军用反推力装置通用规范技术要素的确定

唐 伟 刘启国 汪 东

（1.中航工业综合技术研究所，北京 100028；2.沈阳发动机设计研究所，辽宁 沈阳 110015）

随着航空技术的发展，军用运输机的飞行速度和运载能力不断提高，起飞和着陆滑跑距离愈来愈长。为减小着陆滑跑距离和处理起飞/降落时遇到的各种紧急情况，现代军用运输机通常需要配备可靠而有效的减速装置。与机轮刹车、飞机气动减速相比，反推力装置减速具有可显著缩短飞机着陆滑跑距离，减速平稳，制动效果不因跑道湿滑而受影响，并可保持减速效率直至飞机速度为零，同时还可用于紧急停止滑跑起飞等优点。目前，反推力装置已成为大涵道比涡扇发动机的常备装置，具有重大的经济及军事效益。

反推力装置通用规范既是反推力装置研制、考核和验收的重要依据，又是确保其质量稳定性和降低研制风险的重要保障。在目前我国对军用发动机反推力装置研制需求极端迫切的背景下，系统地分析反推力装置的技术资料，确立其通用规范的技术要素和技术内容将对反推力装置的研制和考核具有深远意义。本文将从技术和标准两个维度探讨军用反推力装置通用规范技术要素的确定方法，以实现与GJB 241A-2010《航空涡轮喷气和涡轮风扇发动机通用规范》、GJB 2187-1994《飞机推进系统通用规范》等上层标准的对接和细化，达到国外先进标准技术水平，为我国军用航空发动机反推力装置通用规范的制定提供参考。

1 国内外发展现状

1.1 技术发展现状

经过半个多世纪的发展，国外已成功研制出抓斗式、叶栅式、折流板式等传统的反推力装置，无阻流器、机翼安装式等新型反推力装置也处于研究之中。20世纪50年代初，反推力装置首次出现，其结构形式为简单、笨重的抓斗式，主要用于军用战斗机，其目的是提高飞机的机动能力，例如采用涡喷发动机的“猎人”战斗机。随后，反推力装置逐渐应用于“彗星”、“快帆”、波音707等中小型民用客机。70年代以后，反推力装置开始广泛应用于波音、空客等大型民用客机。与军用战斗机相比，这些民用客机对反推力装置的性能、重量、安全性、可靠性以及与飞机/发动机的匹配性提出了更高的要求。80年代以前，反推力装置主要应用于涡喷发动机和小涵道比涡扇发动机，其结构形式多为抓斗式，反推力效率较低。80年代以后，反推力装置主要应用于大中型民用客机和军用运输机的大涵道比涡扇发动机，其结构形式多为叶栅式，具有集成度高、重量轻、可靠性高等优点，例如装备PW 2040涡扇发动机的C-17军用运输机。为进一步减轻重量，提高经济性，国外从90年代起开始转向研制可靠性更高、结构更紧凑、效率更高的新型反推力装置。

国内反推力装置的研制起步很晚，早期仅进行过数值模拟及模型试验等基础研究，对反推力装置的工程设计和试验技术掌握甚少。虽然近年来开始了叶栅式反推力装置的研制，取得了丰富的工程实践经验，但尚未完成一个完整的研制、考核和验收流程，仍存在部分关键技术尚需突破，而且其它结构类型反推力装置的研制还有待进一步发展。

1.2 标准发展现状

国外发动机通用规范、适航条例均对反推力装置提出了相关要求。以美军标航空发动机通用规范中反推力要求演变为例（见表1），美军在1951年颁布的MIL-E-5007A《航空涡喷发动机通用规范》（简称“5007A”，其余同）中，未提及反推力装置相关的任何要求，这是因为当时反推力技术还不成熟，反推力装置还没有得到应用。随着反推力装置的逐步应用，在美军1959年颁布的5007B中，已明确规定了发动机从最大推力状态和慢车状态向最大反推力状态的过渡时间。由于航空推进技术的飞速发展，在美军1965年颁布的5007C《航空涡喷和涡扇发动机通用规范》中，将发动机从慢车过渡到最大反推力的高度条件从5007B要求的6 000ft提高到了10 000ft。在美军随后颁布的5007D、5007E和5007F中，出现了反推力系统的概念，并对反推力装置打开/关闭时间、控制、寿命、安装界面、安全性等提出了要求。美军2004年颁布的JSSG 2007A《航空涡轮发动机》还对反推力效率、振动、锁定、指示等提出了要求。以上表明，反推力技术的发展和使用经验的积累，发动机通用规范中的反推力装置相关要求也在不断完善和进步。

在反推力装置行业标准方面，俄罗斯1982年发布的OCT1 01040《航空燃气涡轮发动机反推力装置通用技术要求》对反推力装置的结构，控制、锁定和信号系统，使用特性和标准、可靠性、使用条件、试验范围等提出非常详细的要求，可操作性较强。由于技术封锁等原因，尚未获得美国的反推力装置行业标准或企业标准。除此之外，FAR 33《航空发动机适航标准》、CS-E《发动机合格证规范》等适航条例也对反推力装置提出严格要求。

国内反推力装置的研制缺乏相关详细规范来指导和约束设计，目前仅在GJB 241-1987及其修订版GJB 241A-2010以及GJB 2187-1994和CCAR 33《航空发动机适航规定》中涉及到了反推力装置的顶层要求。由于这些发动机通用规范和适航条例分别参考了美国MIL-E-5007系列规范和FAR 33的技术内容，且仅是反推力装置研制和考核的顶层要求，尚需对这些发动机顶层标准中的反推力装置相关要求进行分解和细化，形成指导性、实用性更强的通用规范，才能满足型号研制和考核需求。

表1 美军标航空发动机通用规范中反推力装置相关要求的演变情况

2 技术要素的确定方法

为保证技术内容的全面性、准确性和协调性，宜从技术和标准两个维度来从相关资料中归纳、分解和提炼反推力装置通用规范的技术要素。具体思路如图1所示。

从技术层面看，首先应对标准化对象的结构形式及特点进行综合分析，获得不同结构类型反推力装置在连接界面、结构、气动布局、操纵性等要求上的异同点，以此确立通用规范的适用范围。其次，型号研制中的研制要求、型号规范、技术方案、设计要求、试验大纲等文件中的相关技术要求和试验数据均已通过工程验证，是确立反推力装置通用规范技术要素重要的和可靠的技术依据，利用标准化原理进行归纳和提取，最终获得通用规范的技术要素和技术要求。另外，发动机和飞机的设计手册作为型号研制的参考，这些手册中与反推力装置相关的内容具有一定的通用性，故它们也是通用规范技术要素的重要来源。最后，在确定通用规范的技术内容时，还须根据反推力装置在以往飞行中出现过的失效教训来对标准条文进行补充和优化。

从标准层面看，发动机顶层标准、反推力装置行业标准和企业标准对反推力装置的要求是逐级向下传递的，贯穿于要求输入到产品实现全过程。反推力装置通用规范应首先遵循GJB 241A-2010、GJB 2187-1994等发动机顶层标准的要求，避免不协调现象发生。其次，由于我国反推力装置研制起步较晚，相关研制经验和成果不够丰富，还未正式发布行业标准，无法对通用规范技术要素的确定提供参考。此时应充分借鉴国外反推力装置行业标准（例如OCT1 01040），并结合发动机型号反推力装置的实际研制经验来确定技术要素。最后，利用标准化原理对从技术和标准两个维度形成的技术要素进行综合集成，并根据GJB 0.2-2001《军用标准文件编制工作导则 第2部分：军用规范编写规定》的相关规定，形成军用发动机反推力装置通用规范的技术要素。

图1 军用反推力装置通用规范技术要素的确定思路

3 重点技术内容分析

根据上述方法，军用发动机反推力装置通用规范的技术要素包括性能、保障性、可靠性、维修性、环境适应性、运输性、材料、设计与结构、测试性、电磁兼容性、互换性、安全性、接口、尺寸、重量、颜色、标准零部件、标志和代号、外观质量等要素以及与之对应的验证要求。限于篇幅，本文仅对性能、环境适应性、可靠性、维修性、安全性等重点技术要求以及零部件专项试验、与发动机匹配试验、高空台试验、飞行试验等重点试验进行分析。

3.1 重点技术要求

3.1.1 性能

在工作包线范围内，反推力装置应能在正常着陆、危急着陆和中断起飞条件下使用。在正常着陆条件下，反推力装置通常仅使用到规定的飞机临界滑跑速度。若小于此速度，则发动机可能会因吸入反推气流而出现不稳定工作现象，同时还可能吸入地面砂石等异物而损伤叶片。在危急着陆和中断起飞条件下，反推力装置应具有可使用到飞机完全停住为止的能力，只要发动机的喘振不造成飞机和人员的极端危险情况，则可以使用到飞机速度为零。

由于反推力装置是飞机和发动机的可选装置，要求与发动机和飞机之间具有良好的匹配性，对发动机和飞机的气动、结构、操纵等影响最小。另外，为保证反推力装置的结构完整性，还须对反推力装置使用寿命、强度等提出要求。综上所述，通用规范应对反推力装置的最大反推力、反推力效率、打开/关闭时间、推力瞬变时间、最大连续工作时间、临界滑跑速度、发动机性能（推力、耗油率）损失限制值、气动稳定性裕度（低压转子共同工作线偏移系数、风扇后总压脉动值）、寿命、静强度安全系数等指标提出要求。

3.1.2 环境适应性

对于军用运输机，反推力装置一般安装在发动机短舱上，其结构和子系统面临各种大气环境和使用环境。研制时，如果未考虑到这些环境条件的严酷性及其对反推力装置可能产生的影响，那么可能出现设计盲区，导致设计缺陷，严重影响反推力装置的使用寿命、可靠性和安全性，因此须根据GJB 150A-2009《军用装备实验室环境试验方法》的规定，针对反推力装置在使用、运输、贮存过程中可能遭遇的自然环境和诱发环境，提出高温、低温、温度冲击、淋雨、湿热、霉菌、盐雾、砂尘、加速度、振动、冲击等环境适应性要求。

3.1.3 可靠性

反推力装置发生故障、构件损伤或断裂、控制系统发生故障和附件失灵都不允许破坏发动机的工作能力。为提高反推力装置的可靠性，在设计过程中应尽量采用成熟技术，严格控制新技术和新材料的应用比例。同时，应按照GJB 450A-2004《装备可靠性工作通用要求》的规定开展可靠性工作，并以整个研制过程中的相关数据进行可靠性统计和评估。通用规范应对反推力装置设计定型时和成熟期的平均故障间隔时间（MTBF）等指标提出要求。

3.1.4 维修性

维修性与反推力装置的经济性直接相关，从设计开始就应该考虑反推力装置的维修性要求。原则上，反推力装置应设计成单元体，在不需要过多地拆卸自身构件的条件下，就能将反推力装置从发动机或飞机上安装或拆卸。为便于维修，还应设置专门的观察孔或舱口，以便对负载严重的零件进行检查，同时还应该将易更换的附件置于维修人员易接近的位置。通用规范应对反推力装置的每飞行小时直接维修工时、平均修复时间（MTTR）、外场可更换组件平均更换时间等指标提出要求。

3.1.5 安全性

运动机构断裂、控制系统附件失灵等都可能引起反推力装置失效，导致灾难性事故。其中，最严重的失效是着陆时需要打开而未能打开，在空中飞行时不需要打开而意外打开。例如，2006年俄罗斯西伯利亚航空公司一架A310-300双发客机着陆时，由于左侧发动机反推力装置未能打开而冲出跑道撞毁；1991年奥地利劳达航空公司一架波音-767客机在空中巡航时，由于一号发动机反推力装置意外打开而引起飞机空中解体爆炸。因此，研制时，应按规定开展安全性设计、分析与评估，从反推力装置的结构、控制等方面的安全性提出要求，并对各类故障发生的概率提出定量要求。

3.2 重点试验项目

3.2.1 零部件专项试验

在反推力装置研制初期，需进行大量的零部件专项试验，以考核反推力装置的功能、性能、强度、寿命、安全性是否满足研制要求。通用规范应对机构运动和锁定功能试验、静力试验、循环加载试验、驱动功率试验等试验提出要求。

3.2.2 与发动机匹配试验

反推力装置零部件的性能、功能满足要求后，需在发动机真实环境下对整个反推力装置的功能、性能、强度、寿命、安全性、可靠性等进行考核，验证零部件之间工作的协调性以及反推力装置与发动机之间的匹配性。通用规范应对整机环境功能试验、整机环境性能试验、气动稳定影响试验、台架状态温度应力测量、正推力状态试车、推力瞬变试车、持久试验、模拟故障试验等试验提出要求。

3.2.3 高空台试验

为确保反推力装置在空中飞行时对发动机的性能影响最小，要求在模拟高空真实环境下随发动机整机一起对反推力装置进行高空台试验，验证反推力装置在高空条件下与发动机的匹配性（推力损失、耗油率增加）是否满足要求。

3.2.4 飞行试验

通过所有地面试验后，还需在真实飞行环境以及飞机和发动机的安装环境中对反推力装置的性能、功能、结构强度、安全性、可靠性等进行考核，验证最终使用效果是否满足研制要求。通用规范应对功能试验、匹配性试验、临界滑跑速度试验、效率对比试验等试验提出要求。

4 结论

反推力装置是军用运输机发动机的常备装置，通用规范对其研制和考核至关重要。本文基于反推力装置国内外技术和标准发展现状的分析，军用反推力装置通用规范技术要素确定方法的探讨及重点技术内容的分析，认为应基于技术和标准两个维度来确定军用反推力装置通用规范的技术要素，从发动机顶层标准，反推力装置行业标准、企业标准以及型号研制经验、技术手册、失效教训等资料中提取技术要素，利用标准化原理对这些技术要素进行综合集成，形成协调、科学、适用的军用反推力装置通用规范，满足发动机型号反推力装置研制的需求。