涡扇喷气发动机反推装置的替换方案研究

【摘要】涡扇喷气发动机反推装置在飞机降落着陆和中止起飞中对减小滑跑距离起着很重要的作用，但是反推装置对发动机性能和重量等存在一定的局限性，同时反推装置的维修成本也比较高。本文提出了一种替换发动机反推装置的更改方案，并利用Matlab中的Simulink模块进行模拟仿真，从起降滑跑长度和经济性进行分析，证明了方案的可行性。

【关键词】发动机反推；建模仿真；滑跑距离

1发动机反推介绍

飞机的减速系统在飞机起飞和着陆过程起着极其重要的作用，目前大型涡扇喷气飞机上的减速装置主要是轮胎刹车、气动减速和发动机反推。其中在正常天气条件下，轮胎刹车、气动减速都能基本满足要求。但是在湿滑跑道条件下，地面与轮胎摩擦系数减小，反推的作用就显得尤为明显。为了满足目前适航条款中对飞机起降滑跑长度、中止起飞（RTO）都有明确要求，因此几乎所有的民用大型涡扇喷气飞机的发动机都安装有反推。

2发动机反推利弊分析

事实上，发动机反推在干燥跑道情况下对缩短滑跑距离的贡献不大，但是在湿滑跑道上，对滑跑距离的影响极其明显。因此飞行员可以根据跑道情况来选择是否使用反推。

虽然发动机反推用来作为一种飞机减速的有效手段，但是它对发动机的安装和性能带来局限性，同时还会影响短舱的设计、发动机巡航性能、维修成本、可靠性等。

反推作为发动机的附属设备，其功能单一，仅在飞机滑跑减速时使用，由于使用时气流的向前喷出，会产生噪音和卷起跑道异物，潜在安全隐患。2000年的法航“协和”号空难事故经调查就是由4分钟前起飞的一架DC10飞机反推上脱落的一个钛合金零件刺穿其轮胎引起的。

因此，虽然反推能缩短滑跑距离，并且在湿滑跑道上的作用明显，但由于其结构复杂，影响发动机重量和使用效率、增加飞机维修成本和低可靠性，因此很多航空公司和航空制造商正在考虑取消发动机反推，以A380为例，4个发动机中仅有内侧两个发动机安装了发动机反推。

本文利用Matlab中的Simulink模块，对飞机三种减速系统就行建模仿真，并针对给出的取消反推的解决方案，对更改的可行性进行了分析。

3替换方案分析

针对飞机上三种减速系统，把减速阻力分为三类：气动阻力、刹车阻力、反推阻力。若要取消发动机反推，但同时保证飞机在降落滑跑或起飞中止过程中提供足够的阻力，必须试图增加另外两种阻力。

刹车阻力与飞机着陆重量和地面摩擦系数有关，速度越大，摩擦系数越小。并且在干燥跑道和湿滑跑道情况下，摩擦系数变化较大，比较难以模拟更改。因此通过增加刹车阻力的办法难以得到工程实践。

相比之下，气动阻力比较简单，飞机在滑跑时，气动阻力主要由机翼上的减速装置来实现，如襟翼、扰流板等。

根据公式F=■C■ρSV■，如果增加气动面积和着陆速度，飞机气动阻力会大大增加，可以较大程度的缩短滑跑距离。

因此，为了弥补取消反推引起的阻力损失，我们选择提高扰流板阻力系数，增加扰流板面积的方案。

以A320为例，取消双发的反推装置，飞机重量减少700kg，机翼面积增加11m2，扰流板阻力系数由0.14增至0.2240。

4仿真建模

在本文的模型中，模拟在给定的初速度下，各减速系统对速度和滑跑长度的影响，从而确定各个减速装置在飞机减速过程中的作用。

刹车阻力与飞机着陆重量和地面摩擦系数有关，可以根据不同跑道状况下速度对应的摩擦系数，得到在给定速度情况下的刹车阻力 。

对于反推阻力，一般来说，飞机轮胎着陆后2秒开始启用反推，并且发动机达到最大推力状态，直到飞机减速至某一特定速度后，关闭发动机，关闭反推。

最终，得到了飞机在3种阻力下的仿真模型，如图 1所示。

图 1模型图

5实例分析

在本文的研究中，以A320为案例，通过降落着陆和中止起飞两种工况，从着陆速度、滑跑长度等各方面对两种构型进行比较。表1中构型1为A320的基本构型，构形2取消发动机反推的更改构型。

表1两种构型的参数比较

5.1降落着陆

设定t=0为飞机着陆点，从这一刻起，刹车、扰流板、反推开始作用，提供阻力，使飞机速度减至为0，图2至图3为两种构型分别在湿滑跑道和干燥跑道上的速度和阻力变化及滑跑距离。

另外，通过对湿滑跑道上襟翼扰流板等失效进行了仿真模拟，最后得到了各种状况下的着陆速度和滑跑距离。

根据表2可以看出，在无失效状况下，两种构型的着陆滑跑距离基本上一致。但是在装置失效（襟翼、扰流板）的情况下，滑跑距离会略有增加。但是按照适航要求，供A320飞机起降的机场跑道长度需达到4C标准，即至少为2400m，因此构型2能满足机场长度的要求。

表2两种构型的滑跑距离比较

5.2中止起飞（RTO）

中止起飞是指飞机在起飞过程中发生重大失效（如发动机失效），飞行员决定中断起飞的情况，并且中止起飞只能是在飞机起飞速度未达到某一特定速度V1时才能执行。当速度低于V1执行中止起飞命令时，飞机必须能安全的停止在跑道上而不冲出跑道。

在本文的研究中，以A320为例，参照空客公司的数据， V1=135knots。

按照CCAR/FAR25要求，加速-停止距离的计算公式如下：

L■=L■+L■+L■

其中，L■=2V，L■=■■

由于反推在湿滑跑道情况下作用显著，本文仅对湿滑跑道下两种构型的加速-停止距离进行计算比较，结果如表3所示：

表3两种构型加速-停止距离比较

根据上表可以看出，取消反推，加速-停止距离会增加15%，但是构型2距离也仅为1627m，仍然能满足机场长度的要求。

6经济性

在本文涉及的更改方案中，以A320为例，取消发动机反推，增加扰流板和机翼面积，由此引起的飞机重量减少了700kg，导致每年每架飞机直接使用成本可减少近$350,000。同时，取消了发动机发推，每年可节省用于反推的维修费近$120,000。因此，构型2相比于原构型，每架飞机每年的直接运营成本会减少近$470,000，这对于无论是大型航空公司或小型支线航空公司来说都是一笔很大的利润。

7结论

根据本文研究，以A320为例，若取消发动机反推，增加扰流板面积和机翼面积，在无装置失效的情况下，飞机降落时滑跑距离基本上保持一致。中止起飞时加速-停止距离会增加15%，但能满足机场长度的要求。

同时，由于取消发动机反推引起的重量减少和维修成本节省会导致每架飞机每年的直接运营成本减少近$470,000。由于本文所涉及的研究仅以A320为案例，从飞机起降滑跑长度和重量引起的变化上比较方案的优劣，没有考虑增加扰流板和机翼面积在制造上的可行性以及不同重量等级的飞机的差异性，但是，本文提出的更改方案值得航空制造企业进行更加深入论证研究。

【参考文献】

［１］飞机设计手册[M]．航空工业出版社，2001．

［２］中国民用航空规章第25 部．运输类飞机适航标准[S]．2011．

［３］Summary of scale-model thrust-reverser investigation[R]．NASA report 1314，John H. Povolnt，Fred W．Steffen，and Jack G．Mcardle．

［４］Why do airlines want and use thrust reversers，NASA Technical Memorandum 109158，J.A.Yetter2886[Z]．