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航空知识小科普:奇妙的舵面运动

2018-10-22 09:26:29 大飞机微信公众号 大飞机专栏

飞机凭借位于机翼、尾翼上舵面的运动,瞬间姿态发生变化灵活安全起降。翶翔于蓝天白云之中,你可知道是“谁”在推动飞机舵面的运动?

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动力从哪里来

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与作用于机翼上的升力不同,舵面运动时,气流沿舵面表面运动的力,称为切向力,与升力方向垂直。若提供大于切向力的动力,舵面就会产生运动。由于舵面偏转的角度不大,切向力远小于升力。

早期的飞机,舵面运动主要依靠飞行员手动操纵,脚蹬力就能从容应对。随着飞机的块头越来越大,飞行速度越来越快,飞行员手动和脚蹬操纵越来越力不从心,于是开始通过电机、电动马达来驱动舵面。由于电机、电动马达转速太快,远大于舵面的运动速度,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。这类电传动形式在ARJ21、CRJ系列等支线飞机上被广为采用。

近年来,一种新型的电作动器及大功率电马达在A380大型客机上崭露头角。行业专家表示,电作动器及大功率电马达很可能取代传统的液压驱动。

然而,在现代中大型客机和运输机中,80%以上的飞机舵面均采用液压作动器、液压马达驱动。液压动力除了可提供更大的驱动力外,还可以非常方便地通过改变作动器两腔压力,迅速改变运动方向。目前,飞机上已广泛采用电、液伺服控制,通过与计算机的完美结合实现电传控制与驱动。

无论是电动还是液动,为它们提供动力的都是飞机上的发动机。发动机除了推动飞机前进外,还带动2台以上的液压泵和至少1台电动泵,使电机和液压马达转动。

此外,还有一种奇妙的舵面运动动力——气动力,即巧妙利用飞机前进时产生的气流推动舵面运动。波音707和我国首架自主研制的“运十”飞机,它们的升降舵均在其尾端设计有一块小巧而长条状的、可绕升降舵偏转的操纵调整片。驾驶员只需轻松操纵这小小调整片上下偏转,它便产生了正升力或负升力,再利用升力与升降舵转轴距离(力臂)长的优势,便形成一个大力矩,足以驱动“大块头”的升降舵上下运动。

复杂的传动机构

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舵面的运动离不开驱动的动力,也少不了舵面的传动机构。由于飞机上多达20多块舵面各自承担的职责、运动方式、角度大小,特别是绕转轴偏转的长度不同,带来了舵面运动的多样化,也使得传动机构比较复杂。

例如,升降舵、副翼和方向舵一般连接在它们前面的固定翼面上,转轴半径小,故大都采用液压作动器直接驱动舵面运动,作动器的另一端则连接在固定翼上并可随舵面转动。工作时,作动器活塞杆既可伸长,又可缩短,还能偏转。

相比之下,位于平尾翼面上、转轴长达1米以上的水平安定面,显然不适宜采用液压作动器,取代它的是一种纯机械细长型的滚珠丝杆。它主要由与舵面支架相连的滚珠螺母、与电机或液压马达相连的滚珠丝杆及钢球组成。当滚珠丝杆转动时,借助钢球,将旋转运动转换为螺母的往复运动。宛如常见的千斤顶一般,它可驱动巨大的、重达几吨的水平安定面自如运动。它不仅传载大,而且滚动摩擦力小,传动效率高达95%以上。滚珠丝杆因具有较高的制造和传动精度,非常适合飞机上对称多舵面的襟翼和缝翼传动,可以精准地完成飞机上难度极高的舵面同步运动。

现代飞机中,为提高襟翼增升的气动效率,设计师采用了先进的“直线-圆弧形”滑轨,舵面作动器的运动行程与舵面偏角呈非线性变化。这使高精度的滚珠丝杆毫无用武之地。在波音787、空客A380及C919等飞机上,均采用“旋转作动器+复杂四连杆机构”的模式。显然,这种传动机构设计难度很大,安装精度要求高。它常常还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,一直被视为襟翼设计中最大的难题之一。

责任编辑:臧航