蘭星海 陳魯峰 陳鐵娟

【摘要】渦扇噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)反推裝置在飛機(jī)降落著陸和中止起飛中對(duì)減小滑跑距離起著很重要的作用，但是反推裝置對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)性能和重量等存在一定的局限性，同時(shí)反推裝置的維修成本也比較高。本文提出了一種替換發(fā)動(dòng)機(jī)反推裝置的更改方案，并利用Matlab中的Simulink模塊進(jìn)行模擬仿真，從起降滑跑長(zhǎng)度和經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行分析，證明了方案的可行性。

【關(guān)鍵詞】發(fā)動(dòng)機(jī)反推；建模仿真；滑跑距離

1發(fā)動(dòng)機(jī)反推介紹

飛機(jī)的減速系統(tǒng)在飛機(jī)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(jī)上的減速裝置主要是輪胎剎車、氣動(dòng)減速和發(fā)動(dòng)機(jī)反推。其中在正常天氣條件下，輪胎剎車、氣動(dòng)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(shù)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(duì)飛機(jī)起降滑跑長(zhǎng)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(jī)的發(fā)動(dòng)機(jī)都安裝有反推。

2發(fā)動(dòng)機(jī)反推利弊分析

事實(shí)上，發(fā)動(dòng)機(jī)反推在干燥跑道情況下對(duì)縮短滑跑距離的貢獻(xiàn)不大，但是在濕滑跑道上，對(duì)滑跑距離的影響極其明顯。因此飛行員可以根據(jù)跑道情況來選擇是否使用反推。

雖然發(fā)動(dòng)機(jī)反推用來作為一種飛機(jī)減速的有效手段，但是它對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的安裝和性能帶來局限性，同時(shí)還會(huì)影響短艙的設(shè)計(jì)、發(fā)動(dòng)機(jī)巡航性能、維修成本、可靠性等。

反推作為發(fā)動(dòng)機(jī)的附屬設(shè)備，其功能單一，僅在飛機(jī)滑跑減速時(shí)使用，由于使用時(shí)氣流的向前噴出，會(huì)產(chǎn)生噪音和卷起跑道異物，潛在安全隱患。2000年的法航“協(xié)和”號(hào)空難事故經(jīng)調(diào)查就是由4分鐘前起飛的一架DC10飛機(jī)反推上脫落的一個(gè)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(jié)構(gòu)復(fù)雜，影響發(fā)動(dòng)機(jī)重量和使用效率、增加飛機(jī)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(fā)動(dòng)機(jī)反推，以A380為例，4個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)中僅有內(nèi)側(cè)兩個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)安裝了發(fā)動(dòng)機(jī)反推。

本文利用Matlab中的Simulink模塊，對(duì)飛機(jī)三種減速系統(tǒng)就行建模仿真，并針對(duì)給出的取消反推的解決方案，對(duì)更改的可行性進(jìn)行了分析。

3替換方案分析

針對(duì)飛機(jī)上三種減速系統(tǒng)，把減速阻力分為三類：氣動(dòng)阻力、剎車阻力、反推阻力。若要取消發(fā)動(dòng)機(jī)反推，但同時(shí)保證飛機(jī)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(jī)著陸重量和地面摩擦系數(shù)有關(guān)，速度越大，摩擦系數(shù)越小。并且在干燥跑道和濕滑跑道情況下，摩擦系數(shù)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(shí)踐。

相比之下，氣動(dòng)阻力比較簡(jiǎn)單，飛機(jī)在滑跑時(shí)，氣動(dòng)阻力主要由機(jī)翼上的減速裝置來實(shí)現(xiàn)，如襟翼、擾流板等。

根據(jù)公式F=■C■ρSV■，如果增加氣動(dòng)面積和著陸速度，飛機(jī)氣動(dòng)阻力會(huì)大大增加，可以較大程度的縮短滑跑距離。

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

以A320為例，取消雙發(fā)的反推裝置，飛機(jī)重量減少700kg，機(jī)翼面積增加11m2，擾流板阻力系數(shù)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(tǒng)對(duì)速度和滑跑長(zhǎng)度的影響，從而確定各個(gè)減速裝置在飛機(jī)減速過程中的作用。

剎車阻力與飛機(jī)著陸重量和地面摩擦系數(shù)有關(guān)，可以根據(jù)不同跑道狀況下速度對(duì)應(yīng)的摩擦系數(shù)，得到在給定速度情況下的剎車阻力 。

對(duì)于反推阻力，一般來說，飛機(jī)輪胎著陸后2秒開始啟用反推，并且發(fā)動(dòng)機(jī)達(dá)到最大推力狀態(tài)，直到飛機(jī)減速至某一特定速度后，關(guān)閉發(fā)動(dòng)機(jī)，關(guān)閉反推。

最終，得到了飛機(jī)在3種阻力下的仿真模型，如圖 1所示。

圖 1模型圖

5實(shí)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(zhǎng)度等各方面對(duì)兩種構(gòu)型進(jìn)行比較。表1中構(gòu)型1為A320的基本構(gòu)型，構(gòu)形2取消發(fā)動(dòng)機(jī)反推的更改構(gòu)型。

表1兩種構(gòu)型的參數(shù)比較

5.1降落著陸

設(shè)定t=0為飛機(jī)著陸點(diǎn)，從這一刻起，剎車、擾流板、反推開始作用，提供阻力，使飛機(jī)速度減至為0，圖2至圖3為兩種構(gòu)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(duì)濕滑跑道上襟翼擾流板等失效進(jìn)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(jù)表2可以看出，在無失效狀況下，兩種構(gòu)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(huì)略有增加。但是按照適航要求，供A320飛機(jī)起降的機(jī)場(chǎng)跑道長(zhǎng)度需達(dá)到4C標(biāo)準(zhǔn)，即至少為2400m，因此構(gòu)型2能滿足機(jī)場(chǎng)長(zhǎng)度的要求。

表2兩種構(gòu)型的滑跑距離比較

5.2中止起飛（RTO）

中止起飛是指飛機(jī)在起飛過程中發(fā)生重大失效（如發(fā)動(dòng)機(jī)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(jī)起飛速度未達(dá)到某一特定速度V1時(shí)才能執(zhí)行。當(dāng)速度低于V1執(zhí)行中止起飛命令時(shí)，飛機(jī)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(shù)據(jù)， V1=135knots。

按照CCAR/FAR25要求，加速-停止距離的計(jì)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(duì)濕滑跑道下兩種構(gòu)型的加速-停止距離進(jìn)行計(jì)算比較，結(jié)果如表3所示：

表3兩種構(gòu)型加速-停止距離比較

根據(jù)上表可以看出，取消反推，加速-停止距離會(huì)增加15%，但是構(gòu)型2距離也僅為1627m，仍然能滿足機(jī)場(chǎng)長(zhǎng)度的要求。

6經(jīng)濟(jì)性

在本文涉及的更改方案中，以A320為例，取消發(fā)動(dòng)機(jī)反推，增加擾流板和機(jī)翼面積，由此引起的飛機(jī)重量減少了700kg，導(dǎo)致每年每架飛機(jī)直接使用成本可減少近$350,000。同時(shí)，取消了發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)推，每年可節(jié)省用于反推的維修費(fèi)近$120,000。因此，構(gòu)型2相比于原構(gòu)型，每架飛機(jī)每年的直接運(yùn)營(yíng)成本會(huì)減少近$470,000，這對(duì)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(rùn)。

7結(jié)論

根據(jù)本文研究，以A320為例，若取消發(fā)動(dòng)機(jī)反推，增加擾流板面積和機(jī)翼面積，在無裝置失效的情況下，飛機(jī)降落時(shí)滑跑距離基本上保持一致。中止起飛時(shí)加速-停止距離會(huì)增加15%，但能滿足機(jī)場(chǎng)長(zhǎng)度的要求。

同時(shí)，由于取消發(fā)動(dòng)機(jī)反推引起的重量減少和維修成本節(jié)省會(huì)導(dǎo)致每架飛機(jī)每年的直接運(yùn)營(yíng)成本減少近$470,000。由于本文所涉及的研究?jī)H以A320為案例，從飛機(jī)起降滑跑長(zhǎng)度和重量引起的變化上比較方案的優(yōu)劣，沒有考慮增加擾流板和機(jī)翼面積在制造上的可行性以及不同重量等級(jí)的飛機(jī)的差異性，但是，本文提出的更改方案值得航空制造企業(yè)進(jìn)行更加深入論證研究。

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［責(zé)任編輯：薛俊歌］