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航空小知识

是谁推动舵面运动

时间:2019年07月24日   来源:大飞机报
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视觉中国供图

 

  飞机在高空中飞行凭借舵面和机身后面的水平尾翼、垂直尾翼上形态各异的舵面偏转,达到快速灵活地起降和飞机姿态瞬息变化的效果。可是,你知道舵面偏转及运动是谁推动的吗?

  舵面运动的动力

  飞机飞行时,强大的空气动力作用在机翼上的气动力可分为升力、与升力方向垂直的切向力及侧向力。其中,气流沿舵面表面运动的力为切向力。倘若提供一个大于切向力与舵面转轴半径之长相乘的动力矩,舵面就会绕其转轴产生偏转,舵面就开始运动了。由于舵面偏转角度不大,又因为一般切向力远小于升力。这样,早期的飞机以及现代的小型通用飞机中,舵面运动仅靠飞行员的手力,就能操纵飞机的纵向和横向运动,用脚蹬力就能从容地控制飞机航向运动。

  随着后来的飞机越来越大、飞得越来越快,舵面的面积也越来越大,作用在舵面上的切向力大到飞行员单靠手和脚的力量操纵飞机变得无能为力了。于是,飞机上出现了由体积小、重量轻的电机或电动马达来驱动舵面运动。但这类电机、电马达转速太高,远大于舵面偏转的每分钟不到1转的极低速,故必须在它们与舵面之间,配置高传动比的齿轮箱或传动机构。这种电传动式至今在中、小型飞机上广为应用,如我国支线飞机ARJ21、加拿大CRJ及巴西ERJ系列支线客机。

  然而,现代飞机特别是中、大型客机和运输机,80%以上的飞机舵面均采用形式多样的液压作动器、液压马达驱动。液压动力既可提供更大的驱动力矩,也可以是很小的力矩,还能使输出的转速很低,适合于舵面的低速运动,也能非常方便地通过改变作动器两腔压力迅速改变运动方向。

  除了液压作动器、液压马达之外,专为液压作动器、液压马达自动控制速度方向的电液伺服控制技术也越来越成熟,目前已广泛应用在飞机上,并与飞行控制计算机完美结合在一起,实现了当代先进的电传控制与驱动。

  近些年来,伴随一种“全电传动”新慨念的兴起,新型的电动作动器以及大功率电马达在A380巨型客机上崭露头角,预示着它们很可能成为取代液压驱动的新趋势。

  不论过去和现在,不论飞机舵面电动驱动还是液动驱动,为它们提供动力的都是来自飞机上的发动机。发动机是推动飞机前进、完成飞机起降不可或缺的动力和飞机最重要的核心部件。但很少知晓它还是驱动舵面运动的最大功臣。通常,飞机上发动机驱动两台液压泵和一台电动泵形成现代飞机普遍采用的3套液压能源系统。它们分别用来高效而安全地驱动全机几十块舵面及起落架、反推力装置的收放。

  除了飞行员操纵和发动机提供的液压和电力驱动舵面运动之外,还有一种奇妙的舵面运动动力——气动力。它非常巧妙地利用飞机前进时气流产生的气动力带动舵面运动。我国首架自主研制的运-10飞机,有两块面积颇大并能绕转轴偏转的升降舵,在其后缘还设计有一块小巧而狭长条状的操纵调整片。驾驶员只需轻松操纵这小小调整片向上或下偏转,调整片便立即绕它转轴产生一个气动力矩,这个气动力矩因距升降舵转轴很长,足以对“大块头”的升降舵产生一个与调整片方向相反的力矩并使其转动,从而实现飞机纵向姿态控制和机动飞行。目前,这种既不耗费发动机能量又能操纵舵面运动巧妙的方式在一些支线客机和通用小飞机上还能见到它的身影。

  当代的现代客机上,常能见到一种别样的冲压空气涡轮泵。它平时藏于前起落架舱内。当飞行中,一旦所有发动机同时出现故障能源枯竭,飞机处于危险之时,驾驶员只需手动操作机械钢索线系上的“上位锁”开关,起落架凭借自身重量迅速放下,此时的冲压空气涡轮泵也随之下移,并出手不凡,对准飞机前方的飞行气流冲击,它那形似电风扇的涡轮叶片便快速转动,产生不小的电能,通过使用一个小的电动机来驱动例如升降机、方向舵、副翼、襟翼等关键的飞行舵面运动。尽管驱动舵面的速度常常降到很低,但赢得了宝贵的时间,驾驶员能够有时间操纵飞机迫降,化险为夷。

  舵面运动的传动机构

  舵面的运动离不开驱动的动力,但也少不了驱动舵面的传动机构。飞机上多达20多块舵面,由于它们各自承担的职责、运动的方式、运动偏角大小不同,特别是它们绕转轴偏转的半径长度的不同带来了舵面运动形式的多样化,使得舵面运动的传动机构各不相同,复杂程度不一。所有的舵面都是绕其转轴运动的,像升降舵、副翼和方向舵的转轴通常连接在它们前面的水平安定面、机翼和垂直安定面上,转轴半径都不长,大都采用液压作动器。听令于液电伺服阀电信号的指挥,其活塞杆时而伸出和缩进直接驱动舵面上下左右运动;作动器的另一端则连接在固定翼上,且作动器还可随舵面一起转动。

  位于机尾、面积硕大并整体可上下偏转的水平安定面,其转轴固定在机身内,转轴半径长达1米以上,不适宜采用液压作动器,否则活塞杆太长。取代它的是一种纯机械细长型的滚珠丝杆副,它主要由固接在舵面支架上的滚珠螺母、和与电机或液压马达相连的滚珠丝杆,以及螺母与丝杆之间的钢球组成。当电机或马达带动滚珠丝杆转动时,借助钢球,将旋转运动转换为螺母的直线反复运动,从而推动水平安定面向上、向下缓慢地转动。就像千斤顶那样,它可驱动巨大的、重载几十吨的水平安定面运动自如。不仅传载大,而且因为运动时滚动摩擦力很小,机械传动效率可高达95%以上,被广誉为舵面传动的佼佼者。当今大量飞机都采用了这项技术。此外,滚珠丝杆副采用高强度的合金钢材料和高精密磨削加工完善的热处理工艺,它的使用寿命与飞机同样长,几乎自始至终无需更换。更令人欣喜的是,发挥滚珠丝杆导程短又传动精度高的优势,非常适合于飞机上对称的多舵面的襟翼和缝翼的传动,精准完成飞机上难度极高的舵面同步运动。

  都说好事多磨,滚珠丝杆副舵面传动机构由于传动效率太高太好,当飞行时舵面上只要有气动载荷作用,同样会引起滚珠丝杆的反向转动,舵面随之偏转,即称之为舵面不能自锁,或舵面不能停在预定的位置上,这种“不可控”状态能导致严重后果。为此,在与滚珠丝杆相连的传动齿轮箱内,除有大减速比的涡轮-涡杆、一对垂直变向锥齿轮外,还有一套极为复杂的棘轮-棘爪、摩擦片等的制锁机构。它确保了气动载荷对舵面的力,不论是压力还是吸力时都能锁定舵面纹丝不动。

  现代大中型飞机中,为提高襟翼增升气动效率,舵面均采用了先进的“直线-圆弧形”运动滑轨,势必带来了舵面作动器的运动行程与舵面偏角呈非线性变化。这使高精度、匀速转动的滚珠丝杆副毫无用武之地。于是,在诸如波音787、空客A380及C919等飞机上,均采用“旋转作动器+ 复杂的空间四连杆机构”的传动模式。旋转作动器中,有多套环环相扣的行星齿轮系,它们不仅输出-输入传动比大到100:1之上,还需承担相当大的扭矩载荷,传动效率高。

  空间四连杆机构起到运动轨迹变化、运动协调、载荷传递等功效外,还常常承担襟翼整流罩与襟翼协调一致地打开、放下或收上的运动。这种传动机构的设计需要创新和灵感,计算难度大,制造、安装必须精准,一直被视之为襟翼运动设计的最大难题之一。

  常见的舵面传动机构还有形式多样、结构十分复杂的齿轮箱。像近年来应用在前缘缝翼上的齿轮-齿条装置。它设计非常巧妙,既包括多级行星齿轮组合,又有防舵面逆转的摩擦片制动机构。难能可贵的是,它外形小巧,特别适宜放置在机翼最外端空间狭小的翼肋后缘,并能与小小的圆弧形齿条完成工作配合,共同驱动舵面同步做圆锥运动,着实让人赞叹不已。如今,它们越来越多地应用在商用飞机上。

  舵面运动与提升飞机的性能和安全密切相关。现代客机更关注降低舵面运动的能耗和提高运动效率,而如何去创新、优化舵面传动机构,这将是飞机未来发展的新趋势。 (黄建国)

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