民用飛機沖壓空氣渦輪艙布置方法研究

劉賀

【摘 要】現代民用飛機多安裝有沖壓空氣渦輪（RAT）作為飛機應急功能裝置，RAT艙的布置設計是民用飛機的整機研發過程中的重要設計環節之一。以某雙發翼吊窄體機型為例說明了RAT艙的布置設計流程，布置約束條件，強調了在已有工程設計框架下的布置設計過程，對提出的幾種方案進行了詳細的評估，為民用飛機分艙布置設計的工程應用提供了方法和思路。

【關鍵詞】布置；RAT艙；RAT；民機

0 引言

沖壓空氣渦輪（RAT Ram Air Turbine）是為飛機在失去主動力和輔助動力時進行應急迫降而設計的，以提高飛機的生存性。該系統利用飛機的動能工作，在特定情況下，從飛機上應急放下一個螺旋槳，利用急速的空氣來流沖擊螺旋槳，其高速的旋轉運動帶動與之相連的電動機和液壓泵，產生必要的應急能源，用于重啟發動機，保證飛機操作系統、液壓系統和電子設備的應急功能供電。其系統工作原理圖如圖1所示。RAT系統需布置在非氣密艙，為了得到較好的氣動力載荷和釋放角度，大型民用飛機的RAT系統通常布置于飛機機身下部，其具體布置位置需要權衡整機的多種因素，最終得出最優方案。圖2顯示了一種典型的RAT艙布置方案。

1 民用飛機RAT系統設計要求

民用飛機RAT系統設計時需要在滿足適航條款要求的基礎上，根據頂層設計約束條件滿足其功能指標。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）：飛機必須設計成在所有發動機都失效的情況下扔可操作。

2）CCAR-25.903（e）（3）：對于渦輪發動機飛機，如果飛行中所有發動機停車后，發動機的最小轉速不足以提供發動機點火所需電功率，則需要有一個不依賴發動機驅動的發電系統的電源，以便能在飛行中對發動機再起動。

3）CCAR-25.1351（d）：無正常電源時的運行，當正常電源（除蓄電池之外的電源）不工作，燃油（從熄火和重新起動能力考慮）為臨界狀態，且飛機最初處于最大審定高度情況下，飛機能按目視飛行規則安全飛行至少五分鐘。

1.2 RAT系統設計與布置要求

1）RAT發電機發電容量：根據特定機型的應急供電系統需求，計算其所有應急負載得出。計算所得RAT的額定容量應能滿足系統指標參數，滿足適航需求。

2）速度要求：RAT設計速度是RAT系統的重要設計輸入參數，其大小主要和最小操縱面設置，應急狀態下飛機的進場速度有關。對于最小操縱面設置，在RAT工作條件下，RAT必須滿足主飛控最小操縱面的能源需求。確定應急狀態的進場速度時需要參照飛機頂層設計的正常進場速度。為了確保RAT產生足夠的能量滿足最小操縱面的能源需求，飛行員必須增加進場速度以保證安全著陸，故RAT的設計速度通常稍大于飛機的正常進場速度。

3）環境要求：RAT安裝的環境要求為非溫控、非氣密。

4）氣動力要求：RAT釋放后，需要氣流場來帶動沖壓渦輪，在飛機的不同位置區域，氣動效率是不同的。RAT打開后必須在迎風面上，最好在無遮擋、氣動效率高的區域。根據當前航線機型的應用，布置區域多位于機頭到中段機身部分，部分寬體機型布置在機翼滑軌整流罩區域，如圖3所示。

5）空間要求：RAT的布置必須滿足RAT的安裝空間要求，RAT安裝在RAT艙內。布置的過程中需要考慮到RAT收放過程的運動包絡面，確保與機身結構、周邊管路線束保持足夠距離。考慮震動等因素下，布置RAT本體時需要保證在釋放過程中葉片距艙門間隙大于1.5英寸。

6）維修性要求：RAT的布置位置應滿足RAT本體系統以及相關管線路的維護要求，保證安裝維護通道的可達性要求。

7）對周邊系統環境的影響：RAT艙的布置位置需要考慮對周邊系統布置的影響，因RAT工作的特殊性，葉片轉動過程會干擾機身外氣流場，影響機身外探頭工作環境，在布置設計時需要考慮。

8）重量要求：在保證滿足設計要求的前提下盡量減少重量增加，選取重量最優方案。

9）成本要求：RAT艙的布置過程涉及各相關系統的更改，以及對RAT本體設備的選型，在布置設計過程中要考慮經濟成本、研發更改的時間成本等，選用成本最優方案。

10）安全性要求：RAT艙布置位置應滿足RAT工作安全性要求，應避開轉子爆破和輪胎爆破區域。

2 RAT系統工作模式

RAT系統的主流工作模式主要有三類：液壓模式、電氣模式、混合模式。當前航線機型均有應用。

2.1 液壓模式

RAT系統驅動應急液壓泵，作為應急液壓系統，與飛機液壓系統的恒速馬達驅動應急發電機（CSM/G）聯合工作，構成應急液壓源和應急電源。該工作模式即為液壓模式。應用機型主要有：A320系列、B-757、B-767、A330/A340等。

2.2 電氣模式

RAT系統驅動應急發電機，作為應急電源系統，與飛機液壓系統的電動泵聯合工作，構成應急電源和應急液壓源。這種工作模式即電氣模式。應用機型有：ERJ170/190、CRJ 系列、ARJ21、A380、A350、龐巴迪C 系列等。

2.3 混合模式

RAT系統同時驅動應急發電機和應急液壓泵，構成飛機應急電源和液壓源。這種工作模式即混合模式。應用機型有B-777、B-787等。

3 RAT艙布置方案分析

參照相關機型的布置方案，以某雙發翼吊布局窄體民用客機的RAT艙布置設計為實例，詳細討論了RAT艙的布置設計過程。本實例基于機身主結構總體方案確定的情況下安排布置RAT艙位，考慮了設備氣動效率、結構更改成本、周邊系統環境、重量、成本可靠性、設備能源利用率等主要約束因子，分析各方案優缺點，在保證飛機設計最優的原則下確定最終方案。

3.1 RAT系統模式選擇

當前在役的民用飛機中，支線客機RAT多采用電氣模式，如ARJ21-700、ERJ系列等。早期干線客機多數使用液壓模式，如A320系列、A330/340等。較新的機型多采用電氣模式（A380、龐巴迪C系列）、混合模式（B-777、B-787）。根據不同模式的工作機理和工程應用經驗，液壓模式需額外加裝液壓馬達發電機，重量較大，易泄露，可靠性較低。RAT系統的液壓管路與正常工作液壓系統相連，一旦RAT系統的液壓管路發生泄露，將導致相連的液壓系統失效，故障不易隔離。根據當前民機發展趨勢，最新民用飛機均未選用液壓模式的RAT系統。基于上述分析本案例中選用混合或電氣模式。

混合模式下，RAT系統需從液壓系統吸取液壓油，為保證液壓泵吸油特性，同時減少液壓管路過長引起的增重，RAT位置應盡量靠近系統液壓油箱（通常位于翼身整流罩區域），故混合模式的RAT系統應布置在機腹位置，電氣模式的RAT系統可布置在機頭和機腹位置。

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正相關，如圖4，RAT穩定工作所需飛行速度與RAT布置位置有關。因機頭位置氣動損失明顯小于機腹位置，布置在機腹位置的RAT系統若達到相同的輸出功率需要更高的飛行速度或適當增大葉片直徑。

3.3 RAT艙布置方案

綜上初步分析并參考航線機型布置經驗，提出三種總體布置方案：機頭方案、機腹方案、機翼滑軌整流罩方案。

1）機頭方案：該方案將RAT布置在機頭下部，RAT艙占用部分E-E艙三角區空間，犧牲航向右側E-E艙維護艙門，與前起艙共用側壁版。為避免結構加強框承受較大載荷，在保證RAT艙足夠空間的前提下，RAT艙開口位置避開原機身加強框。調整RAT本體航向尺寸，盡量減少對現有框結構的占用，使RAT艙內空間利用率最優。RAT艙的布置破壞了原有機體結構的傳力路線，因開口較大，需要對其門框結構進行結構加強。為保證E-E艙內部的氣密載荷對RAT艙體結構有較好的傳力形式，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，因機頭位置氣動損失小，故RAT葉片可以采用較小的尺寸。RAT本體布置在機體下方，維修安裝可達性滿足要求。該布置方案實施存在兩個問題：首先由于RAT艙開口較大，在結構設計上需要采用加強措施，增重較大。其次，機頭區域除前起艙外均為氣密區，需在機頭上單獨隔離非氣密區，導致前起艙區域受力不對稱，傳力路線變化，降低結構效率。

2）機腹方案：RAT艙布置在機腹（翼身整流罩內），則需考慮轉子爆破（翼吊布局飛機）、主起落架輪胎爆破及周邊液壓系統布置的影響。起落架在收起后若發生輪胎爆破，碎片可能會擊穿結構破壞RAT，同理在轉子爆破區域，發動機的爆破碎片可能同時擊壞RAT和另一側的發動機從而導致整機喪失液壓源，為了避開這類區域，根據現有設計環境，RAT需布置在后部整流罩，避開爆破區包絡面。

機腹位置處RAT可以選用混合工作模式，因該位置氣動損失較大，RAT葉片尺寸相應增大。本實例窄體機型整流罩內部空間較小，RAT的布置空間不足，故需適當擴大整流罩內部空間。由于RAT艙門開口，需在整流罩結構以及機身結構上采取加強措施。

飛行過程中，機腹區域流場復雜，RAT在該位置釋放后所受到氣動載荷效率低，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應急著陸過程中，起落架的遮擋會破壞流場，RAT氣動效率進一步損失。后部整流罩區域距離主起艙較近，一旦發生輪胎爆破可能會對RAT設備造成損傷。

該布置方案實施主要存在兩個問題：首先整流罩由非受力結構更改為受力結構，更改成本大，損害結構效率，結構加強實施困難。其次RAT采用混合模式布置在機腹，發生轉子爆破時，轉子擊壞液壓管路會造成RAT液壓功能失效，危害安全性，若改用電氣模式，考慮電能轉換液壓能的失效率損失，RAT葉片直徑尺寸需相應增加近一半，需進一步增大RAT艙空間，更改成本較高。

3）機翼滑軌整流罩方案：參考航線機型，該布置方案主要適用于寬體客機，其整流罩空間較大，氣動效率較好，針對本實例的窄體機型，其整流罩空間較小，經布置后發現空間難以滿足RAT安裝需求，如圖7。圖中看出在未考慮結構厚度，以及內部管線路前提下，空間已經不滿足RAT布置要求，該方案不可行。

3.4 布置方案總結

針對兩種可行方案對布置影響因子權衡分析，考慮當前窄體機型設計布局狀態和頂層設計需求選擇最優布置方案。

通過比較表1評估結果，基于本實例中雙發翼吊窄體機的結構設計狀態，應優先考慮氣動效率、結構更改成本、周邊系統影響、更改時間成本因素，最終犧牲重量和設備能源利用率，采用機頭布置方案。

4 總結

民用飛機艙位布置問題是一個權衡迭代過程，尤其在已有設計框架下進行較大的工程更改，需要考慮多種因素，協調各專業意見，在保證滿足更改目標的前提下，做到成本最小，方案最優。本文以RAT艙的布置設計方案為例，詳細介紹了布置設計的過程和方法，為民用飛機分艙布置設計提供了一些思路，對民用飛機的布置設計有一定借鑒作用。

【參考文獻】

[1] 運輸類飛機適航標準.中國民用航空規章第25部CCAR-25-R4[S].中國民航總局.2009.

[責任編輯：田吉捷]