在飛機上一般都會設第二動力系統，也就是獨立于主發動機，為機載設備提供輔助與急需功率，并能起動主發動機的整套裝置。第二動力系統由輔助動力裝置、應急動力裝置、起動裝置、附件驅動裝置、發電機、液壓泵等組成。

輔助動力裝置作為飛機第二動力系統的核心，實際上是一臺專門設計的小型燃氣渦輪發動機，具有獨立的燃油、滑油、起動、冷卻系統，可以為機載設備提供輔助及應急功率，并能起動主發動機。例如F-22A戰斗機使用的G250型輔助動力裝置，功率為335千瓦，可以驅動一臺27千瓦發電機和一臺流量為100升/分的液壓泵。KC-10A加油機在機身尾部安裝的TSCP-700-4型輔助動力裝置既可以提供地面電源和冷氣電源，起動主發動機并提供飛行中輔助電源，還可驅動一臺90千伏安交流發電機，用于地面和高空緊急供電。

航空蓄電池可以提供短時間的功率儲存能力，典型的可達30分鐘。其主要用途是作為飛機發動機的起動電源；在飛機主電源不工作或發生故障時作為輔助電源或應急電源向重要用電設備供電。蓄電池作應急電源使用時，常與作為主電源的直流發電機并聯使用。正常情況下，由發電機向用電設備供電，同時對蓄電池充電。發電機出現故障時，改由蓄電池供電。例如，C-17運輸機的兩個40安時的鎳鎘蓄電池用于啟動輔助動力裝置并提供應急直流電。MB339教練機的兩個24伏22安時的鎳鎘蓄電池則用于啟動發動機。

如果輔助電源依然不能為飛機提供電力，或者干脆就沒有輔助電源，航空電子設備及相關飛行操縱系統就不能正常工作，飛行員也就無法讀取飛行參數。為此，就必須在危急時刻，為飛機飛行提供必要的動力源，哪怕是僅供讀取幾個關鍵數據、放下起落架即可。這就需要飛機上設置應急電源，而提供應急動力的方法也可以是多種選擇，包括應急動力裝置、電動液壓泵或沖壓空氣渦輪。

沖壓空氣渦輪是利用氣流在渦輪葉片上的作用，使其轉動做功的一種動力裝置。沖壓空氣渦輪主要由輪轂、葉片和槳距調節機構、連接機身結構的支臂及傳動機構和一個或多個定量或變量液壓泵等組成。飛機上的沖壓空氣渦輪有螺旋槳式和涵道式兩種結構型式。前者的葉片數目較少，一般是2～4片（具體視葉片的長度而定，葉片越短則數量越多）；后者的葉片數目多達數十片。根據交流發電機、液壓泵和燃油泵等負載要求，沖壓空氣渦輪有恒轉速和可調轉速兩種。前者不論負載載荷和氣動力載荷如何變化，其槳距調節機構都能自動保持其轉速恒定；后者則根據飛行速度、高度和負載載荷變化，通過槳距調節機構自動改變轉速。調速器有機械式、液壓式與數控式，此外還具有超速保護，從而提高了使用可靠性。執行渦輪槳距變換和轉速控制職能的通常有液壓槳距控制系統、滾珠絲杠、步進電機調節機構和離心塊調節機構等。

飛機上的沖壓空氣渦輪平時都收藏在蒙皮下面，機身、發動機短艙、機翼下面都有可能安裝沖壓空氣渦輪。應急需要時，依賴作動筒自動或人工將其伸出，由流經渦輪的氣流驅動一臺功率有限的小型應急發電機，其功率一般足以給駕駛員的基本飛行儀表和其他少量的重要用電裝置供電。典型的沖壓空氣渦輪發電機的規格依飛機的不同從5～15千伏安不等。沖壓空氣渦輪也驅動一臺小型的液壓泵，作為液壓系統應急動力裝置。沖壓空氣渦輪一旦展開則在飛行過程中始終保持伸出狀態，只有經過地面維護后方可重新收藏進去。

輔助動力裝置、蓄電池和沖壓空氣渦輪是否在飛機上同時存在，需要視其大小而定。一般來說，大中型客機和較大些的公務機是既有輔助動力裝置、蓄電池，也有沖壓空氣渦輪。而在許多軍用飛機上，一般很難同時存在，甚至根本就沒有輔助動力裝置和沖壓空氣渦輪。不過，仍有許多軍用飛機堅持使用沖壓空氣渦輪。

早在第一次世界大戰期間，某些軍用飛機就裝有沖壓空氣渦輪。當時飛機的最大起飛重量較小，攜帶機載武器已經相當困難，更別奢望什么額外的電源系統，而當時的技術也只能選擇重量較輕、結構簡單的沖壓空氣渦輪。例如，英國皇家航空器工廠研發的F.E.2戰斗機，在機身腹部靠左位置安有一部沖壓空氣渦輪。相關人員甚至在該機機頭位置安裝了為探照燈提供電源的沖壓空氣渦輪。

1955年首飛的美國XF-84H驗證機，因在背鰭里面安裝了一部沖壓空氣渦輪，而成為世界上第一架采用可收放沖壓空氣渦輪系統的飛機。此后，便有許多軍用飛機使用該裝置。英國的D.H.110“海雌狐”“鷂”“海鷂”戰斗機、“狂風”截擊型戰斗機，“鷹”教練/攻擊機，“勝利者”轟炸機；瑞典的J-35、AJ/JA/ SH37、JAS39戰斗機；美國的A3D/A-3、A-4、A-6、A-7攻擊機，F-102、F-104、F-106、F-4、F-8戰斗機， T-45教練機，EA-6電子干擾機，C-5、C-17運輸機；阿根廷的IA63教練機等均裝有沖壓空氣渦輪。一些由民用飛機衍生而來的軍用飛機，原本就有沖壓空氣渦輪，在改裝時予以保留。這些飛機包括E-737預警機，P-8海上巡邏機，KC-767、A310MRTT、A330 MRTT/KC-30加油機等。

為了進一步了解沖壓空氣渦輪及其作用，我們不妨再看看一些軍用飛機上的液壓系統、沖壓空氣渦輪等裝置的安裝使用情況。

英國的“獵迷”海上巡邏機上共有兩套主液壓系統和一套輔助液壓系統，分別標識為藍、綠、黃系統。其中，黃色系統可在兩套主液壓系統均出現故障的情況下，為升降舵、副翼和方向舵的驅動供壓，并可在全部發動機失效情況下，利用沖壓空氣渦輪提供的動力工作。

英、德、意三國聯合研制的“狂風”戰斗轟炸機上安裝有兩套獨立的液壓系統，并由兩臺發動機分別驅動其中的一套。液壓系統用于機翼變后掠、襟翼、縫翼、擾流板、減速板、全動平尾、方向舵、起落架和受油探管的操縱。任何一臺發動機失效時，機械交聯裝置可將兩套系統轉換到由另一臺發動機驅動。英國獨自研發的防空截擊型“狂風”飛機裝備了沖壓空氣渦輪，當兩臺發動機速度都降至低于規定值時，它可自動展開。沖壓空氣渦輪可以保持1號液壓系統有足夠的壓力，在發動機重新起動過程中可以充分操縱全動平尾。

捷克研發的L-39教練機擁有交聯的主、備用液壓系統。主系統用于驅動起落架、襟翼、減速板和機輪剎車，應急系統用于減速板以外的所有驅動工作，包括三個蓄壓器。12伏、28安時的鉛酸或鎳鎘蓄電池用作備份電源和起動輔助動力裝置。發動機驅動的7.5千伏安發電機提供27伏直流電，若主電源失效，V910沖壓空氣渦輪就自動伸到氣流中，提供3千伏安的應急電源，以滿足基本需要。

加拿大空軍的CC-144/CP-144/CE-144 運輸/海上巡邏/電子戰飛機（CL-600系列公務機）擁有三套液壓系統。1號系統為飛行操縱系統提供動力，2號系統為飛行操縱系統和剎車系統提供動力，3號系統為飛行操縱系統、起落架收放、剎車、前輪轉彎提供動力。電源系統包括兩臺30千伏安交流發電機，一個24伏、17安時的鎳鎘蓄電池和一個24伏、43安時的鎳鎘輔助蓄電池。備用主電源包括由輔助動力裝置和沖壓空氣渦輪。后者可在由發動機驅動的發電機、輔助動力裝置都可在失效時自動起動。

美國海軍的T-45教練機，有兩套液壓系統。第一套用于驅動控制作動筒、襟翼、減速板、起落架、攔阻鉤和防滑機輪剎車，第二套專用于動力飛行控制。在發動機或第二套液壓系統失效的情況下，提供飛控所需的應急液壓動力。

不光是飛機本身需要電力或液壓動力，某些外掛特種設備也需要有電源或液壓支持。這也包括沖壓空氣渦輪提供的電力和其他形式的動力來源。

在采用軟式加油系統的加油機上，一般在兩翼下各攜帶一具空中加油吊艙。加油吊艙通常由動力裝置、燃油系統、液壓系統、軟管絞盤系統、輸油軟管、電子電氣系統和殼體等組成。大多數空中加油吊艙的頭部均有沖壓空氣渦輪，以驅動加油泵或液壓泵。加油泵主要滿足受油機空中加油時對加油的流量和壓力要求，液壓泵（在回繞輸油軟管時起液壓馬達的作用）則用于控制輸油軟管放出速度并回收輸油軟管。

例如，英國空中加油公司研發的MK.32型加油吊艙，頭部裝有一部直徑為600毫米的變距式沖壓空氣渦輪，額定輸出功率為40千瓦左右，同軸驅動一臺離心式加油泵。載機巡航時，渦輪處于順槳狀態，轉速為500～700轉/分，進入加油工況后，渦輪自動增速到6500轉/分。通過改變沖壓空氣渦輪的轉速，使加油接頭處的油壓保持在規定的范圍內。輸油軟管收放由燃油控制閥、液壓泵及軟管卷盤構成的系統完成。閥芯移動即改變液壓泵的工況及出入口通道截面積，液壓泵又通過鏈條帶動軟管卷盤。空勤人員把軟管電門撥到“拖曳”位置后，卷盤松剎，輸油錐管在緩沖彈簧推動下進入氣流，傘狀錐套張開并在氣流推動下把輸油軟管繼續拉出直到全拖曳位置。在此之初，燃油控制閥接受指令，使液壓泵處于泵工況，通過卷盤吸收軟管放出時的動能，控制系統即時測取軟管的放出速度再通過控制閥改變泵的出口通道面積，使軟管放出速度在給定的范圍內變化。加油完畢，加油員把輸油軟管電門撥回到“回繞”位置，控制閥使液壓泵轉為馬達工況，同時渦輪升速到6900轉/分，加油泵輸出較高的壓力進入控制系統，驅動馬達旋轉，齒輪箱帶動卷盤回繞輸油軟管。同樣，根據輸油軟管回收速度改變控制閥閥芯位置，亦即改變液壓泵進口通道面積，控制液壓泵轉速，使輸油軟管回繞速度在給定范圍內變化。回繞完畢，控制閥回中，封閉液壓泵進出口通道，輸油錐管鎖定在收藏位置。

法國英特公司研發的P/N230189型伙伴加油吊艙的動力裝置為一部四葉片定距式沖壓空氣渦輪，只有順槳及額定兩個狀態，同軸驅動一臺液壓泵為加油泵、輸油軟管收放及控制系統提供液壓源。加油時渦輪由順槳狀態升速到額定狀態即4000轉/分，液壓系統壓力升至209兆帕，燃油控制閥控制馬達旋轉，帶動離心式加油泵吸入油箱內的燃油，燃油被增壓后經文氏管、流量計、卷盤空心軸、輸油軟管、非調壓式加油接頭輸入受油機。該型吊艙在收放輸油軟管時，其液壓泵的工作狀況大致與MK.32型加油吊艙相同。

美國EA-6和EA-18G 電子干擾機攜帶的AN/ALQ-99電子干擾吊艙的電力也來自沖壓空氣渦輪。以EA-18G使用的AN/ALQ-99F（Ⅴ）干擾吊艙為例，該吊艙由一個升級型通用激勵器、兩個發射機和兩個方向可調高增益發射天線等組成。利用頭部的沖壓空氣渦輪獨立產生電力，最大發電能力為27千伏安。當飛機指示空速達到185千米/時，沖壓空氣渦輪開始工作；當飛機指示空速達到356千米/時，每個吊艙的沖壓空氣渦輪可為任一個發射陣列提供足夠的發射功率；超過407千米/時，可為兩個發射陣列提供足夠的發射功率。

目前，僅有少數電子干擾吊艙使用沖壓空氣渦輪，而更多的電子干擾吊艙沒有此裝置。例如美國現役的AN/ALQ-131、ALQ-184電子干擾吊艙，俄羅斯、中國以及西歐等國裝備使用的電子干擾吊艙等均使用其他形式的電源。