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是誰推動舵面運動

時間:2019年07月24日   來源:大飛機報
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  飛機在高空中飛行憑借舵面和機身后面的水平尾翼、垂直尾翼上形態各異的舵面偏轉,達到快速靈活地起降和飛機姿態瞬息變化的效果。可是,你知道舵面偏轉及運動是誰推動的嗎?

  舵面運動的動力

  飛機飛行時,強大的空氣動力作用在機翼上的氣動力可分為升力、與升力方向垂直的切向力及側向力。其中,氣流沿舵面表面運動的力為切向力。倘若提供一個大于切向力與舵面轉軸半徑之長相乘的動力矩,舵面就會繞其轉軸產生偏轉,舵面就開始運動了。由于舵面偏轉角度不大,又因為一般切向力遠小于升力。這樣,早期的飛機以及現代的小型通用飛機中,舵面運動僅靠飛行員的手力,就能操縱飛機的縱向和橫向運動,用腳蹬力就能從容地控制飛機航向運動。

  隨著后來的飛機越來越大、飛得越來越快,舵面的面積也越來越大,作用在舵面上的切向力大到飛行員單靠手和腳的力量操縱飛機變得無能為力了。于是,飛機上出現了由體積小、重量輕的電機或電動馬達來驅動舵面運動。但這類電機、電馬達轉速太高,遠大于舵面偏轉的每分鐘不到1轉的極低速,故必須在它們與舵面之間,配置高傳動比的齒輪箱或傳動機構。這種電傳動式至今在中、小型飛機上廣為應用,如我國支線飛機ARJ21、加拿大CRJ及巴西ERJ系列支線客機。

  然而,現代飛機特別是中、大型客機和運輸機,80%以上的飛機舵面均采用形式多樣的液壓作動器、液壓馬達驅動。液壓動力既可提供更大的驅動力矩,也可以是很小的力矩,還能使輸出的轉速很低,適合于舵面的低速運動,也能非常方便地通過改變作動器兩腔壓力迅速改變運動方向。

  除了液壓作動器、液壓馬達之外,專為液壓作動器、液壓馬達自動控制速度方向的電液伺服控制技術也越來越成熟,目前已廣泛應用在飛機上,并與飛行控制計算機完美結合在一起,實現了當代先進的電傳控制與驅動。

  近些年來,伴隨一種“全電傳動”新慨念的興起,新型的電動作動器以及大功率電馬達在A380巨型客機上嶄露頭角,預示著它們很可能成為取代液壓驅動的新趨勢。

  不論過去和現在,不論飛機舵面電動驅動還是液動驅動,為它們提供動力的都是來自飛機上的發動機。發動機是推動飛機前進、完成飛機起降不可或缺的動力和飛機最重要的核心部件。但很少知曉它還是驅動舵面運動的最大功臣。通常,飛機上發動機驅動兩臺液壓泵和一臺電動泵形成現代飛機普遍采用的3套液壓能源系統。它們分別用來高效而安全地驅動全機幾十塊舵面及起落架、反推力裝置的收放。

  除了飛行員操縱和發動機提供的液壓和電力驅動舵面運動之外,還有一種奇妙的舵面運動動力——氣動力。它非常巧妙地利用飛機前進時氣流產生的氣動力帶動舵面運動。我國首架自主研制的運-10飛機,有兩塊面積頗大并能繞轉軸偏轉的升降舵,在其后緣還設計有一塊小巧而狹長條狀的操縱調整片。駕駛員只需輕松操縱這小小調整片向上或下偏轉,調整片便立即繞它轉軸產生一個氣動力矩,這個氣動力矩因距升降舵轉軸很長,足以對“大塊頭”的升降舵產生一個與調整片方向相反的力矩并使其轉動,從而實現飛機縱向姿態控制和機動飛行。目前,這種既不耗費發動機能量又能操縱舵面運動巧妙的方式在一些支線客機和通用小飛機上還能見到它的身影。

  當代的現代客機上,常能見到一種別樣的沖壓空氣渦輪泵。它平時藏于前起落架艙內。當飛行中,一旦所有發動機同時出現故障能源枯竭,飛機處于危險之時,駕駛員只需手動操作機械鋼索線系上的“上位鎖”開關,起落架憑借自身重量迅速放下,此時的沖壓空氣渦輪泵也隨之下移,并出手不凡,對準飛機前方的飛行氣流沖擊,它那形似電風扇的渦輪葉片便快速轉動,產生不小的電能,通過使用一個小的電動機來驅動例如升降機、方向舵、副翼、襟翼等關鍵的飛行舵面運動。盡管驅動舵面的速度常常降到很低,但贏得了寶貴的時間,駕駛員能夠有時間操縱飛機迫降,化險為夷。

  舵面運動的傳動機構

  舵面的運動離不開驅動的動力,但也少不了驅動舵面的傳動機構。飛機上多達20多塊舵面,由于它們各自承擔的職責、運動的方式、運動偏角大小不同,特別是它們繞轉軸偏轉的半徑長度的不同帶來了舵面運動形式的多樣化,使得舵面運動的傳動機構各不相同,復雜程度不一。所有的舵面都是繞其轉軸運動的,像升降舵、副翼和方向舵的轉軸通常連接在它們前面的水平安定面、機翼和垂直安定面上,轉軸半徑都不長,大都采用液壓作動器。聽令于液電伺服閥電信號的指揮,其活塞桿時而伸出和縮進直接驅動舵面上下左右運動;作動器的另一端則連接在固定翼上,且作動器還可隨舵面一起轉動。

  位于機尾、面積碩大并整體可上下偏轉的水平安定面,其轉軸固定在機身內,轉軸半徑長達1米以上,不適宜采用液壓作動器,否則活塞桿太長。取代它的是一種純機械細長型的滾珠絲桿副,它主要由固接在舵面支架上的滾珠螺母、和與電機或液壓馬達相連的滾珠絲桿,以及螺母與絲桿之間的鋼球組成。當電機或馬達帶動滾珠絲桿轉動時,借助鋼球,將旋轉運動轉換為螺母的直線反復運動,從而推動水平安定面向上、向下緩慢地轉動。就像千斤頂那樣,它可驅動巨大的、重載幾十噸的水平安定面運動自如。不僅傳載大,而且因為運動時滾動摩擦力很小,機械傳動效率可高達95%以上,被廣譽為舵面傳動的佼佼者。當今大量飛機都采用了這項技術。此外,滾珠絲桿副采用高強度的合金鋼材料和高精密磨削加工完善的熱處理工藝,它的使用壽命與飛機同樣長,幾乎自始至終無需更換。更令人欣喜的是,發揮滾珠絲桿導程短又傳動精度高的優勢,非常適合于飛機上對稱的多舵面的襟翼和縫翼的傳動,精準完成飛機上難度極高的舵面同步運動。

  都說好事多磨,滾珠絲桿副舵面傳動機構由于傳動效率太高太好,當飛行時舵面上只要有氣動載荷作用,同樣會引起滾珠絲桿的反向轉動,舵面隨之偏轉,即稱之為舵面不能自鎖,或舵面不能停在預定的位置上,這種“不可控”狀態能導致嚴重后果。為此,在與滾珠絲桿相連的傳動齒輪箱內,除有大減速比的渦輪-渦桿、一對垂直變向錐齒輪外,還有一套極為復雜的棘輪-棘爪、摩擦片等的制鎖機構。它確保了氣動載荷對舵面的力,不論是壓力還是吸力時都能鎖定舵面紋絲不動。

  現代大中型飛機中,為提高襟翼增升氣動效率,舵面均采用了先進的“直線-圓弧形”運動滑軌,勢必帶來了舵面作動器的運動行程與舵面偏角呈非線性變化。這使高精度、勻速轉動的滾珠絲桿副毫無用武之地。于是,在諸如波音787、空客A380及C919等飛機上,均采用“旋轉作動器+ 復雜的空間四連桿機構”的傳動模式。旋轉作動器中,有多套環環相扣的行星齒輪系,它們不僅輸出-輸入傳動比大到100:1之上,還需承擔相當大的扭矩載荷,傳動效率高。

  空間四連桿機構起到運動軌跡變化、運動協調、載荷傳遞等功效外,還常常承擔襟翼整流罩與襟翼協調一致地打開、放下或收上的運動。這種傳動機構的設計需要創新和靈感,計算難度大,制造、安裝必須精準,一直被視之為襟翼運動設計的最大難題之一。

  常見的舵面傳動機構還有形式多樣、結構十分復雜的齒輪箱。像近年來應用在前緣縫翼上的齒輪-齒條裝置。它設計非常巧妙,既包括多級行星齒輪組合,又有防舵面逆轉的摩擦片制動機構。難能可貴的是,它外形小巧,特別適宜放置在機翼最外端空間狹小的翼肋后緣,并能與小小的圓弧形齒條完成工作配合,共同驅動舵面同步做圓錐運動,著實讓人贊嘆不已。如今,它們越來越多地應用在商用飛機上。

  舵面運動與提升飛機的性能和安全密切相關。現代客機更關注降低舵面運動的能耗和提高運動效率,而如何去創新、優化舵面傳動機構,這將是飛機未來發展的新趨勢。 (黃建國)

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