第一推动力：发动机起动系统的原理、限制和操作
宇宙的起源是怎么样的？我们用一篇小短文讲不清楚。但是发动机的“第一推动力”并不难理解。
01
起动机的工作原理
发动机起动系统的执行部件是起动机和起动活门。我们从起动机讲起。起动机是气体驱动的。ATS也是它的缩写，全称是“空气涡轮起动机”（air turbine starter）。
图片展示了CFM56-5B起动系统的执行部件。携带着“第一推动力”的高压空气，沿着管道从发动机吊架区域向下，绕着风扇机匣走了半圈，像吹动风车磨坊（willmill）一样，使起动机内部的“涡轮”转动起来，而涡轮通过齿轮机构把动力进一步交给输出轴。输出轴则嵌入了附件齿轮箱，通过它内部的齿轮链带动了发动机转子。省略掉冗长的动力传递过程，我们可以说：高压空气带动了发动机转子。
所谓“涡轮”（turbine），外观和风扇相似。区别在于：风扇接收其他部件的机械能，生产出空气的动能；而涡轮接收高速空气的动能，生产出用于驱动其他部件的机械能。
在磨坊里，风被用于制造面粉；在起动机里，风被用于驱动发动机转子。高速空气冲击起动机进口处的涡轮，带动内部的一系列齿轮和其他机械部件，最终通过一根输出轴带动“附件齿轮箱”和整个高压（N2）转子。当转速达到一个特定的值，还需要将起动机的主要部分（涡轮端）与输出轴脱开，仅保留输出轴与附件齿轮箱的连接，因此起动机内部还有“离合装置”。
02
起动机的使用限制
所有这些高速转动的机械部件都在快速地产生热量，为此，涡轮内部有轴承和滑油。这是否让人想起了发动机滑油系统？事实上， 起动机的滑油不属于发动机滑油系统，这些滑油独立封装在起动机内部，因此需要独立的定期检查和视情勤务。
发动机滑油是热量的搬运工，通常和较冷的燃油和空气接触，完成热交换。被加热了的燃油仍然用于燃烧或者被回收到燃油箱（A320）；较冷的空气来自风扇涵道，从ACOC（气冷滑油冷却器）带走滑油的热量以后，再从风扇整流罩上的开口排出（V2500）。
同样搬运了热量的起动机滑油，却与这些冷却方式无缘。如果驱动起动机的空气来自空调组件那可就太好了，实际上大多数时候却是直接来自APU或对侧发动机的引气，因此温度高达150℃以上。以至于在起动之初，当转子还无动于衷的时候，从发动机底部逸出的起动机空气就常常让发动机显得“火气很大”，那可是滚烫的热浪啊！
这样的热空气进一步恶化了起动机的运行条件。 迄今为止，发动机制造商们都没有真正解决起动机的冷却问题。完全可以这么说：起动机滑油的冷却方式是——自然冷却。
好在起动机每次运转都只需要非常短的时间。如果确实需要连续多次运转，那么请遵循使用限制。仔细想想，给出使用限制，也算是间接地“解决”了问题。
为了描述起动机的使用限制，手册使用了“循环”这个词。和我们可能想当然的不一样，一个循环并不意味着起动活门的一次打开和一次关闭。 FCOM在限制部分给出了定义（LIM-ENG）：一次标准的自动起动，被认为是一个循环；对于CFM56-5B，它最多包含了3次起动尝试（start attempt）。
大多数时候，自动起动的确是“一把”成功的，但如果进行第2或第3次自动尝试，起动活门有可能会有多次关闭和打开的动作，因此它的状态不适合作为唯一的标志。参照自动起动的程序可以知道，一个循环开始的标志应该是把主电门设置到ON（起动活门第一次打开），结束的标志要应该是起动活门的最后一次关闭，此时N2达到了50%。在这期间，起动机始终在运转；在这之后，起动机脱开。如果扩展到人工起动和起动活门超控程序，可以参考下面的表格来判别正常情况下一个起动循环的开始和结束。
| 开始 | 结束 | |
| 自动起动 | 主电门ON、 SD页活门开 | N2=50%、 SD页活门关 |
| 人工起动 | 人工起动电门ON、 SD页活门开 | N2=50%、 SD页活门关 |
| 起动活门超控 | 人工开、 SD页活门开 | 人工关、 SD页活门关 |
无论是自动起动还是人工起动，在两个连续的循环之间，都要等待20秒钟；而在连续4个循环之后，应当等待15分钟。FCOM的措辞是“4个失败的循环”，但是这个限制其实不限于“失败的循环”，即使对于“成功的循环”，同样需要有15分钟的间隔。更完整的起动机使用限制见于AMM，它既适用于飞行操作也适用于维修操作。
那么“失败的循环”又应该以什么作为结束的标志呢？起动机的实际停止运转，与起动活门关闭是直接相关的，因此起动活门的最后一次关闭可以是一个主要的依据，N2作为次要的依据。无论以什么为依据，最根本的是：确保起动机已经停止运转，并有足够的时间来充分冷却下来。
当然了，在实际运行中，我们不必去盯着SD页面掐秒表。无论何种起动程序，也无论成功与否，一旦需要再次使用起动机，都建议充分地等待。厂家给出使用限制，只是表明了系统的最大性能，我们作为用户，应该保留裕度，而不要常在河边走。
03
起动活门的保留问题
对于CFM56-5B，N2达到50%是可以放心撤除气源动力的状态。事件的序列是这样的：首先转子实现“自维持”，而后起动机“脱开”，最后通过关闭起动活门来撤除气源动力。
在起动之初，转子完全由起动机驱动。在点火和供油（N2=22%）之后，燃烧室输出的高速燃气也参与进来，两股气体在不同的部位协作，共同带动转子。当N2达到30-40%之间，燃气提供的动力已经足以独立保持转子的加速，这就是说“自维持”已经建立起来。再经过短暂的陪跑，起动机就完成了作为第一推动力的使命，它将自行脱开，由燃烧室完全接管转子。
脱开，是指起动机内部的离合装置发挥作用，使涡轮端与输出轴脱开。脱开以后，输出轴与附件齿轮箱保持连接，因此起动机的这部分反过来被N2转子所驱动；而通过关闭起动活门、去除气源动力，脱开了的涡轮端部分将停止转动。如果起动机无法脱开，将发生“起动机断轴” 。
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而如果起动活门无法关闭，气源动力使涡轮端高速空转，起动机内部将很快会因为过热而损坏。如果起动活门在空中没有保持在关闭位，引气也持续地将从起动机的出气口泄露，造成发动机功率的损失，也影响其他引气用户的工作，操作程序要求关闭本侧引气，并关闭交输活门，于是进一步的后果是无法使用本侧的大翼防冰。
由于这些原因，MEL不允许起动活门被保留在打开状态；如果起动活门的指示不正常，在起动完成以后，还要求人工检查确认起动活门在关闭状态。
04
起动活门的正常操作和超控
对于A320，以CFM56-5B为例，正常情况下，FADEC控制着起动活门的打开和关闭。在关闭状态，当主电门放到ON位，FADEC发出一个电信号，解锁了起动活门上的一个“电磁线圈”，从而引气可以通过一个气动作动筒来打开活门；这好比说FADEC在楼上按了远程解锁，引气在楼下自己就可以推开大门。当N2达到50%，FADEC移除电信号，起动作动筒在内部弹簧的作用下自动关闭。这个过程被描述为“电控气动”（electrically controlled and pneumatically operated）。
如果起动活门的正常操作失效了，使用“起动活门超控”程序。注意，在这个程序中，FADEC除了不再控制起动活门之外，它的表现与自动起动没有差别；因此尽管这个程序更加耗费人力，但从原理上看，它更接近于自动起动，而非人工起动。它和自动起动的区别，在于如何实现起动活门的打开和关闭。
| 顺序 | N2 | 正常 | 超控 |
| 模式电门=IGN/START主电门=ON | |||
| 起动活门开 | 0 | 指令：FADEC执行：电磁线圈+作动筒 | 指令：驾驶舱人员执行：地面人员 |
| 模式电门=IGN/START主电门=ON | |||
| 点火 | 16% | FADEC | FADEC |
| 供油 | 22% | FADEC | FADEC |
| 起动活门关 | 50% | 指令：FADEC执行：电磁线圈+作动筒 | 指令：驾驶舱人员执行：地面人员 |
在这个程序中，驾驶舱里的机组或试车人员客串了FADEC的角色；而地面人员扮演了“电磁线圈+作动筒”。
超控起动活门，是离运转中的发动机距离最近的一项工作。兄弟们务必要非常熟悉安全通道，严格遵守各项安全规定啊……
05
小结
本文简要介绍了起动机的工作原理、起动的使用限制、起动活门的保留问题、起动活门的正常操作和超控。
参考资料
- A320 FCOM AMM TTM
- 维修基础执照教材《航空涡轮发动机》
本文转载自公众号：硬核航空
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