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，而且與多電飛機架構(gòu)兼容性更強，但各國適航當(dāng)局尚未針對電反推系統(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，為飛機降落或中止起飛提供必要的反向推力，與飛機剎車系統(tǒng)一起可有效減少剎車距離。目前民用飛機反推系統(tǒng)驅(qū)動方式多為液壓驅(qū)動，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，使飛機無法正常降落。相較于液壓驅(qū)動的傳統(tǒng)反推，新一代民航客機采用電機驅(qū)動的反推系統(tǒng)則更可靠、更安全且經(jīng)濟(jì)性更高，同時也順應(yīng)了多電、全電飛機的發(fā)展趨勢。

CFM56-7B發(fā)動機反推系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

液壓式反推系統(tǒng)

根據(jù)操縱驅(qū)動機構(gòu)的不同，民用飛機發(fā)動機的反推系統(tǒng)主要分為氣動式、機械式、液壓式和電動式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)動機最大推力的60%～70%，民用飛機中如空客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)動機經(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)由電動作動器驅(qū)動，不需要過多裝置配合工作，結(jié)構(gòu)更為簡潔，發(fā)動機整體質(zhì)量輕，失效探測和健康監(jiān)控能力強，而且更為可靠，同時也與多電、全電飛機的兼容性更高，順應(yīng)未來飛機發(fā)展趨勢?，F(xiàn)今使用電反推系統(tǒng)的有空客A350飛機的遄達(dá)XWB發(fā)動機和C919的LEAP-1C發(fā)動機等，本文主要以遄達(dá)XWB發(fā)動機為例，對電反推系統(tǒng)加以介紹。

電反推裝置的外殼由兩個滑動罩組成，每個滑動罩包括一個電動機、3個蝸桿機械作動筒和一組6個的阻流門和拉桿。上、下作動筒包括帶解鎖手柄的主鎖，解鎖手柄附近有臨近開關(guān)和作動筒位置傳感器（在上、下作動筒上）。飛行員將油門桿推到反推位置同時需飛機達(dá)到符合降落條件后，主或次飛行控制計算機發(fā)出電子信號到配電系統(tǒng)（EPDS），EPDS給軌道鎖、電磁閥通電，彈簧帶動鎖鉤打開，發(fā)動機接口控制器(EIF)向電反推驅(qū)動控制器(ETRAC)發(fā)送打開指令信號，并給主鎖供電，解開上部和下部作動筒的鎖結(jié)構(gòu)。ETRAC控制兩臺電動機，每臺電動機通過撓性同步軸驅(qū)動同側(cè)的中心作動筒，中心作動筒通過軟軸驅(qū)動上、下作動筒打開滑動罩，然后帶動阻流門打開到相應(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，使飛機減速。當(dāng)反推裝置完全展開后，ETRAC就會斷電，電機和主鎖的機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和發(fā)動機的設(shè)計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)局對于反推的適航條例只針對傳統(tǒng)反推裝置，因此應(yīng)在對這些條款進(jìn)行研究的基礎(chǔ)上，針對電反推系統(tǒng)的適航審定要求及符合性驗證等問題進(jìn)行分析。

對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)中對反推系統(tǒng)的規(guī)定（見表1），分布在25部運輸類飛機和33部航空發(fā)動機等兩部適航法規(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，對僅預(yù)定在地面使用的發(fā)動機反推力系統(tǒng)，必須設(shè)計為在飛行中處于任何反推力位置時，發(fā)動機不會產(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，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,飛機能繼續(xù)安全飛行和著陸。對于該項條款，其他國家和地區(qū)的適航規(guī)章要求則有所不同。FAA要求必須同時滿足以下兩個條件：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,飛機能繼續(xù)安全飛行和著陸。而EASA要求只需滿足以下兩個條件中的一個即可：反推裝置處于任何可能的位置時，飛機能繼續(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由單個失效或故障導(dǎo)致。

對于安全性相關(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斷速度時可獲得最大反推力，在此時可以中斷起飛；如果按照25.933（a）條款要求設(shè)計的反推系統(tǒng)，發(fā)生空中意外打開時飛機系統(tǒng)要控制發(fā)動機推力降到飛行慢車狀態(tài)。

而33部則主要是對反推裝置的系統(tǒng)試驗提出了要求。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)于試驗的條款也未說明對于電反推系統(tǒng)是否適用，所以還需進(jìn)行具體的分析或試驗來加以驗證。

電反推系統(tǒng)適航審定要點探討

目前，適航當(dāng)局還沒有針對電反推系統(tǒng)制定具體規(guī)章，為滿足民機電反推系統(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，可以從設(shè)計、安全性、可靠性、功能檢驗、機電作動系統(tǒng)和符合性驗證方法等方面，對電反推的適航審定要求及符合性驗證等相關(guān)問題進(jìn)行探討。

在設(shè)計方面，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，保證反推不會因為某條線路故障而無法正常打開。對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械故障而意外打開，保證飛機安全。若電反推意外打開，也要有相應(yīng)的控制指令控制飛機提供相應(yīng)補償，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)動機電反推失效發(fā)生概率小于10-9/飛行小時，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。對于出現(xiàn)空中意外打開后保證飛機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)補償，避免飛機失速。

在可靠性方面，審定過程中要對電反推系統(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)為飛機不會因為反推系統(tǒng)故障發(fā)生任何災(zāi)難性事故。同時要求系統(tǒng)中電子元器件及其他機械結(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。

在功能檢驗方面，在審定過程中可以對發(fā)動機進(jìn)行風(fēng)洞試驗來驗證飛機可靠性并驗證反推效率和靜壓等氣動指標(biāo)。另外，對于飛機機型審定時要從操縱性方面對反推系統(tǒng)進(jìn)行審定，避免因電反推意外打開而影響飛機的操縱性，導(dǎo)致事故發(fā)生。

機電作動系統(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)注機電作動系統(tǒng)的非指令信號（如振蕩和噪聲等），并關(guān)注傳感器發(fā)生非指令信號故障和振蕩故障等。此外，還須關(guān)注機電作動系統(tǒng)的傳動效率、整流罩左右作動筒的同步驅(qū)動等，驗證是否會因上述問題導(dǎo)致電反推系統(tǒng)失效或故障。

對于上述適航條款的符合性驗證方法可以采用設(shè)計說明、安全性評估、分析計算、發(fā)動機臺架試驗、飛機試驗、模擬器試驗和設(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證方法。

飛機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)相對成熟，但結(jié)構(gòu)復(fù)雜，發(fā)生氣流泄漏后容易使飛機性能下降，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)動機質(zhì)量明顯減輕，可靠性更高，可以很好地與全電飛機兼容。但電反推目前尚屬于較新的技術(shù),航線使用經(jīng)驗較少,技術(shù)成熟度仍較低，因而對于電反推的適航審定，除了要滿足針對傳統(tǒng)反推系統(tǒng)的相關(guān)適航條款要求，還應(yīng)依據(jù)其自身特點對其安全性、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電反推系統(tǒng)的適航審定提供一定思路。