飞机上的“小老鼠”

它就是冲压空气涡轮(英文名 Ram Air Turbine,在飞机手册中通常缩写为 RAT)。
它就是冲压空气涡轮(英文名 Ram Air Turbine,在飞机手册中通常缩写为 RAT)。

它善于躲藏,通常隐匿在飞机的机身内,在正常情况下不会让人发现;它体积小巧,即使在某些情况下探出机身,也很难被人发觉。虽然它的英文缩写为 RAT,与英文“老鼠”(rat)相同,但中文名字却不能直译为“老鼠”。它平时默默无闻,而关键时刻却能够拯救人的性命。它就是冲压空气涡轮(英文名 Ram Air Turbine,在飞机手册中通常缩写为 RAT)。这就是我们今天要介绍的大名鼎鼎的“小老鼠”。

飞机“小老鼠”放出后

冲压空气涡轮 (“小老鼠”) 是飞机应急电力和液压系统的重要组成部分,由2到4片中等长度或者6到10片小尺寸的叶片组成,乍看起来和一般螺旋桨的区别不大。但仔细观察,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——扭度是指单位长度的扭角变化率,扭度越大,叶片看起来拧得越“纠结”。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“大老鼠”。冲压空气涡轮平时收在飞机机身内侧、机翼内部或者起落架舱门中。当飞机的主发动机停止工作而辅助动力系统(APU)没能正常启动时,冲压空气涡轮系统便成了飞机在浩瀚天空的最后一根救命稻草。在这样的危机时刻,冲压空气涡轮会自动(或手动)弹出,在迎风气流的吹袭下像风车一样高速转动,从而带动发电机或者小型液压泵工作,为飞机提供基本的电力和液压供应,用以维持必要仪表和基本操纵面正常工作。通常情况下,冲压空气涡轮叶片能够以每分钟5 000~7 000转的速度旋转,为飞机提供5~70千瓦的电力并为起落架系统提供液压动力。不过,冲压空气涡轮能够提供的功率会随着飞机速度的降低而逐渐减小,在飞机进场着陆的低速阶段,其提供的电力功率甚至会小于400瓦,仅能供几台小型液晶显示器和几个节能灯使用。

缘于飞机的舒适性追求

实际上,在莱特兄弟的飞机飞出那划时代的36米之后的短短几年间,在第一次世界大战爆发之前,这只“小老鼠”已经成为了某些飞机的组成部分,只是因为其尺寸太小而被大家忽略掉而已。在1913年,俄国的伊利亚·穆罗梅茨S-22轰炸机首飞成功。而在一战爆发前,该款飞机曾用作豪华客机。为了让乘客们用上电,该机创造性地采用了风力发电装置,把荷兰风车和俄国式实用主义设计理念一起搬到了天上,造就了现代冲压空气涡轮系统的雏形。

在第一次世界大战期间,飞机得到了快速发展。但冲压空气涡轮的地位并没有太大改变。不过,为了能在飞行过程中向飞机提供不间断的电力(通常是用在信号灯和照明灯上),该涡轮是始终露在机舱外的。好在当时的飞机飞行速度较慢,风光的“小老鼠”没有对飞行性能造成太大影响。早期的飞机电器系统采用的是低压直流电。因为功率等于电压与电流的乘积,所以在同等功率需求的情况下,较低的电压需要较大的电流供应,而电流越大就需要越粗的电缆。冲压空气涡轮发电虽然没有飞机发动机带动的发电机稳定,但是由于其放置位置自由,可以尽量接近用电电器,因此不需要布置太多缆线,从而能够大大降低飞机重量——对于那些用轻木和帆布制造飞机的航空工程师们而言,那些沉重的铜芯电缆简直是他们的噩梦。所以,“小老鼠”成为了早期各型飞机的标准配置,甚至在大名鼎鼎的齐柏林飞艇上也能看到它的身影。齐柏林飞艇上的主发电机是隐藏在庞大艇体中的两台汽油发电机。不过,对于飞行控制吊舱而言,两只“小老鼠”才是更为亲切的电力来源。它们分别被安置在吊舱两侧无线电收发室的窗户外面,由可折叠的悬臂式支撑杆操纵,为无线电收发机(用来收听天气预报、报告飞艇位置和为旅客收发私人电报)、工作台仪表和飞行控制吊舱的照明提供电力。为了使无线电收发机的工作不受飞艇飞行速度的影响,艇上有蓄电池组作为辅助电源,同时有一台小型汽油发电机作为应急动。这种配置刚好与现代客机相反。不过,这两个冲压空气涡轮的尺寸相比于齐柏林飞艇的庞大身躯来说,实在是太小了,因此在很多绘画作品中,画家往往就把它们给忽略掉了——2012年第3期《航空知识》的封面是一幅齐柏林飞艇的油画,我们就没能在上面找到冲压空气涡轮。

随着飞机飞行速度的提高,探出舱外的“小老鼠”对飞机阻力的贡献变得越发不可忽视。尤其是在喷气飞机时代到来之后,为了保持飞机气动外形的顺畅,“小老鼠”们被取消或者被关进了机身内部,只在需要的时候弹出机身。 “小老鼠”们的“最后疯狂”是在1944年。当时,纳粹德国设计了时速达到1 123千米的全火箭动力战斗机Me 163 “彗星”,“小老鼠”就占据了最显赫的位置——飞机的机头前端,用于为飞机供电。因为采用火箭动力的Me 163无法从主发动机那里获得使发电机转动的机械能。

隐居生活

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。然而,由于其从“必用”到“备用”乃至“应急时才用”的角色转变,它的隐居生活也就正式开始了。

世界上第一款采用可收放式的冲压空气涡轮系统的飞机是1955年首飞的美国XF-84H验证机。然而,该验证机并不是为了“小老鼠”设计,而是为了验证涡轮螺旋桨发动机技术。该机是世界上噪音最大的飞机之一,从飞机的绰号“雷啸”(Thunderscreech由惊雷Thunder和尖啸Screech两个单词合并而成)中可见一斑。针对不稳定的发动机系统,冲压空气涡轮能够在发动机出现问题的时候自动弹出,为飞机提供应急液压和电力供应,在实际试飞过程中,“小老鼠”总是淘气地探出来以提醒该机的发动机又出问题了。“小老鼠”们深居简出的风格使很多老牌军迷都不知道在F-4、F-5、F-104、A-6乃至“鹞”式这些名机中都有它们的存在。

F-8战斗机上的RAT

随着机載蓄电池和辅助电源系统的成熟,冲压空气涡轮开始进入低谷期。美国空军甚至在F-4E“鬼怪”上尝试取消冲压空气涡轮。不过,后来美国人发现F-4E的可靠性并没有高到他们期望的程度,在后续批次中又把“小老鼠”请了回来。

世界上第一款采用可收放冲压空气涡轮系统的民航客机是1962年首飞的英国VC-10客机。该机采用两个冲压空气涡轮,一个用来提供应急电力,一个用来提供应急液压。几十年来,“小老鼠”一直在默默守卫着民航客机的安全,却少有用武之地。但在1983年7月23日,它却大放异彩,拯救了69人的性命。这便是著名的“吉米尼滑翔机”事件——因燃油耗尽而失去动力的加航波音767在关键时刻自动启动了冲压空气涡轮系统,维持了最基本的电力供应,帮助机组在吉米尼的废弃空军基地成功迫降。该机由此打破了当时民航机的滑翔纪录——滑翔了17分钟,飞过50千米。这一纪录直到2001年8月24日才被一架空客A330打破,——当时这架飞机因为油箱泄漏而将燃油耗尽,飞机滑翔了217千米后成功迫降,机上306人无一遇难。而在这一事故中,英勇的“小老鼠”又跳了出来,提供维持飞机最关键部件正常运行的宝贵电力。

军中服役的“小老鼠”

淘气又英勇的“小老鼠”在民航飞机和军用飞机上逐渐显示出了不同的性格。民航飞机的“小老鼠”甘于在幕后默默维护着飞机的安全,而在军机上的“小老鼠”则逐渐走到了世人面前。不甘于藏身机内的冲压空气涡轮系统开始在军用飞机的吊舱上大显身手。军用飞机的电子吊舱中装有大量电子设备,有用于实施干扰的也有用于指引制导武器的。这些设备有一个共同点就是耗电巨大。虽然军用飞机能够通过发动机产生电力,但是电子吊舱仍然趋向于自主提供电力。这是全机优化的结果也是战斗单元模块化的表现——如果军机预设了向吊舱提供电力的发电机,则当该机执行无需吊舱的任务时,这些发电机和线缆就成了“死重”。

EA-6B“徘徊者”是美国格鲁曼公司研制的舰載电子战飞机,其主要任务是干扰敌方的雷达和通信系统,保护己方舰队水面舰艇和作战飞机的安全。该机的核心是AN/ALQ-99战术干扰系统。EA-6B可同时携带5个外挂电子干扰吊舱,一个在机腹下,4个在机翼下。每个吊舱装有两台干扰机。它们都可自行独立供电,而这些电能的来源便是吊舱前端的“小老鼠”。

另外,冲压空气涡轮还能直接提供机械动力。比如美制SUU-16A“火神”机炮吊舱上就有冲压空气涡轮的身影。在机炮射击前,冲压空气涡轮探出吊舱,为机炮射击时的炮管提供旋转动力。不过,冲压空气涡轮的效率直接取决于飞机的飞行速度,因此为了保证机炮的射速,装有火神吊舱的战斗机在开炮时,其飞行速度必须要大于650千米/小时。

尾声

最后顺便说一下,在1926年,德国科学家、风力发电的奠基人阿尔伯特·贝兹教授指出,在风中提取能量的最大理论效率可以达到59%,而目前的冲压空气涡轮系统远未达到这样的状态。我们的“小老鼠”还有很长的一段路要走呢。

作者:我爱飞机

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