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航空小知識

飛機那么快,如何減速呢

時間:2019年02月20日 15:51   來源:大飛機報
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是否采用反推力裝置剎車對著陸滑跑距離的影響 資料圖

 

  飛機在飛行時速度非常快,即便在降落時速度依然不低。那么,飛機是如何進行減速的呢?是否像汽車一樣松掉油門腳踩剎車?是否還有手剎?一般來說,飛機會通過反推裝置、擾流板、機輪剎車等方式來減速。反推裝置通過改變噴射氣流的流向,產生與推進力方向相反的力來使飛機減速。一定情況下,反推制動方式受自然條件的影響也較小,對提升飛機安全性有重要意義。

 

  通過反推裝置實現飛機減速

  隨著飛機結構設計和氣動設計能力的不斷發展,以及高推力發動機的推陳出新,大型噴氣式飛機的起飛和著陸重量不斷提高。大型化的發展趨勢對飛機著陸和起飛提出了更高要求,在著陸重量很大的情況下為實現較短的滑跑距離,最有效措施就是采用反推力裝置及相應的控制技術。

  在正常滑跑和飛行狀態時,飛機發動機產生向后的噴射氣流,從而產生往前的正推力。而飛機在中斷起飛或降落接地等情況下,需要借助于反推裝置,通過改變全部或者部分噴射氣流流向的方式,產生與正推力方向相反的反推力來使飛機減速。為保證飛機的安全性和經濟性,反推裝置要具備操作容易、安裝性能好、承載能力強、流量損失小、穩定性好等特點。

  采用反推裝置實現飛機減速具有諸多優點。首先,與僅采用機輪剎車相比,在潮濕、結冰或被雪覆蓋的跑道上,反推裝置工作時的減速效果更明顯。其次,反推裝置工作時的適應性很好,能在飛機迫降、緊急終止起飛以及在惡劣氣候下為飛機提供可靠的減速力。再次,反推裝置可以減少飛機機輪剎車系統磨損,也不需要像減速傘在使用后需要重新收起,從而提高飛機的使用效率。最后,反推裝置不要求機場設置專門設備,不受著陸面積的制約,比其他幾種減速方式平穩可靠。

  從安全性角度來看,反推力裝置是大型飛機必不可少的組成部分,這使得反推技術的研究和發展一直是各國飛機制造商和發動機研究機構關注的熱點。

 

  實現反推裝置的主要方式

  飛機上反推裝置的設計與所采用的發動機密切相關,如果一種型號的飛機可以配備多款型號的發動機,那么該型號飛機就可能存在兩種及以上的反推形式。目前常見的發動機類型有渦輪螺旋槳發動機、渦輪軸發動機、渦輪噴氣發動機(渦噴發動機)及渦輪風扇發動機(渦扇發動機)四種,其中渦輪螺旋槳發動機和渦輪軸發動機一般不涉及反推裝置。

  其中渦噴發動機由進氣道、壓氣機、燃燒室、渦輪和尾噴管組成,渦輪旋轉帶動壓氣機工作,壓氣機增壓空氣,高壓空氣與燃油在燃燒室混合后燃燒,產生高溫高壓空氣經渦輪和尾噴管向后噴出,產生正推力,同時驅動渦輪旋轉。與渦噴發動機相比,渦扇發動機增加了風扇和外涵道,其中與渦噴發動機類似的結構稱為內涵道,而通過風扇后直接排出發動機的那部分氣體通過的通道稱為外涵道,各級渦輪分別驅動風扇和壓氣機工作,風扇對外涵道氣流進行加速加壓,從而產生外涵道正推力。可見,渦扇發動機的推力包括內涵道推力和外涵道推力兩部分。

  通過對渦噴發動機及渦扇發動機工作原理的分析,可知渦噴發動機反推裝置產生反推力只能通過內涵道噴射氣流的方向折返才能夠實現,而渦扇發動機反推裝置原則上既可以通過內涵道噴射氣流的方向折返產生反推力,也可以通過外涵道氣流的方向折返產生反推力,或是二者兼備。

  目前實現反推的方式主要是機械式反推,結合渦噴發動機和渦扇發動機的特點,反推結構主要包括折流板反推、葉柵式反推和折流門反推等。

  折流板反推力器可以細分為兩種,一種是蚌蛤式反推,反推結構位于噴管前面;另一種是抓斗式反推,反推結構位于噴管后面。在發動機產生正推力時,兩扇反推門通過前后傳動搖臂,緊貼在延伸管和噴口左右兩側,當需要反推力時,兩扇門對接在一起, 迫使氣流向斜前方噴出產生反推力,使飛機減速。這類反推力裝置通常安裝在機翼下的短艙后端,要求短艙伸出翼外,否則,當反推力排氣直接流過機翼時會產生不必要的升力,使反推效率下降。

  通常情況下,折流板反推的反向氣流噴射角度較大,反推效率較低。因此,折流板反推力器多用于渦噴發動機或小涵道比渦輪風扇發動機上,主要依靠內涵道氣流折返變向產生反推力。折流板反推器具有結構簡單的特點,但是重量較大,承受的反推力載荷大,且反推氣流容易作用到機身結構上。

  葉柵式反推主要應用于大涵道比渦扇發動機上,如涵道比為9的渦扇發動機一級壓氣機外涵風扇的推力可占發動機總推力的80%左右。葉柵式反推裝置在結構上和折流板反推比更加靈巧緊湊,反推力更加平穩,短艙內有足夠空間滿足該反推力裝置的定位要求。葉柵式反推裝置只適用于渦輪風扇發動機,其反推力可高達發動機最大推力的60%-70%。其缺點是機械協調件多,結構復雜,葉柵蓋和阻流板的氣流泄漏可能導致發動機性能降低。

  葉柵式反推應用比較廣泛,常見的發動機有V2500、CFM56-7B、GE90、Trent900及PW4000等,涉及的機型包括A320、B737、B777、A380及A330等。B787配備了Trent1000和GEnx-1B兩款發動機,均采用了葉柵式反推系統。中國商飛公司的ARJ21飛機尾吊發動機和C919飛機翼吊發動機也采用了葉柵式反推裝置。

  折流門反推的常見形式為瓣式轉動折流門反推,其由在短艙側壁上沿周向設置的四組或多組轉動的樞軸折流門及驅動機構組成。正推力狀態時,折流門與短艙緊密配合,保證外涵道及短艙外表面的氣動性能。需要產生反推力時,折流門繞樞軸轉動,每組門的內側部分相當于葉柵式反推的阻流門,擋住外涵道氣流,而外側部分相當于葉柵式反推的葉柵部分,對排氣起到定向導流作用,產生反推力。瓣式轉動折流門反推力器對渦輪風扇發動機比較適用,其反推力約為發動機靜推力的40%。折流門反推在結構上雖然比葉柵式反推簡單,但比折流板反推復雜,且其折流門對短艙密封性能的影響也相對較大。

  折流門反推常見于采用Trent700發動機的A330飛機,以及采用CFM56-5B發動機的A320、A340及B737飛機。

 

  新型反推結構

  在飛機中應用反推技術,既增加了機械系統的復雜性,更重要的是增加了短艙結構的質量。實踐表明,對于風扇直徑大于2540 毫米(100 英寸)的發動機而言,反推力系統的質量達到短艙質量的30%以上。像GE90這樣的超大型發動機,單個發動機配備的反推力系統質量達到680千克。而像F100等較小型的發動機,其反推力系統的質量約為短艙質量的55%。

  目前正在研究的一種新型反推裝置為無阻流器發動機反推力裝置(BETR)。該裝置結構布局的主要特點是去掉了內涵道及外涵道阻流器,在需要產生反推力時,外涵道可滑移整流罩向后滑動,將葉柵露出,利用噴射系統直接將內涵道壓氣機高壓空氣按一定角度噴入外涵道氣流中,產生氣動效應,使外涵道氣流偏轉,并通過折流葉柵排出實現反推目的。這種方法大幅度減輕了反推系統的質量,降低了作動系統的復雜性,并且對內流無干擾,反推效率明顯提高。

  目前,主要借助于計算流體動力學技術對無阻流器葉柵式反推力裝置開展數值研究工作,研究內容涉及到二次流噴射位置、噴射流量、噴射角度等對反推力性能的影響。研究結果表明,二次流噴射位置等因素對二次流下游形成的渦結構作用范圍和位置產生了影響,從而決定了反推性能。

  反推力裝置是現代大型噴氣式飛機必不可少的組成部分,同時也是涉及到結構、強度、材料、氣動以及機械等專業的飛機發動機一體化設計技術。目前,我國在發動機反推技術領域的研究還比較基礎,相信通過國產大飛機的研制,將提升我國在大型噴氣式飛機反推技術和裝置方面的研制能力。

  (作者系中國商飛北研中心工程師)

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