刘贺

【摘 要】现代民用飞机多安装有冲压空气涡轮（RAT）作为飞机应急功能装置，RAT舱的布置设计是民用飞机的整机研发过程中的重要设计环节之一。以某双发翼吊窄体机型为例说明了RAT舱的布置设计流程，布置约束条件，强调了在已有工程设计框架下的布置设计过程，对提出的几种方案进行了详细的评估，为民用飞机分舱布置设计的工程应用提供了方法和思路。

【关键词】布置；RAT舱；RAT；民机

0 引言

冲压空气涡轮（RAT Ram Air Turbine）是为飞机在失去主动力和辅助动力时进行应急迫降而设计的，以提高飞机的生存性。该系统利用飞机的动能工作，在特定情况下，从飞机上应急放下一个螺旋桨，利用急速的空气来流冲击螺旋桨，其高速的旋转运动带动与之相连的电动机和液压泵，产生必要的应急能源，用于重启发动机，保证飞机操作系统、液压系统和电子设备的应急功能供电。其系统工作原理图如图1所示。RAT系统需布置在非气密舱，为了得到较好的气动力载荷和释放角度，大型民用飞机的RAT系统通常布置于飞机机身下部，其具体布置位置需要权衡整机的多种因素，最终得出最优方案。图2显示了一种典型的RAT舱布置方案。

1 民用飞机RAT系统设计要求

民用飞机RAT系统设计时需要在满足适航条款要求的基础上，根据顶层设计约束条件满足其功能指标。其布置位置由多种影响因子共同决定。

1.1 适航要求

1）CCAR-25.671（d）：飞机必须设计成在所有发动机都失效的情况下扔可操作。

2）CCAR-25.903（e）（3）：对于涡轮发动机飞机，如果飞行中所有发动机停车后，发动机的最小转速不足以提供发动机点火所需电功率，则需要有一个不依赖发动机驱动的发电系统的电源，以便能在飞行中对发动机再起动。

3）CCAR-25.1351（d）：无正常电源时的运行，当正常电源（除蓄电池之外的电源）不工作，燃油（从熄火和重新起动能力考虑）为临界状态，且飞机最初处于最大审定高度情况下，飞机能按目视飞行规则安全飞行至少五分钟。

1.2 RAT系统设计与布置要求

1）RAT发电机发电容量：根据特定机型的应急供电系统需求，计算其所有应急负载得出。计算所得RAT的额定容量应能满足系统指标参数，满足适航需求。

2）速度要求：RAT设计速度是RAT系统的重要设计输入参数，其大小主要和最小操纵面设置，应急状态下飞机的进场速度有关。对于最小操纵面设置，在RAT工作条件下，RAT必须满足主飞控最小操纵面的能源需求。确定应急状态的进场速度时需要参照飞机顶层设计的正常进场速度。为了确保RAT产生足够的能量满足最小操纵面的能源需求，飞行员必须增加进场速度以保证安全着陆，故RAT的设计速度通常稍大于飞机的正常进场速度。

3）环境要求：RAT安装的环境要求为非温控、非气密。

4）气动力要求：RAT释放后，需要气流场来带动冲压涡轮，在飞机的不同位置区域，气动效率是不同的。RAT打开后必须在迎风面上，最好在无遮挡、气动效率高的区域。根据当前航线机型的应用，布置区域多位于机头到中段机身部分，部分宽体机型布置在机翼滑轨整流罩区域，如图3所示。

5）空间要求：RAT的布置必须满足RAT的安装空间要求，RAT安装在RAT舱内。布置的过程中需要考虑到RAT收放过程的运动包络面，确保与机身结构、周边管路线束保持足够距离。考虑震动等因素下，布置RAT本体时需要保证在释放过程中叶片距舱门间隙大于1.5英寸。

6）维修性要求：RAT的布置位置应满足RAT本体系统以及相关管线路的维护要求，保证安装维护通道的可達性要求。

7）对周边系统环境的影响：RAT舱的布置位置需要考虑对周边系统布置的影响，因RAT工作的特殊性，叶片转动过程会干扰机身外气流场，影响机身外探头工作环境，在布置设计时需要考虑。

8）重量要求：在保证满足设计要求的前提下尽量减少重量增加，选取重量最优方案。

9）成本要求：RAT舱的布置过程涉及各相关系统的更改，以及对RAT本体设备的选型，在布置设计过程中要考虑经济成本、研发更改的时间成本等，选用成本最优方案。

10）安全性要求：RAT舱布置位置应满足RAT工作安全性要求，应避开转子爆破和轮胎爆破区域。

2 RAT系统工作模式

RAT系统的主流工作模式主要有三类：液压模式、电气模式、混合模式。当前航线机型均有应用。

2.1 液压模式

RAT系统驱动应急液压泵，作为应急液压系统，与飞机液压系统的恒速马达驱动应急发电机（CSM/G）联合工作，构成应急液压源和应急电源。该工作模式即为液压模式。应用机型主要有：A320系列、B-757、B-767、A330/A340等。

2.2 电气模式

RAT系统驱动应急发电机，作为应急电源系统，与飞机液压系统的电动泵联合工作，构成应急电源和应急液压源。这种工作模式即电气模式。应用机型有：ERJ170/190、CRJ 系列、ARJ21、A380、A350、庞巴迪C 系列等。

2.3 混合模式

RAT系统同时驱动应急发电机和应急液压泵，构成飞机应急电源和液压源。这种工作模式即混合模式。应用机型有B-777、B-787等。

3 RAT舱布置方案分析

参照相关机型的布置方案，以某双发翼吊布局窄体民用客机的RAT舱布置设计为实例，详细讨论了RAT舱的布置设计过程。本实例基于机身主结构总体方案确定的情况下安排布置RAT舱位，考虑了设备气动效率、结构更改成本、周边系统环境、重量、成本可靠性、设备能源利用率等主要约束因子，分析各方案优缺点，在保证飞机设计最优的原则下确定最终方案。

3.1 RAT系统模式选择

当前在役的民用飞机中，支线客机RAT多采用电气模式，如ARJ21-700、ERJ系列等。早期干线客机多数使用液压模式，如A320系列、A330/340等。较新的机型多采用电气模式（A380、庞巴迪C系列）、混合模式（B-777、B-787）。根据不同模式的工作机理和工程应用经验，液压模式需额外加装液压马达发电机，重量较大，易泄露，可靠性较低。RAT系统的液压管路与正常工作液压系统相连，一旦RAT系统的液压管路发生泄露，将导致相连的液压系统失效，故障不易隔离。根据当前民机发展趋势，最新民用飞机均未选用液压模式的RAT系统。基于上述分析本案例中选用混合或电气模式。

混合模式下，RAT系统需从液压系统吸取液压油，为保证液压泵吸油特性，同时减少液压管路过长引起的增重，RAT位置应尽量靠近系统液压油箱（通常位于翼身整流罩区域），故混合模式的RAT系统应布置在机腹位置，电气模式的RAT系统可布置在机头和机腹位置。

3.2 RAT叶片尺寸选择

RAT输出功率与其叶片尺寸、飞行速度在一定范围内正相关，如图4，RAT稳定工作所需飞行速度与RAT布置位置有关。因机头位置气动损失明显小于机腹位置，布置在机腹位置的RAT系统若达到相同的输出功率需要更高的飞行速度或适当增大叶片直径。

3.3 RAT舱布置方案

综上初步分析并参考航线机型布置经验，提出三种总体布置方案：机头方案、机腹方案、机翼滑轨整流罩方案。

1）机头方案：该方案将RAT布置在机头下部，RAT舱占用部分E-E舱三角区空间，牺牲航向右侧E-E舱维护舱门，与前起舱共用侧壁版。为避免结构加强框承受较大载荷，在保证RAT舱足够空间的前提下，RAT舱开口位置避开原机身加强框。调整RAT本体航向尺寸，尽量减少对现有框结构的占用，使RAT舱内空间利用率最优。RAT舱的布置破坏了原有机体结构的传力路线，因开口较大，需要对其门框结构进行结构加强。为保证E-E舱内部的气密载荷对RAT舱体结构有较好的传力形式，RAT舱上壁板与前起舱上壁板保持平齐，如图5。

此处RAT只能选用电气模式，因机头位置气动损失小，故RAT叶片可以采用较小的尺寸。RAT本体布置在机体下方，维修安装可达性满足要求。该布置方案实施存在两个问题：首先由于RAT舱开口较大，在结构设计上需要采用加强措施，增重较大。其次，机头区域除前起舱外均为气密区，需在机头上单独隔离非气密区，导致前起舱区域受力不对称，传力路线变化，降低结构效率。

2）机腹方案：RAT舱布置在机腹（翼身整流罩内），则需考虑转子爆破（翼吊布局飞机）、主起落架轮胎爆破及周边液压系统布置的影响。起落架在收起后若发生轮胎爆破，碎片可能会击穿结构破坏RAT，同理在转子爆破区域，发动机的爆破碎片可能同时击坏RAT和另一侧的发动机从而导致整机丧失液压源，为了避开这类区域，根据现有设计环境，RAT需布置在后部整流罩，避开爆破区包络面。

机腹位置处RAT可以选用混合工作模式，因该位置气动损失较大，RAT叶片尺寸相应增大。本实例窄体机型整流罩内部空间较小，RAT的布置空间不足，故需适当扩大整流罩内部空间。由于RAT舱门开口，需在整流罩结构以及机身结构上采取加强措施。

飞行过程中，机腹区域流场复杂，RAT在该位置释放后所受到气动载荷效率低，损失近一半。RAT布置在主起落架后部（后部整流罩），如图6，在利用RAT应急着陆过程中，起落架的遮挡会破坏流场，RAT气动效率进一步损失。后部整流罩区域距离主起舱较近，一旦发生轮胎爆破可能会对RAT设备造成损伤。

该布置方案实施主要存在两个问题：首先整流罩由非受力结构更改为受力结构，更改成本大，损害结构效率，结构加强实施困难。其次RAT采用混合模式布置在机腹，发生转子爆破时，转子击坏液压管路会造成RAT液压功能失效，危害安全性，若改用电气模式，考虑电能转换液压能的失效率损失，RAT叶片直径尺寸需相应增加近一半，需进一步增大RAT舱空间，更改成本较高。

3）机翼滑轨整流罩方案：参考航线机型，该布置方案主要适用于宽体客机，其整流罩空间较大，气动效率较好，针对本实例的窄体机型，其整流罩空间较小，经布置后发现空间难以满足RAT安装需求，如图7。图中看出在未考虑结构厚度，以及内部管线路前提下，空间已经不满足RAT布置要求，该方案不可行。

3.4 布置方案总结

针对两种可行方案对布置影响因子权衡分析，考虑当前窄体机型设计布局状态和顶层设计需求选择最优布置方案。

通过比较表1评估结果，基于本实例中双发翼吊窄体机的结构设计状态，应优先考虑气动效率、结构更改成本、周边系统影响、更改时间成本因素，最终牺牲重量和设备能源利用率，采用机头布置方案。

4 总结

民用飞机舱位布置问题是一个权衡迭代过程，尤其在已有设计框架下进行较大的工程更改，需要考虑多种因素，协调各专业意见，在保证满足更改目标的前提下，做到成本最小，方案最优。本文以RAT舱的布置设计方案为例，详细介绍了布置设计的过程和方法，为民用飞机分舱布置设计提供了一些思路，对民用飞机的布置设计有一定借鉴作用。

【参考文献】

[1] 运输类飞机适航标准.中国民用航空规章第25部CCAR-25-R4[S].中国民航总局.2009.

[責任编辑：田吉捷]