國外先進戰斗機空中應急功能分析

唐正府，王進，張新非，呂伯平

(95899部隊，北京100076)

國外先進戰斗機空中應急功能分析

唐正府，王進，張新非，呂伯平

(95899部隊，北京100076)

空中應急功能是指在空中發動機停車或發電機、液壓泵、電源系統關鍵部件失效時，為飛機提供應急電源和應急液壓源的能力，主要用于提高飛機安全性。從戰斗機發展需求出發，通過分析空中應急功能的必要性及對飛行安全性的影響，歸納總結了國外典型三代、四代戰斗機空中應急功能的使用規律和發展趨勢，得出先進戰斗機具備空中應急功能十分必要的啟示，可為開展飛機電源系統及第二動力系統設計提供一定的參考和借鑒。

空中應急功能；第二動力系統；輔助動力裝置；應急動力裝置

1 引言

現代航空燃氣渦輪發動機的結構特點和循環過程，決定了其在自主工作之前必須先由其它動力源帶動。最初帶動發動機的動力源是電起動機，后來隨著發動機所需起動功率的越來越大，輔助動力裝置(APU)逐步取代了電起動機，成為現代起動發動機的主要動力源，第二動力系統也隨著APU的出現應運而生。

對于軍用戰斗機，尤其是單發飛機，第二動力系統中除APU外，通常還包括一個應急動力裝置(EPU)。如果飛行中發動機熄火或發電機、液壓泵發生故障，EPU可向飛控和電氣系統的關鍵負載提供獨立能源，直至發動機重新起動、飛行員被安全彈射或飛機完成停車著陸才停止工作。第二動力系統通常由APU、EPU、附件傳動裝置和能量轉換附件(如發電機、液壓泵)等組成，主要用于提供氣、電、液壓及軸功率，以滿足飛機對發動機起動、應急能源或其它輔助能源的不同需要。

根據先進戰斗機不同的發展需求，一些雙發飛機出于優化結構、減輕重量等考慮，對EPU進行簡化或缺裝，使得第二動力系統空中提供應急功能的方式發生一定改變。后來，隨著技術的不斷進步，第二動力系統呈現出綜合化、集成化的發展趨勢，即把APU和EPU通過共用齒輪箱的方式綜合集成為一套組合動力裝置(IPU)，從而大大簡化結構、減輕重量，能在主發動機不工作，及不使用地面電源車、氣源車等龐大輔助設備的條件下，方便、快捷地完成飛機大部分設備的檢查和維護，提高飛機的自主保障能力和安全性[1，2]。

然而，無論第二動力系統如何集成，結構如何簡化，從國外典型戰斗機第二動力系統設計方案對比分析看，空中應急功能始終是戰斗機不可缺少的關鍵能力之一。

2 空中應急功能重要性分析

2.1 空中應急功能是飛行安全的可靠保障

現代先進戰斗機為追求高機動性和高敏捷性的作戰能力，進一步放寬了靜不安定度，使得飛機一旦完全喪失電力和液壓助力，飛行員很難操縱飛機保持平飛，從而嚴重危及飛行安全。為飛行控制系統提供操縱能源的主要組成環節有發動機、液壓系統、電源系統、飛機附件機匣及功率驅動軸等部件，任意一個環節出現故障，都將嚴重影響飛行安全。特別是飛機在飛行包線左邊界附近飛行時，此時高度高、速度小、空氣稀薄，發動機工作條件惡化，當飛機進行過失速等機動飛行時，發動機停車概率大大增加。此外，飛機電源系統的使用可靠性一直是飛機安全性指標的軟肋。據國外不完全數據統計，美國F-15、F-16等飛機故障約有80%來源于電源系統。一旦電源系統出現故障，全機斷電，此時即使發動機沒有停車、正常工作，也無法為飛機操縱提供所需電力，從而危及飛行安全。

第二動力系統中的EPU，就是專門為飛機提供空中應急功能、提高飛機作戰環境下的生存力而設計的動力裝置，具有起動迅速、輸出功率連續可控、不受飛機飛行姿態(包括高度、速度)影響、工作包線大、能短時間獨立工作等特點。當空中主發動機停車時，電源和液壓源都會消失，而EPU可驅動應急發電機和應急液壓泵，為飛機操縱提供短暫的電源和液壓源，從而保證安全返航。此外，由于戰斗機APU一般體積小、進氣量少，起動包線十分有限，不能在整個飛行包線內起動發動機。如果在包線外發動機熄火，此時EPU能在短時間內投入工作，依靠自帶燃料迅速產生高溫、高壓燃氣，沖擊渦輪輸出軸功率，提供應急能源幫助飛行員操縱飛機進入APU起動包線，從而起動主發動機，提高飛行安全性。根據美國F-16飛機使用經驗統計，飛機全壽命周期里使用EPU提供應急功能的平均次數為4～5次，使飛機損失率降低為3.97架/10萬飛行小時，幾乎超過了世界上最佳的雙發戰斗機[3～5]。因此，可認為空中應急功能是飛行員在跳傘前飛行安全的最后一道安全屏障。

2.2 空中應急功能是貫徹標準規范的重要體現

具有豐富空軍作戰經驗的美軍，經過不斷總結完善，在最新版的美軍聯合軍種規范指南《JSSG2009飛行器子系統附錄C輔助動力系統》[6]中，對為何需要應急動力闡述如下：現代先進戰斗機許多關鍵負載不能容忍甚至瞬時的動力中斷(如掉電)，突然的動力消失必須有備份能源或應急能源同時工作，否則會給關鍵負載帶來損傷。因此設計應急動力系統，以保證緊急情況下飛控系統和其它必須的功能恢復到飛機安全操縱狀態，十分必要。

因而，許多飛機子系統(如飛行控制系統、燃油系統、電氣系統以及發動機起動系統等)在進行方案設計時，在發動機停車或電源系統故障情況下，對應急動力系統提出了空中提供應急功率的需求。

應急動力系統被要求在飛行包線允許的任意范圍內，一旦主發動機或電源系統失效，能為飛行控制系統提供應急所需的液壓動力和電力，工作時間至少能持續至將飛機恢復到安全彈射包線范圍內，以保證飛行員能在迫不得已的情況下彈射逃生。并且希望應急動力系統能提供足夠的應急能源，以使飛機能通過穩態控制幫助發動機重新起動，從而恢復至正常飛行狀態。

我國在GJB243A-2004《航空燃氣渦輪動力裝置飛行試驗要求》[7]中，也對動力裝置提出了進行空中應急功能飛行鑒定的試驗要求，以考核應急動力裝置性能、起動特性、工作穩定性，以及與飛機相關系統的適應性和協調性。

由此可見，無論是國外規范還是國內標準，都對空中應急能力提出了明確要求，這充分說明空中應急功能是保證飛控系統使用可靠性、飛行關鍵設備維持正常用電操作的關鍵能力之一，是飛機考慮安全余度設計思想的重要體現。

3 國外典型戰斗機空中應急功能方案分析

3.1 國外典型戰斗機空中應急功能使用情況

從現代主流第三代、第四代戰斗機看，無論是單發飛機還是雙發飛機，輔助動力系統方案設計時都考慮了空中提供應急功率功能，區別在于有的僅提供應急電源，有的既可提供應急電源也可提供應急液壓源，詳見表1。

從表中可以看出，美國的F-117、F-22和歐洲的陣風等雙發飛機都采用了EPU提供空中應急功能。美國的F-15、F-18和歐洲的臺風等雙發飛機雖然沒有EPU，但也采用了其它應急動力設計方案解決應急功率問題，其工作條件限制是必須有一臺發動機能正常工作。如F-15飛機采用液壓馬達驅動應急發電機，F-18、臺風飛機采用空氣渦輪馬達驅動停車發動機飛機附件機匣上的發電機和液壓泵提供應急功率，以彌補單發停車時飛機對電源和液壓源的需求，增加電源系統的安全余度，確保飛行安全。以F-22和F-35為代表的第四代戰斗機，更是具備在全飛行包線范圍內提供應急功率的功能。俄羅斯的蘇-27飛機雖然沒有EPU，但其燃氣渦輪起動機(GTS)具備空中起動發動機和在有限范圍內提供應急功能的能力。

3.2 應急功能對飛機安全性的影響

由于雙發飛機兩臺發動機同時停車的概率十分微小，單發停車時正常工作的發動機能為飛機電源系統提供電力，保證飛控系統正常工作，因此一些飛機設計者認為可取消空中應急功能。但筆者認為取消空中應急功能會對飛機安全性造成嚴重影響，主要表現在以下三個方面：

(1)如果取消空中應急功能，飛機在進行諸如過失速機動等大機動動作時一旦失穩，同時電源系統又發生故障，在完全喪失電力和液壓助力的情況下，飛行員很難操縱飛機恢復穩定飛行狀態，從而降低了飛行安全性。

表1 典型戰斗機空中應急方案對比Table 1 Air emergency project comparison of typical fighters

(2)雖然雙發飛機兩臺發動機同時停車的概率十分微小，但由于飛機電源系統的工作可靠性不高，單發停車而同時電源系統故障的可能性不容忽視。也就是說，如果電源系統可靠性不高，即使單臺發動機能正常工作，若電源系統故障，飛機也會完全喪失電力，從而危及飛行安全。2004年F-22飛機就發生過因電源系統故障導致飛控系統無法正常工作而使飛機墜毀的飛行事故。因此，若取消空中提供應急功率功能，一旦電源系統故障，即便是雙發飛機其安全余度也勢必會減小。

(3)對于追求高機動性的先進戰斗機，其配套的發動機不僅面臨高機動條件下的進氣畸變，而且由于先進戰斗機綜合航電、內埋武器、電子對抗等特點，對發動機提取功率提出了較高的要求。這使得發動機在功率提取較大時工作穩定性大大降低，空中停車概率增大，特別是飛機在高空小表速和高機動飛行條件下，空中停車概率更大。臺風戰斗機(批產型)就發生過15 000 m高空兩臺發動機同時停車的故障，導致機毀人亡。因此，若取消空中提供應急功率功能，一旦雙發停車，難以保證飛機安全。

3.3 應急功能發展趨勢

從上世紀70年代開始，第二動力系統就在戰斗機上得到了普遍應用，其EPU提供應急功能經歷了從獨立結構到簡化結構、再從簡化結構到集成結構的發展變化歷程。

(1)獨立結構

圖1 典型三代機獨立第二動力系統布局方案Fig.1 Unaided second power system of the 3rdgeneration fighter

典型三代機第二動力系統早期采用獨立結構設計方案(圖1)，由軸功率輸出型APU和獨立的EPU等部件組成。當空中發生主發動機停車或液壓系統、電源系統故障時，由EPU獨立工作提供應急軸功率驅動輔助發電機和輔助液壓泵。該結構的特點是以輔助動力裝置為核心，采用兩套獨立的渦輪動力裝置及電機、液壓泵負載等結構，導致系統復雜，重量較大，多在單發飛機上使用。如F-16戰斗機，APU的輸出軸功率為149 kW，可在0～6 096 m高空起動主發動機；EPU可在0～15 240 m高空，經2～3 s起動后，使用自帶肼燃料工作，可持續工作10 min為飛機提供應急液壓動力和應急電力。

(2)簡化結構

簡化結構設計方案以Su-27戰斗機第二動力系統(圖2)為典型代表，取消了EPU和APU等組件，由飛機附件機匣上的GTS充當EPU和APU的功能，具有短時工作起動發動機和提供應急功率兩種功能。GTS按應急動力裝置模式工作提供應急功能時，驅動飛機附件機匣上的發電機和液壓泵，轉速低，僅能在有限飛行包線范圍內提供應急電源，工作時間不超過5 min，且對產品損傷很大，使用一次后就要更換。該結構的特點是結構簡單，重量較輕，在單發飛機使用難以提供足夠的飛行安全余度保證，大多在雙發飛機上使用。

圖2 Su-27飛機第二動力系統布局方案Fig.2 The scheme of Su-27second power system

(3)集成結構

集成結構設計方案以F-22戰斗機第二動力系統(圖3)為典型代表，APU和EPU通過共用齒輪箱的結構方式綜合集成，形成一套新型壓縮空氣輸出型組合動力裝置，共用發電機和液壓泵負載。當空中發生主發動機停車或液壓系統、電源系統故障時，組合動力裝置按應急動力模式工作，空氣和煤油在燃氣發生器內經點火裝置點火燃燒，產生高溫、高壓燃氣，通過渦輪動力組件發出應急功率，并通過齒輪箱組件實現動力傳輸帶動輔助液壓泵、輔助發電機產生應急電功率和液壓功率。該結構的特點是系統高度集成，重量較輕。據報道，F-22所采用的先進組合動力裝置重120 kg，比以前同類系統減重近40%，且性能大大提高。按輔助工作模式運行時當量功率為335 kW，能在0～12 500 m高空亞聲速飛行時應急起動發動機，比普通三代機空中最大起動高度提高近一倍；按應急模式運行可在飛行包線范圍內任何高度、速度和姿態下，在聯機后5 s內提供應急液壓動力和應急電力，大大提高了飛機的安全性。同時，能在不開主發動機或不使用地面電源車、氣源車等輔助設備的前提下，方便、快捷地完成飛機大部分設備的檢查和維護，大大提高飛機的自主保障能力，受到美國空軍偏愛。該結構的特點是共用齒輪箱、發電機、液壓泵負載等，可最大限度地利用飛機提供的有限空間，且功能完備。

圖3 F-22飛機二動力系統布局方案Fig.3 The scheme of F-22 second power system

4 啟示

(1)從國外空中應急功能使用情況看，為提高飛機的安全性，即便是雙發飛機，也多數設置了空中提供或部分提供應急功率的功能，以提高電源系統的設計余度。

(2)現代先進戰斗機，若取消空中應急功能，勢必降低飛機空中使用的安全性，嚴重時甚至會危及飛行員的生命安全。

(3)即便是雙發飛機也不宜取消空中應急功能，應具備一定的空中應急能力以確保飛機的安全性，以便空中起動發動機或在有限包線范圍內提供輔助功率。

[1]田濤，王進.飛機第二動力系統發展及關鍵技術[J].航空裝備論證，2008，(3)：17—23.

[2]雷友鋒，王進.軍用飛機第二動力系統發展現狀與趨勢[J].航空裝備論證，2001，(4)：22—26.

[3]常淑青.發展我國的飛機輔助動力裝置[J].航空裝備論證，2000，(4)：29—32.

[4]周增幅，陶征宇.多電飛機的組合動力裝置[J].航空裝備論證，1997，(1)：20—28.

[5]吳阿平.應急動力系統的優化[J].飛機設計，2007，27 (3)：59—62.

[6]JSSG-2009-1998，飛行器子系統附錄C輔助動力系統[S].

[7]GJB 243A-2004，航空燃氣渦輪動力裝置飛行試驗要求[S].

Analysis of Air Emergency on Foreign Advanced Fighters

TANG Zheng-fu，WANG Jin，ZHANG Xin-fei，LV Bo-ping
(95899 PLA Troops，Beijing 100076，China)

Air emergency is a kind of capability which offers the electricity and hydraulic power to improve flight safety,when engine flameout happens,or when key components such as generator,hydraulic pump and electrical system are invalidated.According to the developing demands on fighter,the application rule and development trend of air emergency on the foreign 3rd and 4th generation fighters are summarized through analysis on necessity of air emergency and its impact on flight safety.It can be concluded that it is necessary to design air emergency on advanced fighters and also could be referential for design of airplane power system and the second power unit.

air emergency；second power system；auxiliary power unit(APU)；emergency power unit(EPU)

V271.4

A

1672-2620(2013)01-0053-05

2012-06-12；

2013-01-13

唐正府(1980-)，男，北京人，工程師，主要從事航空發動機總體論證。