飞机上的小老鼠:冲压空气涡轮
2016-03-04 17:15:15 刑强 小火箭微信公众号 10 大字
　　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。它的英文缩写为RAT，而它的中文学名却并不叫“老鼠”。它平时默默无闻，而关键时刻却能够拯救数百人的性命。它就是冲压空气涡轮（英文名 Ram Air Turbine，在飞行手册中通常缩写为RAT）。

　　冲压空气涡轮是飞机应急电力和液压系统的重要组成部分。它主要由2到4片中等长度的叶片构成（也有一些由6到10片小尺寸的叶片构成），乍看起来和一般螺旋桨的区别不大。图为空客A300-600上面装备的冲压空气涡轮。

　　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”）。图片为空客A300-600上面装备的冲压空气涡轮的叶片。

　　在民航飞机上，冲压空气涡轮（RAT）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拥有世界上最大的冲压空气涡轮，其直径为1.63米，已经能够和轻型飞机的主发动机螺旋桨相提并论了，是一只“大老鼠”。图为A380的RAT。

　　RAT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，RAT系统便成了飞机在浩瀚天空的最后一根稻草。在这样的危机时刻，冲压空气涡轮会自动（或提前手动）弹出，像风车一样被飞机前方吹来的气流吹动从而带动发动机或者小型液压泵工作，为飞机提供基本的电力供应和基本的液压供应。这些宝贵的电力用以维持几台必要的仪表，略显不足的液压用以维持基本操纵面（方向舵、升降舵）的控制。在正常工作状态下，RAT叶片能够以5000到7000转每分钟的速度旋转，为飞机提供5到70千瓦的电力并为起落架系统提供液压动力。不过，RAT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。

　　不过，在有些情况下，RAT会始终工作着，为飞机提供额外的液压和电力供应。比如这架在1960年7月1日飞往Waddington途中的XH558就全程开启着RAT。（图中左侧进气口下方的黑色的物体就是XH558的RAT外露部分。）
　　近几年人们对民航客机的试飞关注较多，几起传奇性的空中飞行事故也吸引了人们的目光，于是深居简出的“小老鼠”逐渐为人所知。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了。

　　在1913年，俄国的Ilya Muromets S-22飞机首飞成功。这款飞机在第一次世界大战期间以重型轰炸机而闻名于世。而在战争爆发之前，该款飞机是作为一款豪华航空沙龙用机来运营的。S-22为了提高旅客的舒适度而做了很多创新，包括当时较为先进的座椅和世界上第一个安装在飞机上的洗手间。为了抵御高空的严寒，该机使两台发动机的排气管道穿过客舱后再排出废气，利用灼热的废气来加热舱体（空中暖气片）。而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的实用主义设计理念一起搬到了天上，造就了现代RAT系统的雏形。不过，那时的飞机还远未形成“全电飞机”的模式，早期的风力发电装置成了客舱电力的重要来源。或许当时设计出这一系统的发明家不会想到，几十年后，这个为了能让阔太太们在天上阅读书刊而显出淑女形象的装置会成为民航班机的应急备用系统的一部分吧！
　　在第一次世界大战期间，飞机得到了快速发展。而冲压空气涡轮的地位没有太大改变。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。早期的飞机电气系统采用的是低压直流电。功率等于电压与电流的乘积。因此，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壳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邮件）、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。上图为LZ127“齐柏林伯爵”号齐柏林飞艇。注意其飞行控制吊舱侧面的小型风力发电机。

　　二战前最为出名的轰炸机之一——德哈维兰DH-4上也采用了两台冲压空气涡轮来提供电力。

　　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不可忽略了。越来越多的设计师打起了“小老鼠”的主意。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。

　　不过，不甘心的“小老鼠”在1944年来了一次“最后的疯狂”。在纳粹德国设计生产的时速达到1123km/h的世界上唯一一款服役的全火箭动力的战斗机——梅塞施密特 Me-163 “彗星”上，“小老鼠”占据了最显赫的位置——飞机的机头顶端（对于单发螺旋桨飞机而言，三十年来，这一位置一直被螺旋桨或机炮霸占着），担任了很重要的任务——为全机提供电力供应（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）。位于Me-163鼻子尖位置的短小的两个叶片使短粗的Me-163越发显得可爱。图中副翼和方向舵上的红色小块儿是用来在地面上限制舵面乱动的，飞行前得注意取掉。
　　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RAT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，RAT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。图中的RAT在XF-84H的机身后部探出了头。

　　“小老鼠”们深居简出的风格使很多人都不知道在F-4、F-5、F-104、A-6乃至鹞式这些名机中都有它们的存在。图为Saab-35 龙 战斗机上弹出的冲压空气涡轮。

　　F-104的RAT的口盖。

　　F-105的上面的RAT，采用较为特殊的多叶片设计。

　　但是说起多叶片RAT，德哈维兰的海毒液算是真正的深谙此道了。

　　狂风战斗机上的RAT

　　随着机载蓄电池和辅助电源系统的成熟，RAT的发展开始进入低谷期。美国空军甚至在F-4E鬼怪战斗机上尝试取消RAT，把“小老鼠”赶下了飞机，而随后发现飞机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。图为F-4战斗机上的RAT。

　　世界上第一款采用可收放RAT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RAT，一个用来提供应急电力（右边那个），一个用来提供应急液压（左边这个）。几十年来，“小老鼠”一直在默默守卫着民航客机的安全，少为人知。

　　然而在1983年7月23日这一天，它大放异彩，拯救了全机69人的性命。这便是著名的“基米尼滑翔机”事件。这一天，一架从蒙特利尔经渥太华飞往埃德蒙顿的波音767，因机员采用了人工计算方式，高估了机内的燃料剩余量（机务人员使用英制单位，而客机测量设备为公制，导致了机务人员将9144公斤的燃油当作了20400公斤，飞机携带的燃油不足需用量的一半）。飞机在用光燃料后在空中熄火，失去了动力（没有了强大的涡轮风扇发动机的动力，飞机上的机械力、电力、液压力都失去了主要来源）。关键时刻，飞机上的RAT系统自动启动，维持了三个后备仪表的工作和最基本的电力供应。机组人员依靠冲压空气涡轮的电力获取了高度和空速等信息，驾驶飞机降落到了一个废弃的空军基地，机上人员全部生还。该机由此打破了民航飞机的滑翔距离世界纪录（燃料用尽后，该机滑翔了17分钟，飞过了50公里）。上图为退役后封存在美国加州莫哈维机场内的“基米尼滑翔机”，该机的机身已换上了新版的加拿大航空涂装。

　　该纪录在2001年8月24日被一架空客A330打破。当天，飞行员发现了油箱漏油的警报，于是他打开了飞机两侧油箱的转换阀，试图将燃油导向不漏的油箱。可惜，他打反了转换阀的方向，所有的燃油都被导向了泄露的油箱，最终全机47.9吨燃油和5.5吨备用燃油全部耗尽，而此时飞机距离预定的迫降地点还有217公里。于是英勇的“小老鼠”又跳了出来。它产生的电力维持着几个不可或缺的仪表的工作，最终引导飞机成功迫降，使得机上306人全部生还。上图就是那架A330-200 C-GITS 。

　　两起有惊无险的飞行事故都显示了“小老鼠”的重要性。在《波音767使用手册》中有RAT系统的较详细说明：
　　冲压空气涡轮 (RAT)
　　当冲压空气涡轮放出时，即向中央液压系统的飞行操纵部件提供液压动力。在飞行中，当双发失效时，冲压空气涡轮会自动放出。在地面，冲压空气涡轮的自动打开受到抑制。
　　按压冲压空气涡轮 (RAM AIR TURB)按钮，可人工放出冲压空气涡轮。当冲压空气涡轮没有存放好并锁定时，开锁灯亮并显示 EICAS 咨询信息—— 冲压空气涡轮开锁(RAT UNLOCKED)。一旦冲压空气涡轮产生压力，冲压空气涡轮压力 (PRESS)指示灯亮。如果冲压空气涡轮(RAM AIR TURB)是仅有的中央系统压力源，系统压力(SYS PRESS) 指示灯保持亮。在空中，冲压空气涡轮一旦放出，就不能再使其复位……
　　上图为波音767的RAT。

　　RAT不仅为飞机提供应急电源，也提供应急液压动力，本文以A320客机为例，绘制了RAT系统在全机液压系统中的位置（点击上图可查看大图）。该机的液压系统由三个相互独立的液压源提供动力，分别以绿、蓝和黄三种颜色来表示。这就是技术人员常说的“绿系统”、“黄系统”等术语的来源。在正常状态下，黄系统和绿系统由发动机驱动泵（EDP）提供动力，蓝系统由电动泵（EMP）提供动力。在主发动机失去动力造成系统压力降低的时候，优先阀门将切断液压负载大户（缝翼、襟翼等）的压力供应，保证高优先级的舵面（如升降舵、方向舵等）的压力供应。同时，安装于机腹整流罩的左侧内部的冲压空气涡轮探出，为飞行控制系统提供动力，并通过恒速发电机系统产生电力。当双发出现故障或者一台发动机故障而另一条发动机的发电机部分出现故障时，如果飞机的飞行速度满足要求，则RAT会自动探出机舱。RAT也可以由机组人员人工操纵打开，不过一旦RAT探出舱口则只能在飞机降落到地面上的时候才能将其收回。

　　波音787也安装有RAT系统。该机有两台主发动机。在正常情况下，全机电力由左侧发动机提供。右侧发动机的发电机和辅助电力单元作为备用，而当两个发动机均失去动力时，RAT应急系统会弹出冲压空气涡轮并为飞机提供115V，400Hz的交流电，使机组人员能够始终有效地获得安全着陆需要的信息和操纵飞机舵面的动力。全日空的这架787弹出了RAT，我们能够看到它的RAT在机腹靠后的部位。

　　对RAT系统的检测已成为新型客机投入运营前的一项重要工作。以空客A380飞机为例，从2005年4月底，该机开始进入系列飞行测试阶段。而首批测试包括飞行特性和飞行包线等内容。在飞行特性中的安全校核部分，起落架的放下、发动机的空中再点火和冲压空气涡轮的伸出是其中三项关键内容。我国对RAT系统的研究和应用也已具备了一定水平。国产ARJ21-700飞机的第101架机已完成了RAT空中释放试验。这是国产客机首次安装RAT系统，并首次实现了成功释放，为我国民用飞机的发展迈出了坚实的一步。
　　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RAT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强大的发动机产生电力，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该机的累赘）。

　　EA-6B“徘徊者”是美国格鲁曼公司研制的舰载电子战飞机，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同时携带五个外挂电子干扰吊舱，一个在机腹下，四个在机翼下。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RAT的身影。在机炮射击前，RAT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650km/h。

　　在1926年，Albert Betz教授指出，在风中提取能量的最大理论效率可以达到16/27（约59%），而目前的RAT系统还未能达到这样的状态。我们的“小老鼠”还有很长的一段路要走。上图为Albert Betz定理的简略证明。

　　CL-600的RAT在藏在机头里。

　　A380的RAT平时藏在这个红圈标示的位置里。

　　汉莎航空的一架A380弹出了RAT。

　　波音757的RAT