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电反推系统适航分析

Airworthiness Analysis of Electric Thrust Reverser System

付尧明 任善全 闫锋     2020年12月18日

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反推系统由反推装置、反推控制系统和反推指示系统3部分组成,为飞机降落或中止起飞提供必要的反向推力,与飞机刹车系统一起可有效减少刹车距离。目前民用飞机反推系统驱动方式多为液压驱动,但其结构复杂,液压能利用率低,故障率较高,容易导致反推意外打开或无法打开,使飞机无法正常降落。相较于液压驱动的传统反推,新一代民航客机采用电机驱动的反推系统则更可靠、更安全且经济性更高,同时也顺应了多电、全电飞机的发展趋势。

 

液压式反推系统


根据操纵驱动机构的不同,民用飞机发动机的反推系统主要分为气动式、机械式、液压式和电动式4种,其中液压式为目前应用最广泛的反推装置类型。液压驱动的反推装置主要有挡板式、瓣式和格栅式3种。以应用最广的格栅式为例,主要由叶栅盖、阻流门拉杆、作动筒、阻流门和导流叶栅等组成,其反推力最高可达发动机最大推力的60%~70%,民用飞机中如空客A380、波音737等都是采用此类反推装置。传统的反推装置机械结构复杂,协调部件多,反推系统质量占短舱质量30%以上,使发动机经济性下降,另外也容易产生故障导致事故发生。

 

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CFM56-7B发动机反推系统结构

  

电反推系统


相较于传统反推系统,电反推系统由电动作动器驱动,不需要过多装置配合工作,结构更为简洁,发动机整体质量轻,失效探测和健康监控能力强,而且更为可靠,同时也与多电、全电飞机的兼容性更高,顺应未来飞机发展趋势。现今使用电反推系统的有空客A350飞机的遄达XWB发动机和C919的LEAP-1C发动机等,本文主要以遄达XWB发动机为例,对电反推系统加以介绍。


电反推装置的外壳由两个滑动罩组成,每个滑动罩包括一个电动机、3个蜗杆机械作动筒和一组6个的阻流门和拉杆。上、下作动筒包括带解锁手柄的主锁,解锁手柄附近有临近开关和作动筒位置传感器(在上、下作动筒上)。飞行员将油门杆推到反推位置同时需飞机达到符合降落条件后,主或次飞行控制计算机发出电子信号到配电系统(EPDS),EPDS给轨道锁、电磁阀通电,弹簧带动锁钩打开,发动机接口控制器(EIF)向电反推驱动控制器(ETRAC)发送打开指令信号,并给主锁供电,解开上部和下部作动筒的锁结构。ETRAC控制两台电动机,每台电动机通过挠性同步轴驱动同侧的中心作动筒,中心作动筒通过软轴驱动上、下作动筒打开滑动罩,然后带动阻流门打开到相应位置,风扇排气气流经过阻流门和叶栅后反转,以一定角度向前排出,产生反推力,使飞机减速。当反推装置完全展开后,ETRAC就会断电,电机和主锁的机械装置保持解锁状态。

 

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电反推系统工作流程

  

电反推系统适航审定分析


反推系统适航条款的制定是为了确保飞机和发动机的设计通过适航局的审定来避免反推系统的不安全隐患或其他故障。目前国内适航当局对于反推的适航条例只针对传统反推装置,因此应在对这些条款进行研究的基础上,针对电反推系统的适航审定要求及符合性验证等问题进行分析。


对反推装置的适航审定,包括中国民航局(CAAC)、美国联邦航空局(FAA)和欧洲航空安全局(EASA)在内的民航监管部门都有严格的要求,如CAAC颁布的民航航空规章(CCAR)中对反推系统的规定(见表1),分布在25部运输类飞机和33部航空发动机等两部适航法规中。

 

表1   CCAR中关于反推装置的条款概况

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中国民航局在2011年11月7日第四次修订的CCAR 25.933关于反推系统的条款中指出,对仅预定在地面使用的发动机反推力系统,必须设计为在飞行中处于任何反推力位置时,发动机不会产生大于飞行慢车状态的推力。此外,必须通过分析或试验,或两者兼用来表明满足下列要求:反推装置能收回到推力位置;反推装置处于任何可能的位置时,飞机能继续安全飞行和着陆。对于该项条款,其他国家和地区的适航规章要求则有所不同。FAA要求必须同时满足以下两个条件:反推装置能收回到推力位置;反推装置处于任何可能的位置时,飞机能继续安全飞行和着陆。而EASA要求只需满足以下两个条件中的一个即可:反推装置处于任何可能的位置时,飞机能继续安全飞行和着陆;表明发生空中反推打开的可能性极小,且空中反推装置打开不会由单个失效或故障导致。


对于安全性相关的要求,电反推系统较传统反推系统应更为严格。例如,电反推系统必须同时满足上述两条要求,并且还应满足:规定使用阶段是从着陆接地一直到正常着陆速度,产生反推力;在速度达到决断速度时可获得最大反推力,在此时可以中断起飞;如果按照25.933(a)条款要求设计的反推系统,发生空中意外打开时飞机系统要控制发动机推力降到飞行慢车状态。


而33部则主要是对反推装置的系统试验提出了要求。CCAR 33.97条款和FAA的FAR 33部内容一致,而EASA的适航法规在多年的条款修订和演变过程中,在具体细节方面呈现出一些不同,这也是在做相关研究时须着重注意的地方。由于电反推系统结构与传统反推差别较大,关于试验的条款也未说明对于电反推系统是否适用,所以还需进行具体的分析或试验来加以验证。

 

电反推系统适航审定要点探讨


目前,适航当局还没有针对电反推系统制定具体规章,为满足民机电反推系统适航取证的需要,依据现有适航规章要求和电反推系统的结构特点,可以从设计、安全性、可靠性、功能检验、机电作动系统和符合性验证方法等方面,对电反推的适航审定要求及符合性验证等相关问题进行探讨。

 

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飞机在降落过程中打开反推装置(摄影:魏萌)

  

在设计方面,电反推系统的控制过程与传统反推有所不同,电反推用电缆替代管路进行电力传输,因此在适航审定阶段要仔细审查电路布局和控制线路,保证有至少3条不同的冗余控制线路,保证反推不会因为某条线路故障而无法正常打开。对仅供地面使用的电反推系统,要有相应的控制命令抑制其在空中因人为或机械故障而意外打开,保证飞机安全。若电反推意外打开,也要有相应的控制指令控制飞机提供相应补偿,使反推意外打开的影响降到最低。


在安全性方面,反推装置的失效模式主要有空中意外打开和无法打开,都与反推装置的机械防锁和控制系统及相关线路有关。因此,要保证发动机电反推失效发生概率小于10-9/飞行小时,通过故障树分析电反推系统来确定不能有单一故障导致反推意外打开。对于出现空中意外打开后保证飞机安全飞行和降落的措施,可通过全权限数字式电子控制系统(FADEC)控制反推推力及其他系统提供的飞行状态补偿,避免飞机失速。


在可靠性方面,审定过程中要对电反推系统进行定量和定性的系统安全性分析,分析结果应为飞机不会因为反推系统故障发生任何灾难性事故。同时要求系统中电子元器件及其他机械结构都有一定的可靠性,避免系统因可靠性过低发生故障。


在功能检验方面,在审定过程中可以对发动机进行风洞试验来验证飞机可靠性并验证反推效率和静压等气动指标。另外,对于飞机机型审定时要从操纵性方面对反推系统进行审定,避免因电反推意外打开而影响飞机的操纵性,导致事故发生。


机电作动系统是电反推系统的关键部分,在适航审定过程中要关注机电作动系统的非指令信号(如振荡和噪声等),并关注传感器发生非指令信号故障和振荡故障等。此外,还须关注机电作动系统的传动效率、整流罩左右作动筒的同步驱动等,验证是否会因上述问题导致电反推系统失效或故障。


对于上述适航条款的符合性验证方法可以采用设计说明、安全性评估、分析计算、发动机台架试验、飞机试验、模拟器试验和设备鉴定等,可以从操纵性、可靠性、操纵性/可靠性组合和锁紧反推装置等4个方面表明其符合性,例如,可参考EASA AMC 25.933(a)用基于操纵性和可靠性的符合性验证方法。

 

结束语


传统反推技术相对成熟,但结构复杂,发生气流泄漏后容易使飞机性能下降,而且在空中意外打开率较高;而电反推系统结构简单,使发动机质量明显减轻,可靠性更高,可以很好地与全电飞机兼容。但电反推目前尚属于较新的技术,航线使用经验较少,技术成熟度仍较低,因而对于电反推的适航审定,除了要满足针对传统反推系统的相关适航条款要求,还应依据其自身特点对其安全性、可靠性和操作性等方面提出适航审定要求,为今后我国研制的飞机电反推系统的适航审定提供一定思路。


(付尧明,中国民用航空飞行学院,教授,主要从事民机适航维修与可靠性工程研究)

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