沖壓空氣渦輪系統總體結構分析及應用*

杜 鑫，柯 兵，王 健，周明智

(中國航空工業集團公司 金城南京機電液壓工程研究中心，江蘇 南京 211106)

0 引 言

沖壓空氣渦輪系統(Ram Air Turbine，RAT)是一種應急動力系統，它可以在飛機失去主動力和輔助動力的緊急情況下展開，利用飛機滑行速度，吸收相對氣流的沖壓能量，通過渦輪和調速機構轉變為一定范圍轉速的機械能，向飛機關鍵用戶提供應急液壓能源和(或)應急電能，以保持飛機的可操縱性。

RAT總體結構是RAT研制初期的關鍵設計要素，直接影響到飛機應急能源系統的總體架構、RAT的總設計方案及RAT和飛機電源/液壓系統的匹配性。目前國內正在開展多型RAT的研制工作，但仍缺少對RAT總體結構的總結與分析，因而RAT總體方案的設計工作進展緩慢。

筆者通過總結國內外RAT總體結構，重點分析各總體結構的特點，適用環境以及各類型RAT在目前主要機型上的應用，這些分析總結對飛機應急能源架構設計、RAT類型選擇、RAT的總體方案設計等具有一定的指導意義。

1 RAT產品及技術研究現狀

1.1 國內外RAT研制概況

為提高飛機安全性，一戰期間，某些軍用飛機就裝有沖壓空氣渦輪，這是RAT的雛形。1955年，美國XF-84H試驗機在背鰭安裝了沖壓空氣渦輪，這是世界首臺可收放的沖壓空氣渦輪系統。隨著RAT技術的發展，到20世紀六、七十年代，逐漸形成了兩個葉片、具有可收放功能的現代RAT 結構。目前已經形成了豐富的產品序列，功率等級涵蓋2～70 kW。

國內RAT專業起步于20世紀七十年代，經幾十年的發展，已成功為多型飛機配套了RAT。

RAT作為飛機應急能源設備，按輸出應急能源類型，可將其分為液壓模式RAT、電力模式RAT和電液混合模式RAT等三種類型。

1.2 RAT技術研究現狀

受知識產權保護因素影響，國外關于RAT的技術文件主要以專利為主，鮮有論文等相關文獻資料。目前國內對RAT的研制也積累了一定的經驗，并在RAT類型選擇、RAT使用策略、RAT動態特性仿真計算、RAT試驗驗證方法等方面均有一定的研究。

李愛先對RAT的功能進行了概述，并從能源轉換效率、安裝區域、重量等角度對RAT類型選取進行了分析[1]。王永鑫等對RAT系統各部件進行了原理性概述，并對民用渦槳飛機的RAT選型進行了論述[2]。夏天翔等建立了液壓模式RAT的AMESim模型，對渦輪調速性能、展開時間等進行了分析[3]。杜鑫等建立了RAT的虛擬樣機模型，對渦輪調速、展開過程等進行了動力學分析[4]。劉賀對沖壓空氣渦輪艙的布置方法進行了研究[5]。張冬雨等提出了一種RAT氣動性能的快速計算方法[6]。王巖等對RAT液壓泵溫流原理和溫流孔設計方法進行了研究[7]。劉超強等提出了一種在機上測試RAT實際帶載能力的試驗方法[8]。周世剛等對RAT的驗證方法進行了研究[9]。周明智等設計了混合模式RAT的性能試驗臺，用于地面環境下驗證混合模式RAT的功能性能[10]。

2 液壓模式RAT結構分析

2.1 架構分析

RAT應包含渦輪部件，用于提取相對氣流的沖壓能，并將其轉化為機械能。液壓模式RAT應包含液壓泵，將渦輪提供的旋轉機械能轉化為液壓能。因RAT具有兩種狀態，平時回收在RAT艙內，飛機應急狀態下，RAT展開至氣流中，故RAT應具驅動其展開、回收的收放機構。同時，RAT應具備支撐旋轉部件，用于RAT在機上的安裝和旋轉。故液壓模式RAT基本架構如圖1所示。

圖1 液壓模式RAT基本架構

在基本架構基礎上，根據機上安裝要求、支撐與旋轉部件結構、液壓泵在RAT主體上的安裝位置等因素，可將液壓模式RAT拓展為不同的總體結構。

2.2 液壓模式沖壓空氣渦輪典型結構分析

根據液壓泵在RAT主體上的布置方式，液壓模式RAT典型結構如圖2所示。液壓模式RAT總體結構特點分析如表1所列。

圖2 典型液壓模式RAT結構原理圖

表1 液壓模式RAT總體結構特點分析

續表1 液壓模式RAT總體結構特點分析

3 電力模式RAT結構分析

3.1 架構分析

與液壓模式RAT結構分析相同，電力模式RAT同樣需要渦輪部件、支撐旋轉與傳動部件、收放機構。同時，RAT應具有發電機及相應的發電機控制單元，其架構如圖3所示。

圖3 電力模式RAT基本架構

在基本架構基礎上，根據機上安裝要求、發電機在RAT本體上的安裝位置等因素，可將電力模式RAT架構拓展為不同的總體結構。

3.2 電力模式RAT典型結構及分析

根據發電機在RAT主體上的布置方式，電力模式RAT典型結構如圖4所示。

圖4 典型電力模式RAT結構原理圖

因發電機主軸可設計為通軸結構，發電機在RAT主體上的布置方式更為靈活。除上述兩種結構形式外，電力模式RAT可參考液壓模式RAT的其他總體結構形式。

影響電力模式RAT結構的主要因素為發電機重量和發電機外形尺寸。典型電力模式RAT結構特點分析如表2所列。

表2 電力模式RAT總體結構特點分析

4 混合模式RAT結構分析

4.1 架構分析

與液壓或電力模式RAT一樣，混合模式RAT需要渦輪部件、支撐旋轉及傳動部件、收放機構等，根據能源轉換需求，應含液壓泵、發電機、發電機控制器等部件。

根據發電機與液壓泵在RAT主體上的布置方式，混合模式RAT可設計為如圖5所示發電機和液壓泵串聯及發電機和液壓泵并聯的兩種總體架構。

圖5 混合模式RAT基本架構

混合模式RAT需考慮飛機單獨用電需求，液壓泵長期工作在零流量的工況，該工況下，RAT液壓泵應設置殼體回油，用于液壓泵的散熱。

4.2 混合模式RAT典型結構及分析

典型的混合模式RAT總體結構如圖6所示。混合模式RAT總體結構特點分析如表3所列。

圖6 混合模式RAT典型結構原理圖(無收放機構)

表3 型RAT總體結構特點分析

續表3 型RAT總體結構特點分析

5 RAT總體結構影響因素分析

5.1 飛機應急能源系統總體架構

一般情況下，需根據飛機應急能源類型需求選擇相應類型的RAT。若機上應急能源系統同時需要應急液壓能和應急電能，則RAT可設計為混合模式RAT，也可根據機上總體應急能源架構，選擇更合適的液壓模式RAT+應急發電子系統的總體架構或電力模式RAT+電動泵的總體架構，如圖7所示。

圖7 應急能源系統總體架構

隨著多電技術在飛機上的應用，電力模式RAT得到更為廣泛的應用，電力模式RAT+電動泵的總體應急能源架構可得到更廣泛的應用，該架構下需考慮電動泵啟動瞬時功率需求增大的問題。

5.2 RAT安裝位置

RAT在機上安裝位置的選擇除考慮RAT安裝處氣動流場、安裝空間等因素外，還需綜合考慮RAT在機上的安裝、使用環境。如RAT安裝處的機械環境、電磁環境、RAT距飛機油箱和RAT用戶等之間的距離、RAT距飛機油箱和RAT用戶之間管路(電纜)的布置方案及管路重量、RAT進油壓力、RAT到RAT用戶之間的能量損失、RAT的維護性、渦輪部件轉子爆破對飛機的安全性影響、RAT安裝處的雷擊分區、RAT對周圍設備的影響(如渦輪轉動產生的自激振動)等因素。

主機應根據各因素的重要度等級開展綜合評估工作，確定RAT的安裝位置，并根據RAT機上安裝位置特點確定RAT架構及RAT總體結構。

5.3 RAT安裝姿態

RAT在飛機上通常為豎直姿態或傾斜姿態安裝。部分機型RAT受安裝位置及安裝空間限制，呈水平姿態(如A400M、XF-84H等機型)，或倒立姿態(豎直向上展開，如HK120等機型)安裝。

RAT豎直或接近豎直姿態安裝時，RAT結構較為穩定，RAT支撐部件受到的慣性力矩較小，且自身的重力有助于RAT展開，故通常選擇該安裝姿態。

RAT水平姿態安裝時，RAT結構件受力工況較為復雜，RAT總體結構設計時要充分考慮RAT支撐結構的強度、振動耐久性等因素，一般不推薦該姿態安裝。受飛機安裝空間限制，必須采用水平姿態安裝時，RAT應盡可能減小渦輪端重量，并將RAT重心靠近RAT轉軸位置。

5.4 RAT艙體積及形狀

RAT收放機構相對RAT主體的位置，一般有如圖8所示收放機構前置和后置兩種結構形式。

圖8 RAT收放機構的典型安裝位置

收放機構前置方案，為保證收放機構展開初始時的有效力臂長度，RAT回收狀態，收放機構通常與支撐部件盡量呈垂直角度安裝，這會導致RAT豎直尺寸較大。該布置方式的RAT一般適用于安裝在主機身、設備短艙等RAT艙航向尺寸相對較短的位置。

若RAT安裝在如襟翼滑軌整流罩等位置時， RAT艙整體呈“扁平狀”，此時可考慮將收放機構后置，同時反向延長支撐臂，將收放機構與渦輪部件分別布置在RAT轉軸兩側的方案，該總體結構可以有效減小RAT豎直方向的尺寸，以適應RAT艙的安裝要求。

收放機構后置方案中，為增加RAT總體結構的穩定性，一般在RAT支撐臂兩側設置框板結構，并將收放機構集成在框板內。

6 結 語

文中總結了國內外典型沖壓空氣渦輪系統的總體結構，對比分析了各結構的特點，同時分析了影響RAT總體結構的主要影響因素，對飛機應急能源系統架構設計、RAT類型的選擇、RAT總體方案的設計等具有重要的參考意義。