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带你认识飞机上的“小老鼠”

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  在现代客机机身里往往藏着一个神奇的小东西,

  它的英文缩写为RAT,

  被称为“小老鼠”。

  它平时默默无闻,

  而关键时刻却能够拯救数百人的性命。

  它就是冲压空气涡轮。

  Ram Air Turbine,RAT

  1

  什么是RAT?

  RAT系统包括叶片、涡轮、发电机、发电机控制单元、作动筒、上位锁等部件,其中RAT叶片主要由2到4片中等长度的叶片构成,乍看起来和一般螺旋桨的区别不大。仔细观察,我们会发现冲压空气涡轮的叶片是一种中等展弦比、大扭度的叶片。

  在民航飞机上,冲压空气涡轮的直径一般在80厘米左右,当然在较大的飞机上,其尺寸也会更大。目前世界上最大的客机A380同样拥有世界上最大的冲压空气涡轮――直径为1.63米,堪比轻型飞机主发动机螺旋桨,是一只名副其实的“大老鼠”。

  综合考虑不同机型供电性能、重量尺寸等因素,RAT平时收在飞机机身内侧、机翼内部乃至襟翼滑轨整流罩等部位中。

  

  图1 A300-600飞机RAT系统

  

  图2 A380飞机RAT位置

  

  图3 A380飞机弹出RAT

  2

  RAT的前世今生?

  早在一百年前欧洲,俄制S-22飞机上,为了能够让乘客有电可用,提高乘坐体验,设计师开创性的将风力发电机搬上了飞机,造就了现代客机RAT的雏形。

  在随后的几十年间,RAT的身影就一直出现在各种飞行器上,前期为了能在飞行过程中向飞机提供不间断的电力,冲压空气涡轮是始终露在机舱外的,但随着飞机飞行速度的提高,RAT对飞行阻力的“贡献”也愈发明显。到了喷气时代之后,为了保持飞机气动外形的顺畅及提高经济性,RAT被设计放置进机身内部,它才得以隐居幕后。

  在上世纪50年代之后,液压动力开始逐渐取代人力来操纵飞机的舵面,“小老鼠”开始担任备用液压动力源的角色。

  世界上第一款采用可收放RAT系统的民航客机是1962年首飞的英国VC-10客机,该机采用两个RAT,一个用来提供应急电力(图4右侧),一个用来提供应急液压(图4左侧)。至此,RAT的隐居生活正式开始,完成了从“不间断使用”到“应急时备用”的角色转换,但它仍然依靠自身强大的可靠性始终在飞机上占有一席之地。

  

  图4 VC-10客机RAT

  3

  RAT有哪些高光时刻?

  1983年7月23日,加拿大航空的一架波音767飞机平静地在万米高空巡航,突然间,两台发动机接连停止了工作,驾驶舱瞬间陷入一片寂静,还没等机组弄明白发动机为什么会熄火,失去动力的飞机便开始缓缓下坠。作为一架大型民用客机,飞行过程中作用在舵面上的气动力是两名机组靠人力远不能抵抗的,为了让舵面能够操纵飞机,需要液压系统提供能量驱动舵面。同时,机组需要依靠面前的仪表了解飞机的飞行状态,而仪表,需要电能。通常情况下,液压能和电能都是由主发动机提供的,但是对于这架767飞机来说,两台发动机均停止了工作,辅助动力装置也无法启动,难道就只能眼睁睁的看着飞机下落坐以待毙么?

  当然不是,就在两台发动机同时熄火的那一瞬间,RAT自动释放,向飞机提供了最低限度的液压能和电能,让机组得以依靠备用仪表让这架巨大的滑翔机紧急着陆在基米尼附近一个废弃的空军基地,保全了机上所有人员生命,这就是著名的“基米尼滑翔机”事件。相似的事情在2001年8月24日再次发生,一架空客A330飞机陷入了同样的窘境,RAT再一次发挥本领使飞机安全迫降,机上人员全部生还。

  

  空中浩劫-基米尼滑翔机(视频源于网络)

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  图5 退役后封存的“基米尼滑翔机”

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  RAT的工作原理是什么?

  当飞机在空中飞行时遇到主发动机全部停止工作而辅助动力系统也没能正常供电的情况下,冲压空气涡轮便是维持飞机可控的最后依靠,这个时候它就会自动弹出机身,利用飞机飞行时的气流,像个风车一样高速旋转,带动螺旋桨后面的小型发电机或是液压泵为飞机提供最最基本的电力和液压供应。

  由于发电机输出频率受转速直接影响,而RAT的转速又是由飞机飞行空速决定,因此,对于使用恒频交流电的飞机,例如最常见的A320系列,在飞机失去电源或者发动机全部故障时,RAT自动释放,叶片旋转产生机械能转换为液压能,进而液压动力通过恒速马达带动交流发电机为飞机提供部分应急电源(如图6(a)所示);对于使用变频交流电的飞机,例如C919飞机,RAT则是一台小型发电机,可将风能转换为机械能,进而直接转换为电能,提供变频交流电供飞机使用,再通过电动液压泵提供液压能(如图6(b)所示)。

  

  (a)恒频发电系统

  

  (b)变频发电系统

  图6 RAT系统工作原理

  5

  RAT试飞的目的是什么?

  RAT是飞机在空中发生全部发动机停车、辅助动力系统(APU)失效时使用的应急空气涡轮发电机组,可为飞机重要负载供电,是飞机应急电源系统中非常重要的设备。因RAT系统供电能力受飞机速度、侧滑角、迎角等多方面影响,且其与全机重要机载设备交联,仅通过地面风洞试验等,无法充分模拟实际飞行过程中RAT供电性能。

  根据运输类飞机适航标准CCAR-25-R4,应急电源系统需通过飞行试验表明对25.1310,25.1351(a)(b)(d),25.1353(c),25.1363(b)等条款的符合性。

  如针对25.1310(a)条款“在可能的运行条件和可能的持续运行过程中,电源系统必须能够给下列电力载荷提供电源…”,25.1351(d)“无正常电源时的运行…”等要求,需验证在所有发动机和APU上的发电机无法正常供电时,飞机能够继续安全飞行和着陆,考察RAT空中自动释放功能,并且在全飞行包线内采集交直流发电端及典型负载端数据进行分析,充分验证RAT系统的各项供电能力能够满足适航规章要求及设计指标。

  6

  RAT试飞的内容有哪些?

  正是因为RAT在极端情况下的所表现出的重要性,每一款客机在取证试飞过程中都要针对RAT系统进行详细的试验,对RAT系统的检测也成为新型客机投入运营前的一项重要工作。

  ARJ21-700飞机在取证前成功完成了正常气候条件下,低温、高温等各种极端环境条件下的RAT释放试验,以及RAT机械性能、RAT自动释放等一系列复杂科目的试飞,确保RAT能够在关键时刻“放的出、转得稳、撑得住”,为我国民用飞机的发展迈出了坚实的一步。

  

  B787飞机RAT释放试飞(视频源于网络)

  随着航空技术的日益进步,飞机动力装置和机载设备的可靠性与日俱增,需要RAT担负重任的机会也将越来越少,但是对于始终把安全放在第一位的民航客机来说,想要让RAT功成身退还有很长一段路要走,在这段过程中,它仍将默默的坚守岗位,保护每一位乘客的生命安全。

  本文转载自公众号:飞机设计与试验

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