冲压空气涡轮系统总体结构分析及应用*

杜 鑫，柯 兵，王 健，周明智

(中国航空工业集团公司 金城南京机电液压工程研究中心，江苏 南京 211106)

0 引 言

冲压空气涡轮系统(Ram Air Turbine，RAT)是一种应急动力系统，它可以在飞机失去主动力和辅助动力的紧急情况下展开，利用飞机滑行速度，吸收相对气流的冲压能量，通过涡轮和调速机构转变为一定范围转速的机械能，向飞机关键用户提供应急液压能源和(或)应急电能，以保持飞机的可操纵性。

RAT总体结构是RAT研制初期的关键设计要素，直接影响到飞机应急能源系统的总体架构、RAT的总设计方案及RAT和飞机电源/液压系统的匹配性。目前国内正在开展多型RAT的研制工作，但仍缺少对RAT总体结构的总结与分析，因而RAT总体方案的设计工作进展缓慢。

笔者通过总结国内外RAT总体结构，重点分析各总体结构的特点，适用环境以及各类型RAT在目前主要机型上的应用，这些分析总结对飞机应急能源架构设计、RAT类型选择、RAT的总体方案设计等具有一定的指导意义。

1 RAT产品及技术研究现状

1.1 国内外RAT研制概况

为提高飞机安全性，一战期间，某些军用飞机就装有冲压空气涡轮，这是RAT的雏形。1955年，美国XF-84H试验机在背鳍安装了冲压空气涡轮，这是世界首台可收放的冲压空气涡轮系统。随着RAT技术的发展，到20世纪六、七十年代，逐渐形成了两个叶片、具有可收放功能的现代RAT 结构。目前已经形成了丰富的产品序列，功率等级涵盖2～70 kW。

国内RAT专业起步于20世纪七十年代，经几十年的发展，已成功为多型飞机配套了RAT。

RAT作为飞机应急能源设备，按输出应急能源类型，可将其分为液压模式RAT、电力模式RAT和电液混合模式RAT等三种类型。

1.2 RAT技术研究现状

受知识产权保护因素影响，国外关于RAT的技术文件主要以专利为主，鲜有论文等相关文献资料。目前国内对RAT的研制也积累了一定的经验，并在RAT类型选择、RAT使用策略、RAT动态特性仿真计算、RAT试验验证方法等方面均有一定的研究。

李爱先对RAT的功能进行了概述，并从能源转换效率、安装区域、重量等角度对RAT类型选取进行了分析[1]。王永鑫等对RAT系统各部件进行了原理性概述，并对民用涡桨飞机的RAT选型进行了论述[2]。夏天翔等建立了液压模式RAT的AMESim模型，对涡轮调速性能、展开时间等进行了分析[3]。杜鑫等建立了RAT的虚拟样机模型，对涡轮调速、展开过程等进行了动力学分析[4]。刘贺对冲压空气涡轮舱的布置方法进行了研究[5]。张冬雨等提出了一种RAT气动性能的快速计算方法[6]。王岩等对RAT液压泵温流原理和温流孔设计方法进行了研究[7]。刘超强等提出了一种在机上测试RAT实际带载能力的试验方法[8]。周世刚等对RAT的验证方法进行了研究[9]。周明智等设计了混合模式RAT的性能试验台，用于地面环境下验证混合模式RAT的功能性能[10]。

2 液压模式RAT结构分析

2.1 架构分析

RAT应包含涡轮部件，用于提取相对气流的冲压能，并将其转化为机械能。液压模式RAT应包含液压泵，将涡轮提供的旋转机械能转化为液压能。因RAT具有两种状态，平时回收在RAT舱内，飞机应急状态下，RAT展开至气流中，故RAT应具驱动其展开、回收的收放机构。同时，RAT应具备支撑旋转部件，用于RAT在机上的安装和旋转。故液压模式RAT基本架构如图1所示。

图1 液压模式RAT基本架构

在基本架构基础上，根据机上安装要求、支撑与旋转部件结构、液压泵在RAT主体上的安装位置等因素，可将液压模式RAT拓展为不同的总体结构。

2.2 液压模式冲压空气涡轮典型结构分析

根据液压泵在RAT主体上的布置方式，液压模式RAT典型结构如图2所示。液压模式RAT总体结构特点分析如表1所列。

图2 典型液压模式RAT结构原理图

表1 液压模式RAT总体结构特点分析

续表1 液压模式RAT总体结构特点分析

3 电力模式RAT结构分析

3.1 架构分析

与液压模式RAT结构分析相同，电力模式RAT同样需要涡轮部件、支撑旋转与传动部件、收放机构。同时，RAT应具有发电机及相应的发电机控制单元，其架构如图3所示。

图3 电力模式RAT基本架构

在基本架构基础上，根据机上安装要求、发电机在RAT本体上的安装位置等因素，可将电力模式RAT架构拓展为不同的总体结构。

3.2 电力模式RAT典型结构及分析

根据发电机在RAT主体上的布置方式，电力模式RAT典型结构如图4所示。

图4 典型电力模式RAT结构原理图

因发电机主轴可设计为通轴结构，发电机在RAT主体上的布置方式更为灵活。除上述两种结构形式外，电力模式RAT可参考液压模式RAT的其他总体结构形式。

影响电力模式RAT结构的主要因素为发电机重量和发电机外形尺寸。典型电力模式RAT结构特点分析如表2所列。

表2 电力模式RAT总体结构特点分析

4 混合模式RAT结构分析

4.1 架构分析

与液压或电力模式RAT一样，混合模式RAT需要涡轮部件、支撑旋转及传动部件、收放机构等，根据能源转换需求，应含液压泵、发电机、发电机控制器等部件。

根据发电机与液压泵在RAT主体上的布置方式，混合模式RAT可设计为如图5所示发电机和液压泵串联及发电机和液压泵并联的两种总体架构。

图5 混合模式RAT基本架构

混合模式RAT需考虑飞机单独用电需求，液压泵长期工作在零流量的工况，该工况下，RAT液压泵应设置壳体回油，用于液压泵的散热。

4.2 混合模式RAT典型结构及分析

典型的混合模式RAT总体结构如图6所示。混合模式RAT总体结构特点分析如表3所列。

图6 混合模式RAT典型结构原理图(无收放机构)

表3 型RAT总体结构特点分析

续表3 型RAT总体结构特点分析

5 RAT总体结构影响因素分析

5.1 飞机应急能源系统总体架构

一般情况下，需根据飞机应急能源类型需求选择相应类型的RAT。若机上应急能源系统同时需要应急液压能和应急电能，则RAT可设计为混合模式RAT，也可根据机上总体应急能源架构，选择更合适的液压模式RAT+应急发电子系统的总体架构或电力模式RAT+电动泵的总体架构，如图7所示。

图7 应急能源系统总体架构

随着多电技术在飞机上的应用，电力模式RAT得到更为广泛的应用，电力模式RAT+电动泵的总体应急能源架构可得到更广泛的应用，该架构下需考虑电动泵启动瞬时功率需求增大的问题。

5.2 RAT安装位置

RAT在机上安装位置的选择除考虑RAT安装处气动流场、安装空间等因素外，还需综合考虑RAT在机上的安装、使用环境。如RAT安装处的机械环境、电磁环境、RAT距飞机油箱和RAT用户等之间的距离、RAT距飞机油箱和RAT用户之间管路(电缆)的布置方案及管路重量、RAT进油压力、RAT到RAT用户之间的能量损失、RAT的维护性、涡轮部件转子爆破对飞机的安全性影响、RAT安装处的雷击分区、RAT对周围设备的影响(如涡轮转动产生的自激振动)等因素。

主机应根据各因素的重要度等级开展综合评估工作，确定RAT的安装位置，并根据RAT机上安装位置特点确定RAT架构及RAT总体结构。

5.3 RAT安装姿态

RAT在飞机上通常为竖直姿态或倾斜姿态安装。部分机型RAT受安装位置及安装空间限制，呈水平姿态(如A400M、XF-84H等机型)，或倒立姿态(竖直向上展开，如HK120等机型)安装。

RAT竖直或接近竖直姿态安装时，RAT结构较为稳定，RAT支撑部件受到的惯性力矩较小，且自身的重力有助于RAT展开，故通常选择该安装姿态。

RAT水平姿态安装时，RAT结构件受力工况较为复杂，RAT总体结构设计时要充分考虑RAT支撑结构的强度、振动耐久性等因素，一般不推荐该姿态安装。受飞机安装空间限制，必须采用水平姿态安装时，RAT应尽可能减小涡轮端重量，并将RAT重心靠近RAT转轴位置。

5.4 RAT舱体积及形状

RAT收放机构相对RAT主体的位置，一般有如图8所示收放机构前置和后置两种结构形式。

图8 RAT收放机构的典型安装位置

收放机构前置方案，为保证收放机构展开初始时的有效力臂长度，RAT回收状态，收放机构通常与支撑部件尽量呈垂直角度安装，这会导致RAT竖直尺寸较大。该布置方式的RAT一般适用于安装在主机身、设备短舱等RAT舱航向尺寸相对较短的位置。

若RAT安装在如襟翼滑轨整流罩等位置时， RAT舱整体呈“扁平状”，此时可考虑将收放机构后置，同时反向延长支撑臂，将收放机构与涡轮部件分别布置在RAT转轴两侧的方案，该总体结构可以有效减小RAT竖直方向的尺寸，以适应RAT舱的安装要求。

收放机构后置方案中，为增加RAT总体结构的稳定性，一般在RAT支撑臂两侧设置框板结构，并将收放机构集成在框板内。

6 结 语

文中总结了国内外典型冲压空气涡轮系统的总体结构，对比分析了各结构的特点，同时分析了影响RAT总体结构的主要影响因素，对飞机应急能源系统架构设计、RAT类型的选择、RAT总体方案的设计等具有重要的参考意义。