国外先进战斗机空中应急功能分析

唐正府，王进，张新非，吕伯平

(95899部队，北京100076)

国外先进战斗机空中应急功能分析

唐正府，王进，张新非，吕伯平

(95899部队，北京100076)

空中应急功能是指在空中发动机停车或发电机、液压泵、电源系统关键部件失效时，为飞机提供应急电源和应急液压源的能力，主要用于提高飞机安全性。从战斗机发展需求出发，通过分析空中应急功能的必要性及对飞行安全性的影响，归纳总结了国外典型三代、四代战斗机空中应急功能的使用规律和发展趋势，得出先进战斗机具备空中应急功能十分必要的启示，可为开展飞机电源系统及第二动力系统设计提供一定的参考和借鉴。

空中应急功能；第二动力系统；辅助动力装置；应急动力装置

1 引言

现代航空燃气涡轮发动机的结构特点和循环过程，决定了其在自主工作之前必须先由其它动力源带动。最初带动发动机的动力源是电起动机，后来随着发动机所需起动功率的越来越大，辅助动力装置(APU)逐步取代了电起动机，成为现代起动发动机的主要动力源，第二动力系统也随着APU的出现应运而生。

对于军用战斗机，尤其是单发飞机，第二动力系统中除APU外，通常还包括一个应急动力装置(EPU)。如果飞行中发动机熄火或发电机、液压泵发生故障，EPU可向飞控和电气系统的关键负载提供独立能源，直至发动机重新起动、飞行员被安全弹射或飞机完成停车着陆才停止工作。第二动力系统通常由APU、EPU、附件传动装置和能量转换附件(如发电机、液压泵)等组成，主要用于提供气、电、液压及轴功率，以满足飞机对发动机起动、应急能源或其它辅助能源的不同需要。

根据先进战斗机不同的发展需求，一些双发飞机出于优化结构、减轻重量等考虑，对EPU进行简化或缺装，使得第二动力系统空中提供应急功能的方式发生一定改变。后来，随着技术的不断进步，第二动力系统呈现出综合化、集成化的发展趋势，即把APU和EPU通过共用齿轮箱的方式综合集成为一套组合动力装置(IPU)，从而大大简化结构、减轻重量，能在主发动机不工作，及不使用地面电源车、气源车等庞大辅助设备的条件下，方便、快捷地完成飞机大部分设备的检查和维护，提高飞机的自主保障能力和安全性[1，2]。

然而，无论第二动力系统如何集成，结构如何简化，从国外典型战斗机第二动力系统设计方案对比分析看，空中应急功能始终是战斗机不可缺少的关键能力之一。

2 空中应急功能重要性分析

2.1 空中应急功能是飞行安全的可靠保障

现代先进战斗机为追求高机动性和高敏捷性的作战能力，进一步放宽了静不安定度，使得飞机一旦完全丧失电力和液压助力，飞行员很难操纵飞机保持平飞，从而严重危及飞行安全。为飞行控制系统提供操纵能源的主要组成环节有发动机、液压系统、电源系统、飞机附件机匣及功率驱动轴等部件，任意一个环节出现故障，都将严重影响飞行安全。特别是飞机在飞行包线左边界附近飞行时，此时高度高、速度小、空气稀薄，发动机工作条件恶化，当飞机进行过失速等机动飞行时，发动机停车概率大大增加。此外，飞机电源系统的使用可靠性一直是飞机安全性指标的软肋。据国外不完全数据统计，美国F-15、F-16等飞机故障约有80%来源于电源系统。一旦电源系统出现故障，全机断电，此时即使发动机没有停车、正常工作，也无法为飞机操纵提供所需电力，从而危及飞行安全。

第二动力系统中的EPU，就是专门为飞机提供空中应急功能、提高飞机作战环境下的生存力而设计的动力装置，具有起动迅速、输出功率连续可控、不受飞机飞行姿态(包括高度、速度)影响、工作包线大、能短时间独立工作等特点。当空中主发动机停车时，电源和液压源都会消失，而EPU可驱动应急发电机和应急液压泵，为飞机操纵提供短暂的电源和液压源，从而保证安全返航。此外，由于战斗机APU一般体积小、进气量少，起动包线十分有限，不能在整个飞行包线内起动发动机。如果在包线外发动机熄火，此时EPU能在短时间内投入工作，依靠自带燃料迅速产生高温、高压燃气，冲击涡轮输出轴功率，提供应急能源帮助飞行员操纵飞机进入APU起动包线，从而起动主发动机，提高飞行安全性。根据美国F-16飞机使用经验统计，飞机全寿命周期里使用EPU提供应急功能的平均次数为4～5次，使飞机损失率降低为3.97架/10万飞行小时，几乎超过了世界上最佳的双发战斗机[3～5]。因此，可认为空中应急功能是飞行员在跳伞前飞行安全的最后一道安全屏障。

2.2 空中应急功能是贯彻标准规范的重要体现

具有丰富空军作战经验的美军，经过不断总结完善，在最新版的美军联合军种规范指南《JSSG2009飞行器子系统附录C辅助动力系统》[6]中，对为何需要应急动力阐述如下：现代先进战斗机许多关键负载不能容忍甚至瞬时的动力中断(如掉电)，突然的动力消失必须有备份能源或应急能源同时工作，否则会给关键负载带来损伤。因此设计应急动力系统，以保证紧急情况下飞控系统和其它必须的功能恢复到飞机安全操纵状态，十分必要。

因而，许多飞机子系统(如飞行控制系统、燃油系统、电气系统以及发动机起动系统等)在进行方案设计时，在发动机停车或电源系统故障情况下，对应急动力系统提出了空中提供应急功率的需求。

应急动力系统被要求在飞行包线允许的任意范围内，一旦主发动机或电源系统失效，能为飞行控制系统提供应急所需的液压动力和电力，工作时间至少能持续至将飞机恢复到安全弹射包线范围内，以保证飞行员能在迫不得已的情况下弹射逃生。并且希望应急动力系统能提供足够的应急能源，以使飞机能通过稳态控制帮助发动机重新起动，从而恢复至正常飞行状态。

我国在GJB243A-2004《航空燃气涡轮动力装置飞行试验要求》[7]中，也对动力装置提出了进行空中应急功能飞行鉴定的试验要求，以考核应急动力装置性能、起动特性、工作稳定性，以及与飞机相关系统的适应性和协调性。

由此可见，无论是国外规范还是国内标准，都对空中应急能力提出了明确要求，这充分说明空中应急功能是保证飞控系统使用可靠性、飞行关键设备维持正常用电操作的关键能力之一，是飞机考虑安全余度设计思想的重要体现。

3 国外典型战斗机空中应急功能方案分析

3.1 国外典型战斗机空中应急功能使用情况

从现代主流第三代、第四代战斗机看，无论是单发飞机还是双发飞机，辅助动力系统方案设计时都考虑了空中提供应急功率功能，区别在于有的仅提供应急电源，有的既可提供应急电源也可提供应急液压源，详见表1。

从表中可以看出，美国的F-117、F-22和欧洲的阵风等双发飞机都采用了EPU提供空中应急功能。美国的F-15、F-18和欧洲的台风等双发飞机虽然没有EPU，但也采用了其它应急动力设计方案解决应急功率问题，其工作条件限制是必须有一台发动机能正常工作。如F-15飞机采用液压马达驱动应急发电机，F-18、台风飞机采用空气涡轮马达驱动停车发动机飞机附件机匣上的发电机和液压泵提供应急功率，以弥补单发停车时飞机对电源和液压源的需求，增加电源系统的安全余度，确保飞行安全。以F-22和F-35为代表的第四代战斗机，更是具备在全飞行包线范围内提供应急功率的功能。俄罗斯的苏-27飞机虽然没有EPU，但其燃气涡轮起动机(GTS)具备空中起动发动机和在有限范围内提供应急功能的能力。

3.2 应急功能对飞机安全性的影响

由于双发飞机两台发动机同时停车的概率十分微小，单发停车时正常工作的发动机能为飞机电源系统提供电力，保证飞控系统正常工作，因此一些飞机设计者认为可取消空中应急功能。但笔者认为取消空中应急功能会对飞机安全性造成严重影响，主要表现在以下三个方面：

(1)如果取消空中应急功能，飞机在进行诸如过失速机动等大机动动作时一旦失稳，同时电源系统又发生故障，在完全丧失电力和液压助力的情况下，飞行员很难操纵飞机恢复稳定飞行状态，从而降低了飞行安全性。

表1 典型战斗机空中应急方案对比Table 1 Air emergency project comparison of typical fighters

(2)虽然双发飞机两台发动机同时停车的概率十分微小，但由于飞机电源系统的工作可靠性不高，单发停车而同时电源系统故障的可能性不容忽视。也就是说，如果电源系统可靠性不高，即使单台发动机能正常工作，若电源系统故障，飞机也会完全丧失电力，从而危及飞行安全。2004年F-22飞机就发生过因电源系统故障导致飞控系统无法正常工作而使飞机坠毁的飞行事故。因此，若取消空中提供应急功率功能，一旦电源系统故障，即便是双发飞机其安全余度也势必会减小。

(3)对于追求高机动性的先进战斗机，其配套的发动机不仅面临高机动条件下的进气畸变，而且由于先进战斗机综合航电、内埋武器、电子对抗等特点，对发动机提取功率提出了较高的要求。这使得发动机在功率提取较大时工作稳定性大大降低，空中停车概率增大，特别是飞机在高空小表速和高机动飞行条件下，空中停车概率更大。台风战斗机(批产型)就发生过15 000 m高空两台发动机同时停车的故障，导致机毁人亡。因此，若取消空中提供应急功率功能，一旦双发停车，难以保证飞机安全。

3.3 应急功能发展趋势

从上世纪70年代开始，第二动力系统就在战斗机上得到了普遍应用，其EPU提供应急功能经历了从独立结构到简化结构、再从简化结构到集成结构的发展变化历程。

(1)独立结构

图1 典型三代机独立第二动力系统布局方案Fig.1 Unaided second power system of the 3rdgeneration fighter

典型三代机第二动力系统早期采用独立结构设计方案(图1)，由轴功率输出型APU和独立的EPU等部件组成。当空中发生主发动机停车或液压系统、电源系统故障时，由EPU独立工作提供应急轴功率驱动辅助发电机和辅助液压泵。该结构的特点是以辅助动力装置为核心，采用两套独立的涡轮动力装置及电机、液压泵负载等结构，导致系统复杂，重量较大，多在单发飞机上使用。如F-16战斗机，APU的输出轴功率为149 kW，可在0～6 096 m高空起动主发动机；EPU可在0～15 240 m高空，经2～3 s起动后，使用自带肼燃料工作，可持续工作10 min为飞机提供应急液压动力和应急电力。

(2)简化结构

简化结构设计方案以Su-27战斗机第二动力系统(图2)为典型代表，取消了EPU和APU等组件，由飞机附件机匣上的GTS充当EPU和APU的功能，具有短时工作起动发动机和提供应急功率两种功能。GTS按应急动力装置模式工作提供应急功能时，驱动飞机附件机匣上的发电机和液压泵，转速低，仅能在有限飞行包线范围内提供应急电源，工作时间不超过5 min，且对产品损伤很大，使用一次后就要更换。该结构的特点是结构简单，重量较轻，在单发飞机使用难以提供足够的飞行安全余度保证，大多在双发飞机上使用。

图2 Su-27飞机第二动力系统布局方案Fig.2 The scheme of Su-27second power system

(3)集成结构

集成结构设计方案以F-22战斗机第二动力系统(图3)为典型代表，APU和EPU通过共用齿轮箱的结构方式综合集成，形成一套新型压缩空气输出型组合动力装置，共用发电机和液压泵负载。当空中发生主发动机停车或液压系统、电源系统故障时，组合动力装置按应急动力模式工作，空气和煤油在燃气发生器内经点火装置点火燃烧，产生高温、高压燃气，通过涡轮动力组件发出应急功率，并通过齿轮箱组件实现动力传输带动辅助液压泵、辅助发电机产生应急电功率和液压功率。该结构的特点是系统高度集成，重量较轻。据报道，F-22所采用的先进组合动力装置重120 kg，比以前同类系统减重近40%，且性能大大提高。按辅助工作模式运行时当量功率为335 kW，能在0～12 500 m高空亚声速飞行时应急起动发动机，比普通三代机空中最大起动高度提高近一倍；按应急模式运行可在飞行包线范围内任何高度、速度和姿态下，在联机后5 s内提供应急液压动力和应急电力，大大提高了飞机的安全性。同时，能在不开主发动机或不使用地面电源车、气源车等辅助设备的前提下，方便、快捷地完成飞机大部分设备的检查和维护，大大提高飞机的自主保障能力，受到美国空军偏爱。该结构的特点是共用齿轮箱、发电机、液压泵负载等，可最大限度地利用飞机提供的有限空间，且功能完备。

图3 F-22飞机二动力系统布局方案Fig.3 The scheme of F-22 second power system

4 启示

(1)从国外空中应急功能使用情况看，为提高飞机的安全性，即便是双发飞机，也多数设置了空中提供或部分提供应急功率的功能，以提高电源系统的设计余度。

(2)现代先进战斗机，若取消空中应急功能，势必降低飞机空中使用的安全性，严重时甚至会危及飞行员的生命安全。

(3)即便是双发飞机也不宜取消空中应急功能，应具备一定的空中应急能力以确保飞机的安全性，以便空中起动发动机或在有限包线范围内提供辅助功率。

[1]田涛，王进.飞机第二动力系统发展及关键技术[J].航空装备论证，2008，(3)：17—23.

[2]雷友锋，王进.军用飞机第二动力系统发展现状与趋势[J].航空装备论证，2001，(4)：22—26.

[3]常淑青.发展我国的飞机辅助动力装置[J].航空装备论证，2000，(4)：29—32.

[4]周增幅，陶征宇.多电飞机的组合动力装置[J].航空装备论证，1997，(1)：20—28.

[5]吴阿平.应急动力系统的优化[J].飞机设计，2007，27 (3)：59—62.

[6]JSSG-2009-1998，飞行器子系统附录C辅助动力系统[S].

[7]GJB 243A-2004，航空燃气涡轮动力装置飞行试验要求[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，工程师，主要从事航空发动机总体论证。