漫談航空發(fā)動機反推技術(shù)

著陸速度與跑道的矛盾

常規(guī)飛機靠機翼上/下表面壓力差提供升力，飛行速度是機翼壓力差的決定因素，也與氣動控制面效率有關(guān)系。飛機著陸時為保證控制面的氣動效率以及有足夠的升力保證接地的穩(wěn)定，必須保持必要的飛行速度。機輪觸地后必須進行長距離滑跑，通過滑跑過程中的摩擦和氣動阻力降低速度。不同類型的飛機有對應(yīng)的滑跑距離，而落點誤差和跑道條件也會影響滑跑距離。

飛機在觸地后減速越快，著陸性能就越好。但是，現(xiàn)代軍、民用飛機采用的機輪剎車、減速傘和阻力板的效果有限，受機體結(jié)構(gòu)強度和跑道摩擦力的影響較明顯，著陸接地速度偏大，道面存在冰雪和潮濕都會大幅度增加滑跑距離。飛機發(fā)動機推/拉力既然可以讓飛機運動加速，反向的推/拉力自然也可以提供減速效應(yīng)。大型軍/民用運輸機及部分軍用飛機，為了應(yīng)對不同的場地條件及保證著陸安全，普遍采用帶反推裝置的動力系統(tǒng)，以便需要時提供靈活可靠的減速作用，這被稱為動力減速。借勢而為的動力減速

動力減速不需考慮飛機的氣動條件，與起落裝置的設(shè)計和布局也沒有關(guān)系。采用動力減速的大型多發(fā)飛機，不僅可通過反推方式降低速度，還可利用兩翼發(fā)動機正/反推動力差異，不需借助牽引車輛就實現(xiàn)極小半徑的轉(zhuǎn)向，解決大型飛機轉(zhuǎn)向半徑與跑道寬度的矛盾。

發(fā)動機反推的減速作用完全取決于發(fā)動機推力/功率，不受跑道的平整度和道面條件影響。道面上的冰雪和潮濕對機輪剎車影響很大，卻不會影響反推的效率。在摩擦阻力小的潮濕跑道著陸時，反推系統(tǒng)的減速效果明顯超過氣動和摩擦減阻，適于應(yīng)付迫降時迅速減速、中斷起飛或氣候突變造成的特殊情況。

機輪剎車和攔阻鉤在飛機觸地后才會發(fā)揮作用；減速傘雖然可以在接近地面時使用，但進行單次使用后就必須維護和更換。動力減速是發(fā)動機自帶的功能，相比需要在使用后檢查維護的機輪剎車、減速傘、攔阻鉤這樣的設(shè)備，動力減速裝置可以無限次數(shù)地使用，在跑道上使用反推也沒有位置和速度的限制。反推裝置的缺點是結(jié)構(gòu)復(fù)雜、重量大和成本高，使用中問題較多。

反推并不會影響到發(fā)動機渦輪段的正常工作，但反推排氣經(jīng)偏轉(zhuǎn)后會靠近發(fā)動機進氣口前端，易導(dǎo)致進氣口氣流畸變，使發(fā)動機產(chǎn)生推力變化、噪音和喘振，必須在發(fā)動機設(shè)計時對這些問題進行考慮。反推在地面啟動時，偏轉(zhuǎn)后的發(fā)動機高速噴流沖擊到地面，易造成砂石等異物飛濺，打擊機身結(jié)構(gòu)或吸入發(fā)動機。同時，靠近機體的發(fā)動機反推裝置工作時，偏轉(zhuǎn)的氣流會；中擊到機身結(jié)構(gòu)，容易產(chǎn)生壓力疲勞、燒蝕（軍用機）和氣動控制效率降低的負面作用?，F(xiàn)有反推應(yīng)用的實例

折流板反推折流板是最早應(yīng)用于噴氣發(fā)動機的反推裝置。主流的折流板反推是在發(fā)動機后段外側(cè)安裝獨立的折流板（大都采用兩塊對置），反推啟動后采用旋轉(zhuǎn)拉桿將折流板放出，兩側(cè)折流板在噴口后方形成封閉遮擋，使噴氣流轉(zhuǎn)向形成反向推力。

折流板反推的結(jié)構(gòu)相當簡單，與常規(guī)的減速板沒有什么大的差異，制造、安裝和維護的要求都不高。國外民用飛機最早采用的動力減速裝置，就是對開的折流板反推系統(tǒng)，翼吊布局發(fā)動機主要采用水平收攏折流板，尾吊布局的發(fā)動機則主要采用垂直收攏折流板。折流板反推屬于出口后反推裝置，關(guān)閉的折流板會封閉整個噴口，發(fā)動機的全部推力都將用于反推，獨立于發(fā)動機的折流板也不存在密封問題。折流板反推裝置出現(xiàn)的時間比較早，主要用于渦噴和小涵道比渦扇動力，現(xiàn)有帶反推的軍用戰(zhàn)術(shù)飛機也以該類技術(shù)為主。

隔柵反推國外民用飛機在60年代開始采用大涵道比發(fā)動機。發(fā)動機風扇段的直徑較大，發(fā)動機本體的長度相對較短。折流板反推裝置的尺寸與重量有直接關(guān)系，因此只適應(yīng)渦噴或小涵道比發(fā)動機。大涵道比發(fā)動機如果采用出口后折流板反推，折流板的重量將大幅增加，發(fā)動機外殼也沒有足夠空間容納折流板。發(fā)動機生產(chǎn)企業(yè)為使動力減速裝置適應(yīng)大涵道比發(fā)動機，大都采用拉伸式發(fā)動機尾環(huán)和隔柵反推裝置。

現(xiàn)代大涵道比渦扇發(fā)動機的外涵道推力占總推力的60%～80%，僅對外涵道推力實現(xiàn)反推就足夠滿足減速要求。隔柵反推針對的就是發(fā)動機外涵道的推力，通過分體的環(huán)形折流板封閉外涵排氣通道，將外涵道推力折流轉(zhuǎn)向形成反推，核心機部分的推力仍正常向后噴出，發(fā)動機出口處于無遮擋的開敞狀態(tài)。核心機部分保持向后噴氣是為了保持動力，以便戰(zhàn)術(shù)需要時迅速加速。

隔柵式反推只適用于帶外涵道的渦扇動力系統(tǒng)，反推效率能達到外涵道流量的70%～80%，但這種裝置的活動部件多，各部件工作的關(guān)聯(lián)性高，對可靠性和工作穩(wěn)定性要求很高。同時，隔柵系統(tǒng)需要設(shè)置可后移的活動發(fā)動機外罩、涵道內(nèi)可收放的復(fù)合折流板和艙壁處的隔柵，外涵道反推空氣通道部分結(jié)構(gòu)存在較多的密封問題。

隔柵反推同時存在推力和反推力，動力結(jié)構(gòu)雖然比較復(fù)雜，控制技術(shù)難度也比較高，但相比全封閉的折流板反推，隔柵反推不僅能在滑跑時使用，飛行過程中也可使用，有利于提高發(fā)動機對使用環(huán)境靈活性的要求。隔柵反推的折流板完全處于外涵道內(nèi)，轉(zhuǎn)軸打開的折流板既封閉又偏轉(zhuǎn)，發(fā)動機外側(cè)只有與艙壁同平面的隔柵板，在空中使用反推時發(fā)動機艙的氣動阻力較低。

現(xiàn)代民用航空發(fā)動機的涵道比均很高，外涵道推力占總推力的比例也很大。相對外涵道大推力與低重量的結(jié)構(gòu)特點，反推裝置已經(jīng)成為改善發(fā)動機性能的瓶頸。按照美國波音公司針對波音767動力系統(tǒng)的研究，反推裝置重量占發(fā)動機結(jié)構(gòu)重量的20%～30%，如何降低結(jié)構(gòu)重量已經(jīng)成為反推技術(shù)的難點?，F(xiàn)代大涵道比發(fā)動機外涵道的排氣溫度低，如果采用較輕的軟性織物替代涵道內(nèi)的剛性折流板，有條件在保證基本性能的前提下明顯降低重量，是隔柵式反推系統(tǒng)結(jié)構(gòu)改進的有效手段。

鱷魚口反推鱷魚口反推是隔柵式反推的變種形式，在90年代開始應(yīng)用于民用航空動力。鱷魚口反推是在發(fā)動機外涵道后段環(huán)形設(shè)置多個矩形排氣門，每個排氣門里都有對開的兩個折流板。反推系統(tǒng)啟動后，排氣門折流板分別向內(nèi)和向外打開，涵道內(nèi)折流板阻擋噴流，發(fā)動機艙外側(cè)的折流板則用以改變噴流方向。對開的折流板工作狀態(tài)類似鱷魚張開的大嘴，因此被稱為鱷魚口反推。endprint

鱷魚口反推的效率能達到發(fā)動機靜推力的40%。鱷魚口結(jié)構(gòu)比隔柵結(jié)構(gòu)簡單，也利于適應(yīng)更大的涵道比。但折流板結(jié)構(gòu)重量較大，打開的外側(cè)折流板還會改變發(fā)動機艙外形和氣動條件，飛行中使用反推的氣動問題比隔柵式要復(fù)雜。鱷魚口反推出現(xiàn)時間較晚，又沒有突出的技術(shù)優(yōu)勢，目前應(yīng)用范圍還不如隔柵式反推裝置。

機翼結(jié)構(gòu)反推機翼結(jié)構(gòu)反推是在發(fā)動機噴口后的機翼段設(shè)置可折疊的阻力板，工作時打開擋板遮擋發(fā)動機噴流實現(xiàn)減速。機翼結(jié)構(gòu)反推與發(fā)動機各自獨立，不存在發(fā)動機反推的密封、結(jié)構(gòu)和重量問題，技術(shù)難度也不大。機翼結(jié)構(gòu)反推類似于二戰(zhàn)時期俯；中轟炸機的減速板，現(xiàn)有研究方向大都將反推折流板與飛機活動增升翼面組合，用組合活動面實現(xiàn)機翼變彎度、增升和動力減速功能。軍用飛機的反推應(yīng)用

相對于只需考慮著陸安全性的民用飛機，軍用飛機必須考慮到戰(zhàn)爭期間跑道被破壞的影響。現(xiàn)代作戰(zhàn)飛機的減速裝置除減速板、機輪剎車和減速傘外，還有不少型號采用攔阻鉤強制減速。

按照模擬分析和演習的經(jīng)驗，減速板和減速傘的減速效果存在局限，機輪剎車也要考慮到跑道條件和機輪的壽命。攔阻鉤雖然是西方戰(zhàn)術(shù)飛機的重要減速裝置，但必須與跑道上的攔阻索配套使用，攔阻索前后都要有必要長度的完好道面，限制了攔阻鉤的使用可靠性和靈活性。動力減速比氣動減速的效率要高，也不會受到地面設(shè)施條件和著陸位置的影響，是一種在理論上較有前途的減速措施，但反推在軍用戰(zhàn)術(shù)飛機中應(yīng)用的范圍卻不算大。

美國在80年代驗證新一代戰(zhàn)斗機技術(shù)時，就考慮過動力減速技術(shù)。由F-15改裝的F-15S/MTD短距起降驗證機采用了帶反推裝置的二元噴管，結(jié)構(gòu)相當于折流板與隔棚反推的綜合。

F-15S/MTD的二元噴管在垂直向可以進行±20°的偏轉(zhuǎn)，噴管上/下表面還帶有類似隔柵裝置的活門，在噴管內(nèi)放下活門擋板后，可以將噴氣流從活門處噴出實現(xiàn)反推減速。F-15S/MTD的反推裝置可以在空中使用，具備比減速板更好的減速效果，據(jù)稱著陸時采用反推裝置后的滑跑距離可減少到380米，潮濕和不平坦跑道上的著陸滑跑距離也不超過470米，同條件的F-15A/B標準跑道著陸滑跑距離則要達到1060米。

瑞典Saab-37在設(shè)計中強調(diào)短距起降性能，采用了與尾噴管結(jié)合的反推裝置。Saab-37在RM8發(fā)動機噴口后段的機體尾段，設(shè)置有帶三組開口和折流板的反推裝置。飛機在亞音速飛行時，反推裝置的開口打開，折流板收起，機身外空氣通過開口流入噴管后段以降低阻力。超音速飛行時折流板開口封閉，后段機身作為發(fā)動機加力引射噴管使用。Saab-37在著陸時，當飛機前起落架接觸地面后自動啟動反推，放下的折流板將噴流通過開口偏轉(zhuǎn)，將飛機的滑跑距離控制在500米內(nèi)。

RBl99渦扇發(fā)動機是上世紀80年代非常出色的中推動力系統(tǒng)，專用于“狂風”的RB199標配有反推裝置。“狂風”的反推功能只是為滑跑減速，沒有F-15S/MTD那樣的在空中使用的要求，因此選擇技術(shù)簡單成熟、采用垂直對合偏導(dǎo)方式的折流板結(jié)構(gòu)。

“狂風”在設(shè)計上很強調(diào)短距起降能力，意圖在歐洲爆發(fā)大規(guī)模戰(zhàn)爭、機場在受到蘇聯(lián)航空兵和戰(zhàn)術(shù)導(dǎo)彈密集攻擊后，飛機仍可用剩余跑道起降，必要時還可依靠高等級公路作為臨時場地。“狂風”在著陸時使用反推裝置的目標，就是要保證飛機在370米滑跑距離內(nèi)停機。

“狂風”采用獨立的折流板反推裝置，機輪觸地后自動打開并封閉排氣通道，發(fā)動機全部推力都可作為反推動力。“狂風”反推系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)重量較大，安裝反推裝置后的RB199發(fā)動機達到1噸。RB199發(fā)動機著陸時的排氣溫度較高，反推使用時的偏轉(zhuǎn)燃氣直接沖擊機身發(fā)動機段，使用幾次就會在后機身垂尾位置形成燒蝕色?！翱耧L”的反推裝置作為短距著陸的減速措施，完全是為了滿足戰(zhàn)爭條件下的場地要求，與民用飛機常規(guī)性的動力減速措施不同，“狂風”不需要在日常訓(xùn)練中頻繁使用反推。

反推作為強制性動力減速措施，降低滑跑距離的效果非常好，但結(jié)構(gòu)重量和維護工作量均很大，戰(zhàn)術(shù)飛機很難承受反推系統(tǒng)復(fù)雜的結(jié)構(gòu)和重量影響?！翱耧L”和Saab-37應(yīng)用反推裝置是為了保證短距著陸要求。F-15S/MTD驗證反推是為了支持ATF項目，但ATF短距著陸要求在項目實施中因整體結(jié)構(gòu)和性能協(xié)調(diào)的關(guān)系被放棄，二元矢量噴管設(shè)計中也放棄了反推裝置。目前只有民用發(fā)動機將偏轉(zhuǎn)反推系統(tǒng)作為基本配置，當在研的噴射引流反推裝置達到實用后，取消機械遮擋裝置的反推系統(tǒng)將可能實現(xiàn)推力/反推一體化，屆時反推裝置不再局限于減速，而成為飛機整體氣動/推動設(shè)計的積極因素。[編輯/旭日]endprint