唐正府，王進，張新非，呂伯平

(95899部隊，北京100076)

國外先進戰(zhàn)斗機空中應(yīng)急功能分析

唐正府，王進，張新非，呂伯平

(95899部隊，北京100076)

空中應(yīng)急功能是指在空中發(fā)動機停車或發(fā)電機、液壓泵、電源系統(tǒng)關(guān)鍵部件失效時，為飛機提供應(yīng)急電源和應(yīng)急液壓源的能力，主要用于提高飛機安全性。從戰(zhàn)斗機發(fā)展需求出發(fā)，通過分析空中應(yīng)急功能的必要性及對飛行安全性的影響，歸納總結(jié)了國外典型三代、四代戰(zhàn)斗機空中應(yīng)急功能的使用規(guī)律和發(fā)展趨勢，得出先進戰(zhàn)斗機具備空中應(yīng)急功能十分必要的啟示，可為開展飛機電源系統(tǒng)及第二動力系統(tǒng)設(shè)計提供一定的參考和借鑒。

空中應(yīng)急功能；第二動力系統(tǒng)；輔助動力裝置；應(yīng)急動力裝置

1 引言

現(xiàn)代航空燃氣渦輪發(fā)動機的結(jié)構(gòu)特點和循環(huán)過程，決定了其在自主工作之前必須先由其它動力源帶動。最初帶動發(fā)動機的動力源是電起動機，后來隨著發(fā)動機所需起動功率的越來越大，輔助動力裝置(APU)逐步取代了電起動機，成為現(xiàn)代起動發(fā)動機的主要動力源，第二動力系統(tǒng)也隨著APU的出現(xiàn)應(yīng)運而生。

對于軍用戰(zhàn)斗機，尤其是單發(fā)飛機，第二動力系統(tǒng)中除APU外，通常還包括一個應(yīng)急動力裝置(EPU)。如果飛行中發(fā)動機熄火或發(fā)電機、液壓泵發(fā)生故障，EPU可向飛控和電氣系統(tǒng)的關(guān)鍵負(fù)載提供獨立能源，直至發(fā)動機重新起動、飛行員被安全彈射或飛機完成停車著陸才停止工作。第二動力系統(tǒng)通常由APU、EPU、附件傳動裝置和能量轉(zhuǎn)換附件(如發(fā)電機、液壓泵)等組成，主要用于提供氣、電、液壓及軸功率，以滿足飛機對發(fā)動機起動、應(yīng)急能源或其它輔助能源的不同需要。

根據(jù)先進戰(zhàn)斗機不同的發(fā)展需求，一些雙發(fā)飛機出于優(yōu)化結(jié)構(gòu)、減輕重量等考慮，對EPU進行簡化或缺裝，使得第二動力系統(tǒng)空中提供應(yīng)急功能的方式發(fā)生一定改變。后來，隨著技術(shù)的不斷進步，第二動力系統(tǒng)呈現(xiàn)出綜合化、集成化的發(fā)展趨勢，即把APU和EPU通過共用齒輪箱的方式綜合集成為一套組合動力裝置(IPU)，從而大大簡化結(jié)構(gòu)、減輕重量，能在主發(fā)動機不工作，及不使用地面電源車、氣源車等龐大輔助設(shè)備的條件下，方便、快捷地完成飛機大部分設(shè)備的檢查和維護，提高飛機的自主保障能力和安全性[1，2]。

然而，無論第二動力系統(tǒng)如何集成，結(jié)構(gòu)如何簡化，從國外典型戰(zhàn)斗機第二動力系統(tǒng)設(shè)計方案對比分析看，空中應(yīng)急功能始終是戰(zhàn)斗機不可缺少的關(guān)鍵能力之一。

2 空中應(yīng)急功能重要性分析

2.1 空中應(yīng)急功能是飛行安全的可靠保障

現(xiàn)代先進戰(zhàn)斗機為追求高機動性和高敏捷性的作戰(zhàn)能力，進一步放寬了靜不安定度，使得飛機一旦完全喪失電力和液壓助力，飛行員很難操縱飛機保持平飛，從而嚴(yán)重危及飛行安全。為飛行控制系統(tǒng)提供操縱能源的主要組成環(huán)節(jié)有發(fā)動機、液壓系統(tǒng)、電源系統(tǒng)、飛機附件機匣及功率驅(qū)動軸等部件，任意一個環(huán)節(jié)出現(xiàn)故障，都將嚴(yán)重影響飛行安全。特別是飛機在飛行包線左邊界附近飛行時，此時高度高、速度小、空氣稀薄，發(fā)動機工作條件惡化，當(dāng)飛機進行過失速等機動飛行時，發(fā)動機停車概率大大增加。此外，飛機電源系統(tǒng)的使用可靠性一直是飛機安全性指標(biāo)的軟肋。據(jù)國外不完全數(shù)據(jù)統(tǒng)計，美國F-15、F-16等飛機故障約有80%來源于電源系統(tǒng)。一旦電源系統(tǒng)出現(xiàn)故障，全機斷電，此時即使發(fā)動機沒有停車、正常工作，也無法為飛機操縱提供所需電力，從而危及飛行安全。

第二動力系統(tǒng)中的EPU，就是專門為飛機提供空中應(yīng)急功能、提高飛機作戰(zhàn)環(huán)境下的生存力而設(shè)計的動力裝置，具有起動迅速、輸出功率連續(xù)可控、不受飛機飛行姿態(tài)(包括高度、速度)影響、工作包線大、能短時間獨立工作等特點。當(dāng)空中主發(fā)動機停車時，電源和液壓源都會消失，而EPU可驅(qū)動應(yīng)急發(fā)電機和應(yīng)急液壓泵，為飛機操縱提供短暫的電源和液壓源，從而保證安全返航。此外，由于戰(zhàn)斗機APU一般體積小、進氣量少，起動包線十分有限，不能在整個飛行包線內(nèi)起動發(fā)動機。如果在包線外發(fā)動機熄火，此時EPU能在短時間內(nèi)投入工作，依靠自帶燃料迅速產(chǎn)生高溫、高壓燃氣，沖擊渦輪輸出軸功率，提供應(yīng)急能源幫助飛行員操縱飛機進入APU起動包線，從而起動主發(fā)動機，提高飛行安全性。根據(jù)美國F-16飛機使用經(jīng)驗統(tǒng)計，飛機全壽命周期里使用EPU提供應(yīng)急功能的平均次數(shù)為4～5次，使飛機損失率降低為3.97架/10萬飛行小時，幾乎超過了世界上最佳的雙發(fā)戰(zhàn)斗機[3～5]。因此，可認(rèn)為空中應(yīng)急功能是飛行員在跳傘前飛行安全的最后一道安全屏障。

2.2 空中應(yīng)急功能是貫徹標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范的重要體現(xiàn)

具有豐富空軍作戰(zhàn)經(jīng)驗的美軍，經(jīng)過不斷總結(jié)完善，在最新版的美軍聯(lián)合軍種規(guī)范指南《JSSG2009飛行器子系統(tǒng)附錄C輔助動力系統(tǒng)》[6]中，對為何需要應(yīng)急動力闡述如下：現(xiàn)代先進戰(zhàn)斗機許多關(guān)鍵負(fù)載不能容忍甚至瞬時的動力中斷(如掉電)，突然的動力消失必須有備份能源或應(yīng)急能源同時工作，否則會給關(guān)鍵負(fù)載帶來損傷。因此設(shè)計應(yīng)急動力系統(tǒng)，以保證緊急情況下飛控系統(tǒng)和其它必須的功能恢復(fù)到飛機安全操縱狀態(tài)，十分必要。

因而，許多飛機子系統(tǒng)(如飛行控制系統(tǒng)、燃油系統(tǒng)、電氣系統(tǒng)以及發(fā)動機起動系統(tǒng)等)在進行方案設(shè)計時，在發(fā)動機停車或電源系統(tǒng)故障情況下，對應(yīng)急動力系統(tǒng)提出了空中提供應(yīng)急功率的需求。

應(yīng)急動力系統(tǒng)被要求在飛行包線允許的任意范圍內(nèi)，一旦主發(fā)動機或電源系統(tǒng)失效，能為飛行控制系統(tǒng)提供應(yīng)急所需的液壓動力和電力，工作時間至少能持續(xù)至將飛機恢復(fù)到安全彈射包線范圍內(nèi)，以保證飛行員能在迫不得已的情況下彈射逃生。并且希望應(yīng)急動力系統(tǒng)能提供足夠的應(yīng)急能源，以使飛機能通過穩(wěn)態(tài)控制幫助發(fā)動機重新起動，從而恢復(fù)至正常飛行狀態(tài)。

我國在GJB243A-2004《航空燃氣渦輪動力裝置飛行試驗要求》[7]中，也對動力裝置提出了進行空中應(yīng)急功能飛行鑒定的試驗要求，以考核應(yīng)急動力裝置性能、起動特性、工作穩(wěn)定性，以及與飛機相關(guān)系統(tǒng)的適應(yīng)性和協(xié)調(diào)性。

由此可見，無論是國外規(guī)范還是國內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)，都對空中應(yīng)急能力提出了明確要求，這充分說明空中應(yīng)急功能是保證飛控系統(tǒng)使用可靠性、飛行關(guān)鍵設(shè)備維持正常用電操作的關(guān)鍵能力之一，是飛機考慮安全余度設(shè)計思想的重要體現(xiàn)。

3 國外典型戰(zhàn)斗機空中應(yīng)急功能方案分析

3.1 國外典型戰(zhàn)斗機空中應(yīng)急功能使用情況

從現(xiàn)代主流第三代、第四代戰(zhàn)斗機看，無論是單發(fā)飛機還是雙發(fā)飛機，輔助動力系統(tǒng)方案設(shè)計時都考慮了空中提供應(yīng)急功率功能，區(qū)別在于有的僅提供應(yīng)急電源，有的既可提供應(yīng)急電源也可提供應(yīng)急液壓源，詳見表1。

從表中可以看出，美國的F-117、F-22和歐洲的陣風(fēng)等雙發(fā)飛機都采用了EPU提供空中應(yīng)急功能。美國的F-15、F-18和歐洲的臺風(fēng)等雙發(fā)飛機雖然沒有EPU，但也采用了其它應(yīng)急動力設(shè)計方案解決應(yīng)急功率問題，其工作條件限制是必須有一臺發(fā)動機能正常工作。如F-15飛機采用液壓馬達驅(qū)動應(yīng)急發(fā)電機，F(xiàn)-18、臺風(fēng)飛機采用空氣渦輪馬達驅(qū)動停車發(fā)動機飛機附件機匣上的發(fā)電機和液壓泵提供應(yīng)急功率，以彌補單發(fā)停車時飛機對電源和液壓源的需求，增加電源系統(tǒng)的安全余度，確保飛行安全。以F-22和F-35為代表的第四代戰(zhàn)斗機，更是具備在全飛行包線范圍內(nèi)提供應(yīng)急功率的功能。俄羅斯的蘇-27飛機雖然沒有EPU，但其燃氣渦輪起動機(GTS)具備空中起動發(fā)動機和在有限范圍內(nèi)提供應(yīng)急功能的能力。

3.2 應(yīng)急功能對飛機安全性的影響

由于雙發(fā)飛機兩臺發(fā)動機同時停車的概率十分微小，單發(fā)停車時正常工作的發(fā)動機能為飛機電源系統(tǒng)提供電力，保證飛控系統(tǒng)正常工作，因此一些飛機設(shè)計者認(rèn)為可取消空中應(yīng)急功能。但筆者認(rèn)為取消空中應(yīng)急功能會對飛機安全性造成嚴(yán)重影響，主要表現(xiàn)在以下三個方面：

(1)如果取消空中應(yīng)急功能，飛機在進行諸如過失速機動等大機動動作時一旦失穩(wěn)，同時電源系統(tǒng)又發(fā)生故障，在完全喪失電力和液壓助力的情況下，飛行員很難操縱飛機恢復(fù)穩(wěn)定飛行狀態(tài)，從而降低了飛行安全性。

表1 典型戰(zhàn)斗機空中應(yīng)急方案對比Table 1 Air emergency project comparison of typical fighters

(2)雖然雙發(fā)飛機兩臺發(fā)動機同時停車的概率十分微小，但由于飛機電源系統(tǒng)的工作可靠性不高，單發(fā)停車而同時電源系統(tǒng)故障的可能性不容忽視。也就是說，如果電源系統(tǒng)可靠性不高，即使單臺發(fā)動機能正常工作，若電源系統(tǒng)故障，飛機也會完全喪失電力，從而危及飛行安全。2004年F-22飛機就發(fā)生過因電源系統(tǒng)故障導(dǎo)致飛控系統(tǒng)無法正常工作而使飛機墜毀的飛行事故。因此，若取消空中提供應(yīng)急功率功能，一旦電源系統(tǒng)故障，即便是雙發(fā)飛機其安全余度也勢必會減小。

(3)對于追求高機動性的先進戰(zhàn)斗機，其配套的發(fā)動機不僅面臨高機動條件下的進氣畸變，而且由于先進戰(zhàn)斗機綜合航電、內(nèi)埋武器、電子對抗等特點，對發(fā)動機提取功率提出了較高的要求。這使得發(fā)動機在功率提取較大時工作穩(wěn)定性大大降低，空中停車概率增大，特別是飛機在高空小表速和高機動飛行條件下，空中停車概率更大。臺風(fēng)戰(zhàn)斗機(批產(chǎn)型)就發(fā)生過15 000 m高空兩臺發(fā)動機同時停車的故障，導(dǎo)致機毀人亡。因此，若取消空中提供應(yīng)急功率功能，一旦雙發(fā)停車，難以保證飛機安全。

3.3 應(yīng)急功能發(fā)展趨勢

從上世紀(jì)70年代開始，第二動力系統(tǒng)就在戰(zhàn)斗機上得到了普遍應(yīng)用，其EPU提供應(yīng)急功能經(jīng)歷了從獨立結(jié)構(gòu)到簡化結(jié)構(gòu)、再從簡化結(jié)構(gòu)到集成結(jié)構(gòu)的發(fā)展變化歷程。

(1)獨立結(jié)構(gòu)

圖1 典型三代機獨立第二動力系統(tǒng)布局方案Fig.1 Unaided second power system of the 3rdgeneration fighter

典型三代機第二動力系統(tǒng)早期采用獨立結(jié)構(gòu)設(shè)計方案(圖1)，由軸功率輸出型APU和獨立的EPU等部件組成。當(dāng)空中發(fā)生主發(fā)動機停車或液壓系統(tǒng)、電源系統(tǒng)故障時，由EPU獨立工作提供應(yīng)急軸功率驅(qū)動輔助發(fā)電機和輔助液壓泵。該結(jié)構(gòu)的特點是以輔助動力裝置為核心，采用兩套獨立的渦輪動力裝置及電機、液壓泵負(fù)載等結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致系統(tǒng)復(fù)雜，重量較大，多在單發(fā)飛機上使用。如F-16戰(zhàn)斗機，APU的輸出軸功率為149 kW，可在0～6 096 m高空起動主發(fā)動機；EPU可在0～15 240 m高空，經(jīng)2～3 s起動后，使用自帶肼燃料工作，可持續(xù)工作10 min為飛機提供應(yīng)急液壓動力和應(yīng)急電力。

(2)簡化結(jié)構(gòu)

簡化結(jié)構(gòu)設(shè)計方案以Su-27戰(zhàn)斗機第二動力系統(tǒng)(圖2)為典型代表，取消了EPU和APU等組件，由飛機附件機匣上的GTS充當(dāng)EPU和APU的功能，具有短時工作起動發(fā)動機和提供應(yīng)急功率兩種功能。GTS按應(yīng)急動力裝置模式工作提供應(yīng)急功能時，驅(qū)動飛機附件機匣上的發(fā)電機和液壓泵，轉(zhuǎn)速低，僅能在有限飛行包線范圍內(nèi)提供應(yīng)急電源，工作時間不超過5 min，且對產(chǎn)品損傷很大，使用一次后就要更換。該結(jié)構(gòu)的特點是結(jié)構(gòu)簡單，重量較輕，在單發(fā)飛機使用難以提供足夠的飛行安全余度保證，大多在雙發(fā)飛機上使用。

圖2 Su-27飛機第二動力系統(tǒng)布局方案Fig.2 The scheme of Su-27second power system

(3)集成結(jié)構(gòu)

集成結(jié)構(gòu)設(shè)計方案以F-22戰(zhàn)斗機第二動力系統(tǒng)(圖3)為典型代表，APU和EPU通過共用齒輪箱的結(jié)構(gòu)方式綜合集成，形成一套新型壓縮空氣輸出型組合動力裝置，共用發(fā)電機和液壓泵負(fù)載。當(dāng)空中發(fā)生主發(fā)動機停車或液壓系統(tǒng)、電源系統(tǒng)故障時，組合動力裝置按應(yīng)急動力模式工作，空氣和煤油在燃氣發(fā)生器內(nèi)經(jīng)點火裝置點火燃燒，產(chǎn)生高溫、高壓燃氣，通過渦輪動力組件發(fā)出應(yīng)急功率，并通過齒輪箱組件實現(xiàn)動力傳輸帶動輔助液壓泵、輔助發(fā)電機產(chǎn)生應(yīng)急電功率和液壓功率。該結(jié)構(gòu)的特點是系統(tǒng)高度集成，重量較輕。據(jù)報道，F(xiàn)-22所采用的先進組合動力裝置重120 kg，比以前同類系統(tǒng)減重近40%，且性能大大提高。按輔助工作模式運行時當(dāng)量功率為335 kW，能在0～12 500 m高空亞聲速飛行時應(yīng)急起動發(fā)動機，比普通三代機空中最大起動高度提高近一倍；按應(yīng)急模式運行可在飛行包線范圍內(nèi)任何高度、速度和姿態(tài)下，在聯(lián)機后5 s內(nèi)提供應(yīng)急液壓動力和應(yīng)急電力，大大提高了飛機的安全性。同時，能在不開主發(fā)動機或不使用地面電源車、氣源車等輔助設(shè)備的前提下，方便、快捷地完成飛機大部分設(shè)備的檢查和維護，大大提高飛機的自主保障能力，受到美國空軍偏愛。該結(jié)構(gòu)的特點是共用齒輪箱、發(fā)電機、液壓泵負(fù)載等，可最大限度地利用飛機提供的有限空間，且功能完備。

圖3 F-22飛機二動力系統(tǒng)布局方案Fig.3 The scheme of F-22 second power system

4 啟示

(1)從國外空中應(yīng)急功能使用情況看，為提高飛機的安全性，即便是雙發(fā)飛機，也多數(shù)設(shè)置了空中提供或部分提供應(yīng)急功率的功能，以提高電源系統(tǒng)的設(shè)計余度。

(2)現(xiàn)代先進戰(zhàn)斗機，若取消空中應(yīng)急功能，勢必降低飛機空中使用的安全性，嚴(yán)重時甚至?xí)＜帮w行員的生命安全。

(3)即便是雙發(fā)飛機也不宜取消空中應(yīng)急功能，應(yīng)具備一定的空中應(yīng)急能力以確保飛機的安全性，以便空中起動發(fā)動機或在有限包線范圍內(nèi)提供輔助功率。

[1]田濤，王進.飛機第二動力系統(tǒng)發(fā)展及關(guān)鍵技術(shù)[J].航空裝備論證，2008，(3)：17—23.

[2]雷友鋒，王進.軍用飛機第二動力系統(tǒng)發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢[J].航空裝備論證，2001，(4)：22—26.

[3]常淑青.發(fā)展我國的飛機輔助動力裝置[J].航空裝備論證，2000，(4)：29—32.

[4]周增幅，陶征宇.多電飛機的組合動力裝置[J].航空裝備論證，1997，(1)：20—28.

[5]吳阿平.應(yīng)急動力系統(tǒng)的優(yōu)化[J].飛機設(shè)計，2007，27 (3)：59—62.

[6]JSSG-2009-1998，飛行器子系統(tǒng)附錄C輔助動力系統(tǒng)[S].

[7]GJB 243A-2004，航空燃氣渦輪動力裝置飛行試驗要求[S].

Analysis of Air Emergency on Foreign Advanced Fighters

TANG Zheng-fu，WANG Jin，ZHANG Xin-fei，LV Bo-ping
(95899 PLA Troops，Beijing 100076，China)

Air emergency is a kind of capability which offers the electricity and hydraulic power to improve flight safety,when engine flameout happens,or when key components such as generator,hydraulic pump and electrical system are invalidated.According to the developing demands on fighter,the application rule and development trend of air emergency on the foreign 3rd and 4th generation fighters are summarized through analysis on necessity of air emergency and its impact on flight safety.It can be concluded that it is necessary to design air emergency on advanced fighters and also could be referential for design of airplane power system and the second power unit.

air emergency；second power system；auxiliary power unit(APU)；emergency power unit(EPU)

V271.4

A

1672-2620(2013)01-0053-05

2012-06-12；

2013-01-13

唐正府(1980-)，男，北京人，工程師，主要從事航空發(fā)動機總體論證。