起飛推力自動(dòng)控制系統(tǒng)權(quán)衡分析

■ 李登 / 中國(guó)航發(fā)商發(fā)

起飛推力自動(dòng)控制系統(tǒng)（ATTCS）是否在民用客機(jī)上應(yīng)用，各國(guó)的技術(shù)路徑大不相同。這種不同源于對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)推力管理的理念不一致，同時(shí)也與發(fā)動(dòng)機(jī)的發(fā)展水平息息相關(guān)。

起飛推力自動(dòng)控制系統(tǒng)（ATTCS）是在起飛過(guò)程中能自動(dòng)探測(cè)單發(fā)失效，并自動(dòng)增加起飛推力的系統(tǒng)。該系統(tǒng)在支線(xiàn)客機(jī)中已有成功的使用案例，然而是否也可用于其他民航客機(jī)，需要對(duì)飛機(jī)和發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行權(quán)衡分析。全面而系統(tǒng)的權(quán)衡分析，可以幫助飛機(jī)在研制初期對(duì)該系統(tǒng)的使用進(jìn)行科學(xué)決策。

ATTCS的功能與架構(gòu)

ATTCS是飛機(jī)起飛過(guò)程中使用的完整自動(dòng)系統(tǒng)，包括感受發(fā)動(dòng)機(jī)失效、輸送信號(hào)、驅(qū)動(dòng)燃油調(diào)節(jié)器/功率桿、用工作發(fā)動(dòng)機(jī)上的其他裝置增加發(fā)動(dòng)機(jī)功率以得到預(yù)期的推力/功率增量，以及向駕駛艙提供系統(tǒng)工作信息的所有機(jī)械和電氣裝置。在飛機(jī)起飛或復(fù)飛階段，ATTCS應(yīng)能感知單發(fā)失效，并發(fā)送指令使另一臺(tái)正常工作的發(fā)動(dòng)機(jī)增加推力。

ATTCS主要包括3個(gè)子系統(tǒng)，如圖1所示。第一個(gè)子系統(tǒng)為推進(jìn)系統(tǒng)的全權(quán)限數(shù)字式電子控制（FADEC）系統(tǒng)，用于探測(cè)單發(fā)失效和燃油控制；第二個(gè)子系統(tǒng)為駕駛艙的指示系統(tǒng)，用于指示ATTCS處于接通或準(zhǔn)備狀態(tài)，并能提供一臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)已經(jīng)失效的充分警告；第三個(gè)子系統(tǒng)為其他線(xiàn)纜或設(shè)備，用于傳輸信號(hào)[1]。

圖1 ATTCS架構(gòu)

ATTCS應(yīng)用案例

ARJ21飛機(jī)由CF34-10A發(fā)動(dòng)機(jī)提供動(dòng)力，每臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)都由FADEC系統(tǒng)單獨(dú)控制，且應(yīng)用了ATTCS，從表1可知，當(dāng)ATTCS激活時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)的推力可以增加8%～9%。

表1 CF34推力對(duì)比表

蘇霍伊SSJ100系列飛機(jī)由SaM146發(fā)動(dòng)機(jī)提供動(dòng)力，從表2可知，當(dāng)ATTCS激活時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)的推力增加了10%～13%。

表2 SSJ100推力對(duì)比表

CN235-300飛機(jī)由CT7-9C3發(fā)動(dòng)機(jī)提供動(dòng)力，當(dāng)ATTCS激活時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)的推力增加了大約7%。

ATTCS性能分析

是否采用ATTCS，對(duì)于發(fā)動(dòng)機(jī)的推力等級(jí)設(shè)計(jì)是不一樣的，當(dāng)前民用客機(jī)一般采用典型的等額定推力調(diào)節(jié)計(jì)劃。

ATTCS的采用分兩種情況：第一種情況是雙發(fā)正常（AEO）起飛，此時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)采取的是正常的功率提取和客艙引氣；第二種情況是單發(fā)失效（OEI）起飛，此時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)采取的是單發(fā)功率提取和客艙引氣。對(duì)于采用ATTCS的推力等級(jí)設(shè)計(jì)，針對(duì)雙發(fā)正常和單發(fā)失效，分別對(duì)應(yīng)了兩種不同的發(fā)動(dòng)機(jī)推力等級(jí)，即正常起飛推力（NTO）和自動(dòng)推力儲(chǔ)備（APR）。在雙發(fā)正常起飛狀態(tài)，采用NTO推力等級(jí)，在單發(fā)失效起飛狀態(tài)，ATTCS由FADEC系統(tǒng)激活，發(fā)動(dòng)機(jī)自動(dòng)進(jìn)入APR推力等級(jí)。

當(dāng)大氣溫度低于拐點(diǎn)溫度時(shí)，APR和NTO為等額定推力，且APR大于NTO。發(fā)動(dòng)機(jī)排氣溫度（EGT）隨著大氣溫度的增加而升高。當(dāng)大氣溫度高于拐點(diǎn)溫度時(shí)，等額定推力調(diào)節(jié)計(jì)劃限制了EGT，使之維持在某個(gè)特定溫度水平而不再升高，且由于APR的推力大于NTO，導(dǎo)致APR下EGT高于NTO?；谝陨系姆治?，如果采用了ATTCS，對(duì)于航線(xiàn)運(yùn)行來(lái)說(shuō)，絕大部分時(shí)間是雙發(fā)正常起飛的場(chǎng)景，即發(fā)動(dòng)機(jī)處于NTO推力等級(jí)，EGT較低，有益于延長(zhǎng)發(fā)動(dòng)機(jī)部件的使用壽命。只有在單發(fā)失效的場(chǎng)景下，發(fā)動(dòng)機(jī)處于APR推力等級(jí)，此時(shí)推力和EGT才會(huì)提高。

當(dāng)不采用ATTCS時(shí)，也分兩種情況，包括AEO起飛和OEI起飛。對(duì)于AEO起飛和OEI起飛兩種場(chǎng)景，唯一的區(qū)別是單發(fā)失效的情況下，正常工作的發(fā)動(dòng)機(jī)承擔(dān)了兩臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)所需提供的功率和客艙引氣，這就導(dǎo)致了單發(fā)失效場(chǎng)景下的推力偏低。

由于單發(fā)失效起飛屬于偶發(fā)事故，概率極低，絕大多數(shù)時(shí)間屬于雙發(fā)正常起飛，所以后續(xù)的分析只考慮雙發(fā)正常起飛這種場(chǎng)景。通過(guò)性能分析，如果采用ATTCS，推力會(huì)降低約9%，低壓轉(zhuǎn)子物理轉(zhuǎn)速降低約90r/min，高壓轉(zhuǎn)子物理轉(zhuǎn)速降低約220r/min，排氣溫度降低約56K。由此可見(jiàn)，采用ATTCS帶來(lái)的收益是非?？捎^的。

適航取證分析

發(fā)動(dòng)機(jī)部件壽命影響

發(fā)動(dòng)機(jī)旋轉(zhuǎn)部件的使用壽命，主要受物理轉(zhuǎn)速和溫度這兩個(gè)因素影響。根據(jù)航線(xiàn)的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)表明，溫度越高熱端部件的壽命消耗越快，且隨著溫度的升高，壽命消耗的速率呈指數(shù)級(jí)增長(zhǎng)。

經(jīng)分析，采用ATTCS的構(gòu)型，風(fēng)扇盤(pán)低周疲勞壽命增加約20%，高壓壓氣機(jī)盤(pán)低周疲勞壽命增加約8%，渦輪盤(pán)低周疲勞壽命增加約20%，可見(jiàn)采用ATTCS可以顯著提高風(fēng)扇盤(pán)、高壓壓氣機(jī)盤(pán)和渦輪盤(pán)的使用壽命。

對(duì)于CCAR-33部發(fā)動(dòng)機(jī)取證來(lái)說(shuō)，是否采用ATTCS對(duì)于33.28條款的適航符合性工作沒(méi)有影響。

對(duì)于CCAR-25部飛機(jī)取證來(lái)說(shuō)，如果采用了ATTCS，需要開(kāi)展額外的飛機(jī)CCAR-25部取證工作，并對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的可靠性和安全性設(shè)計(jì)提出更高的要求。直接相關(guān)的CCAR-25部適航規(guī)定包括以下部分：25.904 起飛推力自動(dòng)控制系統(tǒng)及附錄I起飛推力自動(dòng)控制系統(tǒng)的安裝。具體要求主要包括：在臨界時(shí)間間隔內(nèi)，ATTCS失效不應(yīng)妨礙進(jìn)入最大批準(zhǔn)起飛推力或功率，或必須證明是不可能事件。ATTCS失效不應(yīng)導(dǎo)致推力或功率的顯著損失或減少，或必須證明是極不可能事件。此外，必須表明在臨界時(shí)間間隔內(nèi)ATTCS和發(fā)動(dòng)機(jī)同時(shí)失效是極不可能的。起飛過(guò)程中在臨界點(diǎn)發(fā)生一臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)失效而ATTCS發(fā)揮功能的情況下，必須符合CCAR-25部所有適用的性能要求。

從以上可以看出，對(duì)于CCAR-25部飛機(jī)取證，采用ATTCS增加了飛機(jī)取證的工作量和難度，此外相關(guān)條款在民用客機(jī)上取證的經(jīng)驗(yàn)缺乏以及相關(guān)航線(xiàn)運(yùn)營(yíng)數(shù)據(jù)的缺乏都會(huì)增加CCAR-25部取證的不確定性。

航線(xiàn)運(yùn)營(yíng)分析

采用ATTCS后，可以顯著提高發(fā)動(dòng)機(jī)部件的壽命，此外還可以降低航線(xiàn)運(yùn)行和維護(hù)成本?；诎l(fā)動(dòng)機(jī)的成本分析量化模型，發(fā)動(dòng)機(jī)制造廠(chǎng)商可以計(jì)算出由于起飛推力降低所帶來(lái)的成本降低。

據(jù)統(tǒng)計(jì)，每飛行小時(shí)的發(fā)動(dòng)機(jī)翻修成本大概為400 ～450美元，降低25%的推力能降低5%的翻修成本?？傮w而言，降低20%的推力可使航空公司的成本降低約10萬(wàn)美元。因此，考慮到采用ATTCS可以降低正常起飛推力約10%，如果成本分析模型以線(xiàn)性模型來(lái)預(yù)估，則每年能給航空公司降低約5萬(wàn)美元的成本。

對(duì)于不同類(lèi)型的飛機(jī)，采用ATTCS的影響不同。不同類(lèi)型飛機(jī)的飛行剖面不同，圖2展示了一個(gè)典型的飛行剖面，總共15個(gè)飛行段，從飛行段a至飛行段o，其中b為起飛段。正常來(lái)說(shuō)，從飛行段b起飛、爬升過(guò)程持續(xù)時(shí)間約為2min。對(duì)于支線(xiàn)客機(jī)，整個(gè)飛行段為1 ～1.5h，飛行段b占整個(gè)飛行時(shí)間的2.2%～3.3%；對(duì)于干線(xiàn)窄體客機(jī)，整個(gè)飛行段為2 ～3h，占比約為1.5%；對(duì)于干線(xiàn)寬體客機(jī)，整個(gè)飛行段為7 ～10h，占比為0.3% ～0.5%?？梢?jiàn)，采用ATTCS所帶來(lái)的收益，支線(xiàn)客機(jī)要比干線(xiàn)客機(jī)顯著。此外，飛機(jī)制造廠(chǎng)商可以從飛機(jī)操縱性的角度，對(duì)于ATTCS進(jìn)行權(quán)衡分析，包括起飛場(chǎng)長(zhǎng)和航程等。

圖2 典型的飛行剖面

基于以上的分析，采用ATTCS可以通過(guò)降低起飛推力，從而減少發(fā)動(dòng)機(jī)部件維護(hù)成本，增加發(fā)動(dòng)機(jī)部件的可靠性和壽命，提升運(yùn)行的安全性和效率。

在實(shí)際航線(xiàn)運(yùn)行過(guò)程中，可以通過(guò)靈活起飛和降推力起飛兩種方法降低正常起飛推力?；贑CAR-25部適航規(guī)定，這兩種方法可以結(jié)合起來(lái)使用，最大的正常起飛推力可以降低25%左右。

對(duì)于靈活起飛來(lái)說(shuō)，通常是通過(guò)輸入一個(gè)比實(shí)際大氣溫度更高的假設(shè)溫度，來(lái)降低正常起飛推力，具體如圖3所示。對(duì)于降推力起飛來(lái)說(shuō)，對(duì)于給定的大氣溫度，在起飛的時(shí)候，選擇一個(gè)比最大起飛低，但能滿(mǎn)足正常起飛的推力等級(jí)，具體如圖4所示。

圖3 靈活起飛發(fā)動(dòng)機(jī)推力等級(jí)設(shè)計(jì)

圖4 降推力起飛發(fā)動(dòng)機(jī)推力等級(jí)設(shè)計(jì)

基于以上的分析，靈活起飛和降推力起飛，以及兩種方法的結(jié)合，都可以降低正常起飛推力，從而帶來(lái)與采用ATTCS類(lèi)似的收益。這些手段，都可以用來(lái)降低飛機(jī)運(yùn)行的燃油消耗。

結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)綜合分析，采用ATTCS可以帶來(lái)更低的排氣溫度，從而提高發(fā)動(dòng)機(jī)部件壽命并降低運(yùn)行維護(hù)成本。此外，在單發(fā)失效情況下的推力自動(dòng)控制，可以減少飛行員的工作強(qiáng)度。但是，采用ATTCS同樣增加了系統(tǒng)的復(fù)雜度和CCAR-25部飛機(jī)取證的成本和風(fēng)險(xiǎn)，采用ATTCS帶來(lái)的收益，在實(shí)際的航線(xiàn)運(yùn)行過(guò)程中，也可以通過(guò)靈活起飛和降推力起飛等方式達(dá)到。