飞机上的小老鼠:冲压空气涡轮

万磁王

作者：刑强 小火箭


　　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）。

飞机上的小老鼠:冲压空气涡轮

　　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。

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飞机上的小老鼠: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。

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　　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。

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　　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。

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　　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。

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飞机上的小老鼠:冲压空气涡轮

飞机上的小老鼠:冲压空气涡轮

　　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。

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飞机上的小老鼠:冲压空气涡轮

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　　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。

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　　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。

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　　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。

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　　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。