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时间:2019-01-16 18:58来源:航空维修与工程 作者:中国航空
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随着电气系统的出现并不断优化,传统气动系统的部分功能逐渐被取代。但是,飞机OEM仍在努力通过改进气动系统获得飞机在成本、重量、可靠性和可维护性方面的不断进步,因为有的性能优化是电系统技术所不能完全实现的。未来,到底是投资电系统还是气动系统主要取决于特定飞机构型和对其他机载系统所使用的技术的选择。

气动系统为飞机提供动力并为飞机各类系统提供引气,如客舱增压、空气调节、主发动机起动、防冰、油箱增压、油箱惰化、航电设备冷却等。气动系统与液压系统不同,液压系统主要是为如襟翼和起落架等机械装置提供动力,而气动系统是使用空气作为动力源并帮助其他相关系统实现功能。

在波音787飞机之前,大多数飞机通过增压式进气和发动机的引气系统吸入空气实现上述气动功能。这种方法效率较低,因为发动机的引气系统分流了产生推力的气流,即损失了推力。此外,循环空气所需的管道和阀门增加了飞机的重量,且空气的利用率并不高。

在波音787飞机上,波音公司采用电驱动的空气压缩机取代了传统的引气控制装置,为飞机的环境控制系统(ECS)供电,并将其机翼除冰器的气动方式改为电动方式。波音787的交流发电机可以产生高达1500kW的电力,这个量级的能量可以满足一座小镇的家用供电需求。

联合技术航空系统公司(UTC Aerospace Systems)是波音787飞机的电气环控系统的供应商。该公司指出电气系统与传统气动系统的竞争正在日益加剧。该公司自20世纪90年代就开始为商用飞机提供电气引气系统(electro-pneumatic bleed systems),这也主要是因为飞机及其环控系统的构型优化影响了飞机设计师的偏好,而且使用电驱动压缩机产生的增压空气可能效率更高。



然而,电气系统并非灵丹妙药,其在成本、重量和可靠性方面也需要进行多次权衡。例如,使用电气系统的飞机需要更大更重的发电机,波音787在其服务的最初几年内深受这一问题所困扰。值得注意的是,空客公司在A350飞机的设计中没有完全沿用波音787的这一技术,而是采用的电气引气系统,并认为A350的做法更为高效。

利勃海尔公司认为,飞机OEM一直都在努力通过改进气动系统获得飞机在成本、重量、可靠性和可维护性方面的不断进步,而且达到的性能水平是电系统技术所不能完全实现的。因此,利勃海尔航空在电系统和传统的气动系统两方面都在大量投资。市场中推出的新飞机,如空客A330neo和巴西航空工业E2飞机,都采用了其新型的混合电气系统,而相对较老的机型,如空客A320和ATR测试飞机上尝试采用的是其全电动的无引气系统。

因此,对电系统成气动系统的选择将归结为特定飞机构型和对其他机载系统所使用的技术的选择。利勃海尔航空认为,未来有些飞机将由电动完全取代气动,而有些则仍然是气动系统更适合。

气动系统设计

气动技术历史悠久,至少可以追溯到17世纪。在航空公司不断寻求重量、成本和可靠性方面的改进过程中,气动技术不断完善。同时,新材料和新生产工艺(如增材制造)也为气动系统的设计提供了更多思路。例如,将气动与电动相结合以提高飞机的效率。利勃海尔航空已经开发出了电子电气解决方案,与气动系统形成补充,可大大提高气动系统的效率。此外,该公司还通过3D打印技术打印了空客A380飞机飞控系统的钛液压阀,使该阀门与由钛锻件制成的传统阀块具备相同的性能,且重量减轻35%,使用零件数量也有所减少。



除了产品规格外,气动系统必须适应与它们相互作用的飞机各类部件的设计更新,如发动机、挂架、襟翼、发电机和配电系统、APU、航电设备和内饰等接口系统。利勃海尔航空指出,气动系统的设计与其他零件和系统的设计密切相关,其他接口系统的任何变化都可能影响气动系统,反之亦然。

飞机的运行状况也很重要。一般宽体飞机气动系统是窄体飞机气动系统的放大版本,但在宽体飞机上也会涉及一些特定的因素。例如,宽体飞机需要一个附加的冷却系统,因为其厨房需要将食物冷却更长时间。再如,宽体飞机在高空巡航中所需的能量大于窄体飞机,所以还需要调整宽体飞机气动装置的构型以优化飞机的能量使用。

最大巡航高度、空气速度、最大旅客数量、发动机电气能量分配、可用性等都会影响气动系统每个主要零件的定义。此外,气动系统的设计还受安全法规的约束,如要求气动系统满足4大要求——最低人均新鲜空气流量、飞机不同部位的最大引气温度、系统冗余和复合结构的部件绝缘。其中一些规定迫使气动系统从功能的角度来看比需要的尺寸更大。例如,冗余意味着一些系统是重复的,而典型的热交换器是超大的,为的是在类似组件发生故障时可完成更安全的飞行操作。





空调系统是气动系统的另一关键部分,通常飞机采用基于空气循环或蒸汽循环的技术。在空气循环系统中,空气通过空气循环机压缩和膨胀,并经过一系列热交换器,甚至包括联合技术航空系统公司研发的一项轻便高效的专利性冷凝循环技术。它是采用基于软件的控制系统优化飞行各个阶段的空气性能。

将空气循环机的润滑轴承更换为无摩擦空气轴承后,空气循环系统平均故障间隔时间由5000小时延长至100000多小时。过去的几十年,联合技术航空系统公司还生产蒸汽循环调节器,它使用制冷剂与冷凝器、蒸发器以及电动压缩机相结合产生冷空气。与标准蒸汽循环相比,联合技术航空系统公司的“经济型”循环器采用更小更轻的部件,循环效率更高。

售后服务市场

虽然,燃油效率对航空公司和OEM很重要,但气动系统的重量和性能也是影响总燃油效率的一小部分。在某些时候,气动系统的能源优化问题会让步于其他因素。例如,当气动系统配置为满足特定飞机所需的功能和安全需求时,原始设备成本及其维护成本则是OEM最优先考虑的指标。

在过去的几十年内,得益于电气系统等新技术的引入以及运营和维修能力的优化,利勃海尔航空的飞机气动系统产品不断丰富,可靠性成倍地改善,但其产品的售后服务市场对其仍然非常重要,目前占其总销售额的30%。

该公司表示,由于其产品不断获得降低运营成本方面的改进,而且在役机队持续扩大,因此未来该公司产品的售后服务收入占其总销售额的份额不会降低。

此外,随着各类智能传感器、无线传感器技术的发展,气动系统生成的更多数据,可用于优化设计或预测性维修,提高系统可靠性,因此未来的气动系统的寿命周期也会更长。


 
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