電反推系統(tǒng)適航分析

■ 付堯明 任善全 閆鋒 / 中國民用航空飛行學(xué)院

相較于傳統(tǒng)反推系統(tǒng)，電反推系統(tǒng)在低溫性能、維修性、故障探測和健康監(jiān)控等方面具有較大優(yōu)勢，而且與多電飛機(jī)架構(gòu)兼容性更強(qiáng)，但各國適航當(dāng)局尚未針對(duì)電反推系統(tǒng)制定出相應(yīng)的適航規(guī)章。

反推系統(tǒng)由反推裝置、反推控制系統(tǒng)和反推指示系統(tǒng)3部分組成，為飛機(jī)降落或中止起飛提供必要的反向推力，與飛機(jī)剎車系統(tǒng)一起可有效減少剎車距離。目前民用飛機(jī)反推系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)方式多為液壓驅(qū)動(dòng)，但其結(jié)構(gòu)復(fù)雜，液壓能利用率低，故障率較高，容易導(dǎo)致反推意外打開或無法打開，使飛機(jī)無法正常降落。相較于液壓驅(qū)動(dòng)的傳統(tǒng)反推，新一代民航客機(jī)采用電機(jī)驅(qū)動(dòng)的反推系統(tǒng)則更可靠、更安全且經(jīng)濟(jì)性更高，同時(shí)也順應(yīng)了多電、全電飛機(jī)的發(fā)展趨勢。

CFM56-7B發(fā)動(dòng)機(jī)反推系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

液壓式反推系統(tǒng)

根據(jù)操縱驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的不同，民用飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)的反推系統(tǒng)主要分為氣動(dòng)式、機(jī)械式、液壓式和電動(dòng)式4種，其中液壓式為目前應(yīng)用最廣泛的反推裝置類型。液壓驅(qū)動(dòng)的反推裝置主要有擋板式、瓣式和格柵式3種。以應(yīng)用最廣的格柵式為例，主要由葉柵蓋、阻流門拉桿、作動(dòng)筒、阻流門和導(dǎo)流葉柵等組成，其反推力最高可達(dá)發(fā)動(dòng)機(jī)最大推力的60%～70%，民用飛機(jī)中如空客A380、波音737等都是采用此類反推裝置。傳統(tǒng)的反推裝置機(jī)械結(jié)構(gòu)復(fù)雜，協(xié)調(diào)部件多，反推系統(tǒng)質(zhì)量占短艙質(zhì)量30%以上，使發(fā)動(dòng)機(jī)經(jīng)濟(jì)性下降，另外也容易產(chǎn)生故障導(dǎo)致事故發(fā)生。

電反推系統(tǒng)

相較于傳統(tǒng)反推系統(tǒng)，電反推系統(tǒng)由電動(dòng)作動(dòng)器驅(qū)動(dòng)，不需要過多裝置配合工作，結(jié)構(gòu)更為簡潔，發(fā)動(dòng)機(jī)整體質(zhì)量輕，失效探測和健康監(jiān)控能力強(qiáng)，而且更為可靠，同時(shí)也與多電、全電飛機(jī)的兼容性更高，順應(yīng)未來飛機(jī)發(fā)展趨勢。現(xiàn)今使用電反推系統(tǒng)的有空客A350飛機(jī)的遄達(dá)XWB發(fā)動(dòng)機(jī)和C919的LEAP-1C發(fā)動(dòng)機(jī)等，本文主要以遄達(dá)XWB發(fā)動(dòng)機(jī)為例，對(duì)電反推系統(tǒng)加以介紹。

電反推裝置的外殼由兩個(gè)滑動(dòng)罩組成，每個(gè)滑動(dòng)罩包括一個(gè)電動(dòng)機(jī)、3個(gè)蝸桿機(jī)械作動(dòng)筒和一組6個(gè)的阻流門和拉桿。上、下作動(dòng)筒包括帶解鎖手柄的主鎖，解鎖手柄附近有臨近開關(guān)和作動(dòng)筒位置傳感器（在上、下作動(dòng)筒上）。飛行員將油門桿推到反推位置同時(shí)需飛機(jī)達(dá)到符合降落條件后，主或次飛行控制計(jì)算機(jī)發(fā)出電子信號(hào)到配電系統(tǒng)（EPDS），EPDS給軌道鎖、電磁閥通電，彈簧帶動(dòng)鎖鉤打開，發(fā)動(dòng)機(jī)接口控制器(EIF)向電反推驅(qū)動(dòng)控制器(ETRAC)發(fā)送打開指令信號(hào)，并給主鎖供電，解開上部和下部作動(dòng)筒的鎖結(jié)構(gòu)。ETRAC控制兩臺(tái)電動(dòng)機(jī)，每臺(tái)電動(dòng)機(jī)通過撓性同步軸驅(qū)動(dòng)同側(cè)的中心作動(dòng)筒，中心作動(dòng)筒通過軟軸驅(qū)動(dòng)上、下作動(dòng)筒打開滑動(dòng)罩，然后帶動(dòng)阻流門打開到相應(yīng)位置，風(fēng)扇排氣氣流經(jīng)過阻流門和葉柵后反轉(zhuǎn)，以一定角度向前排出，產(chǎn)生反推力，使飛機(jī)減速。當(dāng)反推裝置完全展開后，ETRAC就會(huì)斷電，電機(jī)和主鎖的機(jī)械裝置保持解鎖狀態(tài)。

電反推系統(tǒng)工作流程

表1 CCAR中關(guān)于反推裝置的條款概況

電反推系統(tǒng)適航審定分析

反推系統(tǒng)適航條款的制定是為了確保飛機(jī)和發(fā)動(dòng)機(jī)的設(shè)計(jì)通過適航局的審定來避免反推系統(tǒng)的不安全隱患或其他故障。目前國內(nèi)適航當(dāng)局對(duì)于反推的適航條例只針對(duì)傳統(tǒng)反推裝置，因此應(yīng)在對(duì)這些條款進(jìn)行研究的基礎(chǔ)上，針對(duì)電反推系統(tǒng)的適航審定要求及符合性驗(yàn)證等問題進(jìn)行分析。

對(duì)反推裝置的適航審定，包括中國民航局（CAAC）、美國聯(lián)邦航空局（FAA）和歐洲航空安全局（EASA）在內(nèi)的民航監(jiān)管部門都有嚴(yán)格的要求，如CAAC頒布的民航航空規(guī)章(CCAR)中對(duì)反推系統(tǒng)的規(guī)定（見表1），分布在25部運(yùn)輸類飛機(jī)和33部航空發(fā)動(dòng)機(jī)等兩部適航法規(guī)中。

中國民航局在2011年11月7日第四次修訂的CCAR 25.933關(guān)于反推系統(tǒng)的條款中指出，對(duì)僅預(yù)定在地面使用的發(fā)動(dòng)機(jī)反推力系統(tǒng)，必須設(shè)計(jì)為在飛行中處于任何反推力位置時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)不會(huì)產(chǎn)生大于飛行慢車狀態(tài)的推力。此外，必須通過分析或試驗(yàn)，或兩者兼用來表明滿足下列要求：反推裝置能收回到推力位置；反推裝置處于任何可能的位置時(shí),飛機(jī)能繼續(xù)安全飛行和著陸。對(duì)于該項(xiàng)條款，其他國家和地區(qū)的適航規(guī)章要求則有所不同。FAA要求必須同時(shí)滿足以下兩個(gè)條件：反推裝置能收回到推力位置；反推裝置處于任何可能的位置時(shí),飛機(jī)能繼續(xù)安全飛行和著陸。而EASA要求只需滿足以下兩個(gè)條件中的一個(gè)即可：反推裝置處于任何可能的位置時(shí)，飛機(jī)能繼續(xù)安全飛行和著陸；表明發(fā)生空中反推打開的可能性極小，且空中反推裝置打開不會(huì)由單個(gè)失效或故障導(dǎo)致。

對(duì)于安全性相關(guān)的要求，電反推系統(tǒng)較傳統(tǒng)反推系統(tǒng)應(yīng)更為嚴(yán)格。例如，電反推系統(tǒng)必須同時(shí)滿足上述兩條要求，并且還應(yīng)滿足：規(guī)定使用階段是從著陸接地一直到正常著陸速度，產(chǎn)生反推力；在速度達(dá)到?jīng)Q斷速度時(shí)可獲得最大反推力，在此時(shí)可以中斷起飛；如果按照25.933（a）條款要求設(shè)計(jì)的反推系統(tǒng)，發(fā)生空中意外打開時(shí)飛機(jī)系統(tǒng)要控制發(fā)動(dòng)機(jī)推力降到飛行慢車狀態(tài)。

而33部則主要是對(duì)反推裝置的系統(tǒng)試驗(yàn)提出了要求。CCAR 33.97條款和FAA的FAR 33部內(nèi)容一致，而EASA的適航法規(guī)在多年的條款修訂和演變過程中，在具體細(xì)節(jié)方面呈現(xiàn)出一些不同，這也是在做相關(guān)研究時(shí)須著重注意的地方。由于電反推系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與傳統(tǒng)反推差別較大，關(guān)于試驗(yàn)的條款也未說明對(duì)于電反推系統(tǒng)是否適用，所以還需進(jìn)行具體的分析或試驗(yàn)來加以驗(yàn)證。

電反推系統(tǒng)適航審定要點(diǎn)探討

目前，適航當(dāng)局還沒有針對(duì)電反推系統(tǒng)制定具體規(guī)章，為滿足民機(jī)電反推系統(tǒng)適航取證的需要，依據(jù)現(xiàn)有適航規(guī)章要求和電反推系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，可以從設(shè)計(jì)、安全性、可靠性、功能檢驗(yàn)、機(jī)電作動(dòng)系統(tǒng)和符合性驗(yàn)證方法等方面，對(duì)電反推的適航審定要求及符合性驗(yàn)證等相關(guān)問題進(jìn)行探討。

在設(shè)計(jì)方面，電反推系統(tǒng)的控制過程與傳統(tǒng)反推有所不同，電反推用電纜替代管路進(jìn)行電力傳輸，因此在適航審定階段要仔細(xì)審查電路布局和控制線路，保證有至少3條不同的冗余控制線路，保證反推不會(huì)因?yàn)槟硹l線路故障而無法正常打開。對(duì)僅供地面使用的電反推系統(tǒng)，要有相應(yīng)的控制命令抑制其在空中因人為或機(jī)械故障而意外打開，保證飛機(jī)安全。若電反推意外打開，也要有相應(yīng)的控制指令控制飛機(jī)提供相應(yīng)補(bǔ)償，使反推意外打開的影響降到最低。

在安全性方面，反推裝置的失效模式主要有空中意外打開和無法打開，都與反推裝置的機(jī)械防鎖和控制系統(tǒng)及相關(guān)線路有關(guān)。因此，要保證發(fā)動(dòng)機(jī)電反推失效發(fā)生概率小于10-9/飛行小時(shí)，通過故障樹分析電反推系統(tǒng)來確定不能有單一故障導(dǎo)致反推意外打開。對(duì)于出現(xiàn)空中意外打開后保證飛機(jī)安全飛行和降落的措施，可通過全權(quán)限數(shù)字式電子控制系統(tǒng)（FADEC）控制反推推力及其他系統(tǒng)提供的飛行狀態(tài)補(bǔ)償，避免飛機(jī)失速。

在可靠性方面，審定過程中要對(duì)電反推系統(tǒng)進(jìn)行定量和定性的系統(tǒng)安全性分析，分析結(jié)果應(yīng)為飛機(jī)不會(huì)因?yàn)榉赐葡到y(tǒng)故障發(fā)生任何災(zāi)難性事故。同時(shí)要求系統(tǒng)中電子元器件及其他機(jī)械結(jié)構(gòu)都有一定的可靠性，避免系統(tǒng)因可靠性過低發(fā)生故障。

在功能檢驗(yàn)方面，在審定過程中可以對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行風(fēng)洞試驗(yàn)來驗(yàn)證飛機(jī)可靠性并驗(yàn)證反推效率和靜壓等氣動(dòng)指標(biāo)。另外，對(duì)于飛機(jī)機(jī)型審定時(shí)要從操縱性方面對(duì)反推系統(tǒng)進(jìn)行審定，避免因電反推意外打開而影響飛機(jī)的操縱性，導(dǎo)致事故發(fā)生。

機(jī)電作動(dòng)系統(tǒng)是電反推系統(tǒng)的關(guān)鍵部分，在適航審定過程中要關(guān)注機(jī)電作動(dòng)系統(tǒng)的非指令信號(hào)（如振蕩和噪聲等），并關(guān)注傳感器發(fā)生非指令信號(hào)故障和振蕩故障等。此外，還須關(guān)注機(jī)電作動(dòng)系統(tǒng)的傳動(dòng)效率、整流罩左右作動(dòng)筒的同步驅(qū)動(dòng)等，驗(yàn)證是否會(huì)因上述問題導(dǎo)致電反推系統(tǒng)失效或故障。

對(duì)于上述適航條款的符合性驗(yàn)證方法可以采用設(shè)計(jì)說明、安全性評(píng)估、分析計(jì)算、發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架試驗(yàn)、飛機(jī)試驗(yàn)、模擬器試驗(yàn)和設(shè)備鑒定等，可以從操縱性、可靠性、操縱性/可靠性組合和鎖緊反推裝置等4個(gè)方面表明其符合性，例如，可參考EASA AMC 25.933（a）用基于操縱性和可靠性的符合性驗(yàn)證方法。

飛機(jī)在降落過程中打開反推裝置（攝影：魏萌）

結(jié)束語

傳統(tǒng)反推技術(shù)相對(duì)成熟，但結(jié)構(gòu)復(fù)雜，發(fā)生氣流泄漏后容易使飛機(jī)性能下降，而且在空中意外打開率較高；而電反推系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，使發(fā)動(dòng)機(jī)質(zhì)量明顯減輕，可靠性更高，可以很好地與全電飛機(jī)兼容。但電反推目前尚屬于較新的技術(shù),航線使用經(jīng)驗(yàn)較少,技術(shù)成熟度仍較低，因而對(duì)于電反推的適航審定，除了要滿足針對(duì)傳統(tǒng)反推系統(tǒng)的相關(guān)適航條款要求，還應(yīng)依據(jù)其自身特點(diǎn)對(duì)其安全性、可靠性和操作性等方面提出適航審定要求，為今后我國研制的飛機(jī)電反推系統(tǒng)的適航審定提供一定思路。