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美国第五代战斗机F-22在研制中,曾发生过飞机的多余物,在发动机工作时,被发动机吸入,成为发动机的外来物,打伤了发动机的风扇叶片,不得不更换发动机,使F-22的首飞时间拖后。
所谓飞机的多余物是指飞机在生产的全部过程中,不应该残留在飞机中的那些由于生产的全部过程中产生的金属碎片,钻头、铆钉或铆钉头、螺钉与螺帽等,也称飞机的外来物。最近波音公司为美军研制的KC-46加油机成为困扰波音公司的丑闻之一,就是由于交付给空军的加油机中一些密封腔出现了大量的外来物,美国空军不得不拒绝接收应交付的飞机。
2019年1月25日,经过两年多的延误,首批18架的头两架KC-46加油机飞离位于西雅图埃弗雷特的波音公司潘恩机场,向美国空军交付。图1是波音公司在厂房内布置的交机仪式的场地。第一架KC-46飞抵位于堪萨斯州威奇托的麦康奈尔空军基地时,现场竟是一片欢呼声。
图2为第一架KC-46受到美国空军的欢迎仪式。美国空军第22空中加油联队指挥官乔希·奥尔森上校说:“对于美国空军和麦康康奈尔基地来说,这一刻足够载入史册,我们进入了一个新的时代。有了KC-46,麦康奈尔基地能接触到整个地球。”
但是,好景不长,当空军要将KC-46投入到正常的使用中时,却发现在飞机的一些封闭舱室中发现了大量外来物碎片,包括金属碎片,螺钉螺帽,更不可思议的是扳手工具等(图3)。
有这么多外来物的飞机怎么能上天,于是空军在2月20日拒绝接受后续该交付的飞机,4月2日空军再次声明拒绝接受波音的KC-46加油机,当天波音发表声明称:“解决这一问题是波音公司的第一个任务,波音致力于向美国空军提供没有一点异物碎片的飞机”。
波音公司对所有将要交付的KC-46都将进行严格的检查,寻找飞机上所有密封舱的外来物碎片,还将油箱排空,以便检查人员进入油箱寻找碎片。已经交付给美国空军的KC-46加油机,还得飞往波音公司的工厂接受检查。
在波音采取了这些措施后,2019年4月8日,美国空军负责采购、技术和后勤的助理部长威尔·罗珀表示,在受到外来物碎片问题影响,停止交付的波音KC-46加油机将重新开始交付。
波音公司交付给空军、含有大量外来物的KC-46,由于及时被空军发现,并未造成重大损失,但是,二十多年前的F-22却没这么幸运。
1996年12月,美国普惠公司将两台专为F-22研制的F119-PW-100带加力燃烧室的小涵道比涡轮风扇发动机(图4)发送到F-22的生产厂,掀开了F-22研制工作新的篇章,因为有了发动机,F-22才能夠上天进行漫长的试验飞行工作。
发动机装上飞机后于次年即1997年4月9日出厂,准备进行开车运行,以检查发动机在飞机上是否能正常工作,性能是不是满足要求,以及检验发动机与有关系统是否能正常协调工作等,这在飞机研制中是一个重要节点,受到各方面的关注。
当装在F-22的F119发动机第一次开车时,发动机工作正常,性能指标满足要求,与各系统匹配也很好,但是停车后对发动机进行仔细的检测时,却发现多个风扇叶片上有被外物打伤的痕迹。发动机开车前,已经对飞机停放处的四周特别是前方,进行了比较彻的清扫,因此打伤风扇叶片的外物不会是机场的砂石。
经过仔细检查与分析后,发现是飞机生产的全部过程中,遗留在机身内的一些多余物,当发动机工作时,成为发动机的外来物,被发动机吸入,撞向风扇叶片,击伤叶片。为此,只得换下被打伤的发动机,同时彻底清除机身内的多余物,这样就延误了原计划的飞机首飞日程。最后,首架F-22才在1997年9月7日进行了历史性的首飞,随后进行了长达八年的飞机的试验飞行,共有八架F-22参加试验飞行,图5示出了两架F-22进行飞行试验的情况,上面的那架为首飞的F-22。
在完成全部试验飞行后,2005年12月15日交付美国空军,F-22达到初步作战能力。2012年5月2日在美国空军接收了最后一架F-22后,生产厂终止了F-22的生产,并撤销了全部生产设施。在长达十几年的生产的全部过程中,共生产了195架F-22,其中8架为做试验飞行的,交付美国空军187架。
1997年,美国F-22首飞前的发动机在飞机上的第一次开车时,遭到飞机的多余物成为发动机的外来物打伤发动机,迫使F-22的首飞延期的事件。
早在上世纪50-60年代,西方国家的航空发动机均釆用大展弦比即窄弦的风扇、压气机工作叶片,而苏联的发动机都采用小展弦比即宽弦的工作叶片;但是到了70年代,西方国家研制的新的高性能涡轮风扇发动机中,均釆用了能经受外物打击的宽弦风扇叶片,而苏联在苏-27与米格-29所用的AL-31F与RD-33发动机却用了窄弦风扇工作叶片。为何会有这个转变呢?据说是苏联的克格勃起了很大作用。
由于AL-31F与RD-33发动机釆用了窄弦的风扇工作叶片,使这两型发动机的风扇叶片承受外物打击的能力特差,满足不了有关规范的要求,因此,只能在飞机设计上采取防外物进入发动机的措施。为此苏-27与米格-29战斗机中采用了世界上罕见的可操纵的阻挡装置,两型飞机采用了不同的设计。
苏-27在发动机进气口处,安装了随起落架收、放同步的可展开与收回的防尘网,即飞机起飞、着陆过程中,起落架放出时,防尘网伸出挡住进气口(图6),当飞机起飞后起落架收起时,防尘网收回(图7)。
这种可收、放的防尘网装置在现代飞机特别在高速战斗机中实属罕见,它不仅增加飞机重量与操纵性,影响发动机的正常工作,而且在防尘网已收回飞机爬升中,发动机仍能吸入飞鸟,造成风扇叶片被打坏的事件。
为防止外物进入发动机,米格-29飞机的每个进气口处,带有与起落架收放同步的一个气流铰接的挡板和三个在机身上部开的辅助进气口。起飞着陆起落架放下时,挡板放下,挡住主进气口,与此同时,辅助进气口向下打开,空气从辅助进气口的百叶窗形缝隙和887个小孔中进入进气道,在气流拐弯向下流时,借离心力将砂尘等外物甩出,同时缝隙与众多小孔也能阻挡稍大的外物进入发动机。
起落架收回时主进气口打开,气流正常地由主进气口进入发动机。与苏-27一样,当起落架收回飞机爬升中,发动机仍能吸进飞鸟打坏发动机,1989年巴黎航展时,第1次参展的米格-29在爬升至2000m高度时,左侧发动机吸进飞鸟引起停车,飞机失控坠毁,曾是当年在航空界引起轰动的事件。
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