風(fēng)動(dòng)泵技術(shù)在飛機(jī)系統(tǒng)中的應(yīng)用淺析

唐文川

(中航通飛研究院有限公司，廣東珠海 519040)

風(fēng)動(dòng)泵技術(shù)源于20世紀(jì)初期的航空渦輪增壓技術(shù)，開(kāi)創(chuàng)到現(xiàn)在已走過(guò)一個(gè)世紀(jì)。瑞士工程師阿爾弗雷德·布奇在1905年發(fā)明了利用廢氣來(lái)強(qiáng)制進(jìn)氣的壓氣機(jī)，用來(lái)提高內(nèi)燃機(jī)的輸出功率，可以認(rèn)為是風(fēng)動(dòng)泵技術(shù)的雛形。

20世紀(jì)初期最新的工業(yè)技術(shù)往往最先應(yīng)用在軍事領(lǐng)域。尤其是兩次世界大戰(zhàn)爆發(fā)的這幾十年內(nèi)，工業(yè)技術(shù)得到了飛速發(fā)展，這為渦輪增壓技術(shù)的進(jìn)步奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。在航空領(lǐng)域，由于早期的螺旋槳發(fā)動(dòng)機(jī)也全都采用往復(fù)式活塞發(fā)動(dòng)機(jī)，燃燒時(shí)需要大量的空氣與燃料混合形成混合氣。但是高空中，隨著海拔不斷升高，空氣就會(huì)變得越來(lái)越稀薄，飛機(jī)的最高爬升高度也受到了制約。這時(shí)候，工程師們就想到利用額外的機(jī)械將空氣強(qiáng)制壓入燃燒室中，從而解決飛機(jī)在高空中的動(dòng)力性。雖然當(dāng)時(shí)機(jī)械增壓器技術(shù)相對(duì)比較成熟，但是進(jìn)氣效率低，有效做功偏低。在汽車(chē)工業(yè)廣泛應(yīng)用的渦輪增壓技術(shù)也是來(lái)源于此。同樣的，在解決液壓系統(tǒng)可靠性方面也借鑒了壓縮空氣作為動(dòng)力的基本原理，高速風(fēng)動(dòng)提供了風(fēng)動(dòng)泵所需的動(dòng)能，高速風(fēng)動(dòng)推動(dòng)風(fēng)動(dòng)渦輪高速轉(zhuǎn)動(dòng)，產(chǎn)生前置動(dòng)力源。更高端的應(yīng)用是在火箭、反艦導(dǎo)彈等飛行動(dòng)力系統(tǒng)的應(yīng)用，利用高速壓縮空氣帶動(dòng)沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行工作。

1 技術(shù)特點(diǎn)及原理分析

風(fēng)動(dòng)泵技術(shù)從實(shí)際使用角度是一套功能系統(tǒng)，不只是依靠風(fēng)動(dòng)液壓泵獨(dú)立工作來(lái)完成，需要有前置風(fēng)動(dòng)渦輪帶動(dòng) (適合的渦輪轉(zhuǎn)速產(chǎn)生相應(yīng)匹配的壓力輸出)，同時(shí)風(fēng)動(dòng)渦輪還帶有應(yīng)急交流發(fā)電機(jī)，進(jìn)一步提供應(yīng)急電源?？紤]到風(fēng)動(dòng)泵輸出有可能超負(fù)載，可以在液壓油路中配置溢流閥。圖1是風(fēng)動(dòng)泵技術(shù)的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖1 風(fēng)動(dòng)泵系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

航空風(fēng)動(dòng)泵技術(shù)對(duì)使用環(huán)境、匹配材料、試驗(yàn)以及維護(hù)都有特殊要求。

風(fēng)動(dòng)泵平常是收在飛機(jī)結(jié)構(gòu)內(nèi)部，在應(yīng)急情況下，可以通過(guò)機(jī)械操縱或者作動(dòng)機(jī)構(gòu)伸出機(jī)體外部。風(fēng)動(dòng)渦輪的葉片一般是兩片，可靠性較高。

2 技術(shù)優(yōu)勢(shì)

目前對(duì)于航空飛行器的應(yīng)急液壓系統(tǒng)的選擇原則是:應(yīng)當(dāng)盡量完全獨(dú)立;向應(yīng)急液壓系統(tǒng)的轉(zhuǎn)換應(yīng)安全、可靠、快速，飛機(jī)瞬態(tài)小并自動(dòng)完成;應(yīng)急液壓系統(tǒng)工作盡量不受飛機(jī)、發(fā)動(dòng)機(jī)的狀態(tài)和其他系統(tǒng)的制約。應(yīng)急液壓系統(tǒng)的能力應(yīng)滿(mǎn)足改變飛機(jī)故障飛行狀態(tài)和安全返航著陸的功率需求，著重保障飛行控制系統(tǒng)的液壓功率要求。目前，飛機(jī)上所采用的應(yīng)急能源系統(tǒng)有6種形式:

(1)手搖泵。在一般小型飛機(jī)上，作動(dòng)部分所需功率較小，而且是間歇工作的，可考慮采用手搖泵作為應(yīng)急能源。在高性能的大型飛機(jī)上，手搖泵有時(shí)也用作剎車(chē)系統(tǒng)的應(yīng)急能源，一般與蓄壓器配合使用。選用手搖泵還應(yīng)考慮在應(yīng)急情況下機(jī)上人員操作的可能性。

(2)應(yīng)急電動(dòng)液壓泵。一般用于操縱面鉸鏈力矩較小的飛機(jī)上，這種裝置受機(jī)上應(yīng)急電源容量和電機(jī)工作時(shí)間的限制，一般只能短期使用。通常，按應(yīng)急下滑拉平著陸的工作狀態(tài)確定應(yīng)急泵的參數(shù)。

(3)應(yīng)急風(fēng)動(dòng)泵。一般用于操縱面鉸鏈力矩較大的飛機(jī)，能提供較大的應(yīng)急液壓功率。這種裝置由于受到渦輪葉片強(qiáng)度的限制，只能在規(guī)定的飛行包線內(nèi)使用。應(yīng)急液壓系統(tǒng)的功率隨飛機(jī)飛行狀態(tài)而變化。應(yīng)急風(fēng)動(dòng)泵常與溢流閥匹配使用。

(4)輔助動(dòng)力裝置APU。這種裝置相當(dāng)于一個(gè)小發(fā)動(dòng)機(jī)，其起動(dòng)時(shí)間較長(zhǎng)，約需7～10 s方可進(jìn)入穩(wěn)定工作狀態(tài)，使用高度在3 000 m以下。一般用于民航機(jī)、運(yùn)輸機(jī)、轟炸機(jī)及某些戰(zhàn)斗機(jī)。它與空氣渦輪起動(dòng)機(jī)配套使用。

(5)應(yīng)急動(dòng)力裝置EPU。這種裝置是靠飛機(jī)上帶的專(zhuān)用燃料和催化劑作為能源，在工作時(shí)產(chǎn)生高能氣體，驅(qū)動(dòng)渦輪動(dòng)力裝置。該裝置產(chǎn)生的功率比較大，而且起動(dòng)時(shí)間短，2～3 s即可達(dá)到額定轉(zhuǎn)速，一般用于操縱面鉸鏈力矩較大的飛機(jī)。它不受飛機(jī)飛行狀態(tài)的限制。在發(fā)動(dòng)機(jī)工作正常、僅液壓泵損壞的情況下，可通過(guò)發(fā)動(dòng)機(jī)引擎驅(qū)動(dòng)渦輪動(dòng)力裝置，這時(shí)可長(zhǎng)時(shí)間使用。但在發(fā)動(dòng)機(jī)損壞的情況下，由于機(jī)上所帶燃料有限，一般按工作10 min設(shè)計(jì)，只能保障飛機(jī)在附近機(jī)場(chǎng)安全著陸。

(6)應(yīng)急氣動(dòng)增速裝置。在發(fā)動(dòng)機(jī)停車(chē)并轉(zhuǎn)速下降的情況下，通過(guò)應(yīng)急氣動(dòng)的壓力，使發(fā)動(dòng)機(jī)與液壓泵之間的離合器的傳動(dòng)比加大，從而提高液壓泵在應(yīng)急狀態(tài)下的轉(zhuǎn)速，提高液壓泵的輸出流量以保障應(yīng)急狀態(tài)下所需的功率。但在主液壓泵失效情況下則無(wú)效，因此在雙發(fā)飛機(jī)上可以考慮。由于在發(fā)動(dòng)機(jī)停車(chē)情況下，液壓泵從發(fā)動(dòng)機(jī)提取的功率增大必將使發(fā)動(dòng)機(jī)空中起動(dòng)負(fù)載增大，造成空中起動(dòng)困難，采用這種應(yīng)急方式必須與發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行協(xié)調(diào)。

分析以上6種應(yīng)急能源方式，采用應(yīng)急風(fēng)動(dòng)泵技術(shù)的飛機(jī)在出現(xiàn)液壓系統(tǒng)失效或者不能提供輸出的情況下，風(fēng)動(dòng)泵系統(tǒng)的適應(yīng)性較強(qiáng)、響應(yīng)快且可靠性高，而且可以長(zhǎng)時(shí)間工作，選擇相適應(yīng)的風(fēng)動(dòng)泵參數(shù)可以滿(mǎn)足應(yīng)急液壓系統(tǒng)功率輸出。風(fēng)動(dòng)泵系統(tǒng)可以作為獨(dú)立的系統(tǒng)不受干擾，并且可以提供應(yīng)急交流電，可以作為應(yīng)急液壓系統(tǒng)的冗余度設(shè)計(jì)。

3 應(yīng)用分析

在國(guó)內(nèi)民用飛機(jī)運(yùn)-5型號(hào)上，經(jīng)過(guò)技術(shù)改造，運(yùn)-5B型采用了抗腐蝕結(jié)構(gòu)和新型任務(wù)設(shè)備，包括具有應(yīng)急拋投能力的大型藥箱 (或水箱)、高流率風(fēng)動(dòng)泵、各種規(guī)格的噴灑裝置。選用大流量風(fēng)動(dòng)泵和多種規(guī)格噴嘴，構(gòu)成了壓力噴撒系統(tǒng)，播撒器尺寸大，并有應(yīng)急投料裝置，提高了農(nóng)林作業(yè)的效率和經(jīng)濟(jì)性。由于運(yùn)-5B型飛機(jī)起落架是固定的，不進(jìn)行收放操縱，僅滿(mǎn)足噴灑系統(tǒng)拋投箱的應(yīng)急拋投需要，功能相對(duì)單一，可靠性較高，需要的應(yīng)急功率較小，風(fēng)動(dòng)泵所能提供的壓力易于滿(mǎn)足。運(yùn)-5B飛機(jī)的應(yīng)急風(fēng)動(dòng)泵和機(jī)型的特性緊密關(guān)聯(lián)，因其起落架高度較大，在應(yīng)急情況下，拋投出去的風(fēng)動(dòng)泵是無(wú)需收回的，不影響飛機(jī)著陸，在降落后進(jìn)行維護(hù)，收起到機(jī)身結(jié)構(gòu)即可;另外由于功能單一，風(fēng)動(dòng)泵輸出不高，不需在壓力輸出管路中串入溢流閥。風(fēng)動(dòng)泵技術(shù)在運(yùn)-5B的應(yīng)用是比較實(shí)用的，既高效，又可靠，便于維護(hù)，對(duì)飛機(jī)的負(fù)荷較小。

作為第二代戰(zhàn)斗機(jī)的典型代表，美國(guó)F-4(鬼怪戰(zhàn)斗機(jī))也成功應(yīng)用了風(fēng)動(dòng)泵技術(shù)，F(xiàn)-4飛機(jī)應(yīng)急系統(tǒng)的風(fēng)動(dòng)液壓泵是由風(fēng)動(dòng)渦輪帶動(dòng)，其渦輪轉(zhuǎn)速為12 000 r/min，液壓泵的出口壓力為9.8 MPa，流量為41.5 L/min;風(fēng)動(dòng)渦輪伸出時(shí)的飛機(jī)飛行速度限制在954 km/h或M≤1.1，能提供最大6.6 kW功率輸出。風(fēng)動(dòng)渦輪除帶動(dòng)應(yīng)急液壓泵外還帶動(dòng)一臺(tái)應(yīng)急交流發(fā)電機(jī)，提供應(yīng)急電源。風(fēng)動(dòng)渦輪的收放是由冷氣作動(dòng)筒操縱，采用機(jī)械式手動(dòng)控制，由駕駛?cè)藛T操縱，操縱手柄位于座艙內(nèi)的左側(cè)。

目前我國(guó)通用航空市場(chǎng)正在發(fā)展時(shí)期，作為一項(xiàng)成熟的技術(shù)，可以提高通用型飛機(jī)的可靠性，在國(guó)外通用飛機(jī)成功應(yīng)用的基礎(chǔ)上加以借鑒，不存在技術(shù)風(fēng)險(xiǎn)。國(guó)內(nèi)外成品較多，合理選擇成品可以減少研制費(fèi)用，對(duì)于已經(jīng)取得適航證的機(jī)型還可以省去適航審定的費(fèi)用。

4 應(yīng)用局限

風(fēng)動(dòng)泵作為應(yīng)急能源系統(tǒng)在使用過(guò)程也存在一些局限，首先要考慮設(shè)計(jì)風(fēng)動(dòng)葉片材料的強(qiáng)度，如果需要較大的液壓，需要進(jìn)行葉片的強(qiáng)度試驗(yàn)，確保在空中飛行過(guò)程中使用應(yīng)急風(fēng)動(dòng)泵時(shí)不出現(xiàn)高速風(fēng)壓使渦輪葉片斷裂的情況;在出現(xiàn)高速風(fēng)壓產(chǎn)生較強(qiáng)液壓壓力時(shí)，必須考慮使用溢流閥來(lái)進(jìn)行減負(fù)荷。在試驗(yàn)環(huán)節(jié)也存在特殊要求，因在地面無(wú)法實(shí)現(xiàn)飛行包線內(nèi)才具有的試驗(yàn)環(huán)境，所以風(fēng)動(dòng)泵的試驗(yàn)只能在飛行過(guò)程中完成;在測(cè)試維護(hù)環(huán)節(jié)也受條件限制。在超過(guò)飛行包線以外的環(huán)境條件下，應(yīng)急風(fēng)動(dòng)泵無(wú)法完成正常的應(yīng)急能源輸出。

并不是所有航空器都可以適用風(fēng)動(dòng)泵技術(shù)，例如:直升飛機(jī)、飛艇等航空器由于巡航速度較低，無(wú)法提供較強(qiáng)高速風(fēng)壓，不適合進(jìn)行應(yīng)急風(fēng)動(dòng)泵技術(shù)的應(yīng)用。

風(fēng)動(dòng)泵使用過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生空氣阻力，并且會(huì)影響氣動(dòng)，一般布局是在飛機(jī)機(jī)腹下方伸出，工作時(shí)間需要控制在較短時(shí)間內(nèi)，長(zhǎng)時(shí)間使用必然影響飛行。

5 結(jié)束語(yǔ)

風(fēng)動(dòng)泵技術(shù)在航空飛行器上的應(yīng)用已經(jīng)有幾十年歷史，屬于成熟技術(shù)，適合高速戰(zhàn)斗機(jī)、運(yùn)輸機(jī)以及各類(lèi)通用飛機(jī)，可以提供穩(wěn)定可靠的應(yīng)急液壓能源輸出，并可以提供應(yīng)急交流電輸出，對(duì)于提高液壓系統(tǒng)的可靠性是非常有效的。在配套設(shè)計(jì)時(shí)綜合飛機(jī)性能特點(diǎn)，選擇合適的風(fēng)動(dòng)泵技術(shù)參數(shù)和材料是關(guān)鍵，在需要配置交流發(fā)電機(jī)和溢流閥時(shí)，合理匹配參數(shù)也非常重要。

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