奇妙的舵面運(yùn)動(dòng)

黃建國

飛機(jī)憑借位于機(jī)翼、尾翼上舵面的運(yùn)動(dòng)，瞬間姿態(tài)發(fā)生變化，靈活安全起降，翶翔于藍(lán)天白云之中。你可知道，是“誰”在推動(dòng)飛機(jī)舵面的運(yùn)動(dòng)？

動(dòng)力從哪里來

與作用于機(jī)翼上的升力不同，舵面運(yùn)動(dòng)時(shí)，氣流沿舵面表面運(yùn)動(dòng)的力，稱為切向力，與升力方向垂直。若提供大于切向力的動(dòng)力，舵面就會(huì)產(chǎn)生運(yùn)動(dòng)。由于舵面偏轉(zhuǎn)的角度不大，切向力遠(yuǎn)小于升力。

早期的飛機(jī)，舵面運(yùn)動(dòng)主要依靠飛行員手動(dòng)操縱，腳蹬力就能從容應(yīng)對。隨著飛機(jī)的塊頭越來越大，飛行速度越來越快，飛行員手動(dòng)和腳蹬操縱越來越力不從心，于是開始通過電機(jī)、電動(dòng)馬達(dá)來驅(qū)動(dòng)舵面。由于電機(jī)、電動(dòng)馬達(dá)轉(zhuǎn)速太快，遠(yuǎn)大于舵面的運(yùn)動(dòng)速度，必須在它們與舵面之間配置高傳動(dòng)比的齒輪箱或傳動(dòng)機(jī)構(gòu)。這類電傳動(dòng)形式在ARJ21、CRJ系列等支線飛機(jī)上被廣為采用。

近年來，一種新型的電作動(dòng)器及大功率電馬達(dá)在A380大型客機(jī)上嶄露頭角。行業(yè)專家表示，電作動(dòng)器及大功率電馬達(dá)很可能取代傳統(tǒng)的液壓驅(qū)動(dòng)。

然而，在現(xiàn)代中大型客機(jī)和運(yùn)輸機(jī)中，80%以上的飛機(jī)舵面均采用液壓作動(dòng)器、液壓馬達(dá)驅(qū)動(dòng)。液壓動(dòng)力除了可提供更大的驅(qū)動(dòng)力外，還可以非常方便地通過改變作動(dòng)器兩腔壓力，迅速改變運(yùn)動(dòng)方向。目前，飛機(jī)上已廣泛采用電、液伺服控制，通過與計(jì)算機(jī)的完美結(jié)合實(shí)現(xiàn)電傳控制與驅(qū)動(dòng)。

無論是電動(dòng)還是液動(dòng)，為它們提供動(dòng)力的都是飛機(jī)上的發(fā)動(dòng)機(jī)。發(fā)動(dòng)機(jī)除了推動(dòng)飛機(jī)前進(jìn)外，還帶動(dòng)2臺(tái)以上的液壓泵和至少1臺(tái)電動(dòng)泵，使電機(jī)和液壓馬達(dá)轉(zhuǎn)動(dòng)。

此外，還有一種奇妙的舵面運(yùn)動(dòng)動(dòng)力——?dú)鈩?dòng)力，即巧妙利用飛機(jī)前進(jìn)時(shí)產(chǎn)生的氣流推動(dòng)舵面運(yùn)動(dòng)。波音707和我國首架自主研制的“運(yùn)10”飛機(jī)，它們的升降舵均在其尾端設(shè)計(jì)有一塊小巧而長條狀的、可繞升降舵偏轉(zhuǎn)的操縱調(diào)整片。駕駛員只需輕松操縱這小小調(diào)整片上下偏轉(zhuǎn)，它便產(chǎn)生了正升力或負(fù)升力，再利用升力與升降舵轉(zhuǎn)軸距離（力臂）長的優(yōu)勢，便形成一個(gè)大力矩，足以驅(qū)動(dòng)“大塊頭”的升降舵上下運(yùn)動(dòng)。

復(fù)雜的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)

舵面的運(yùn)動(dòng)離不開驅(qū)動(dòng)的動(dòng)力，也少不了舵面的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)。由于飛機(jī)上多達(dá)20多塊舵面各自承擔(dān)的職責(zé)、運(yùn)動(dòng)方式、角度大小，特別是繞轉(zhuǎn)軸偏轉(zhuǎn)的長度不同，帶來了舵面運(yùn)動(dòng)的多樣化，也使得傳動(dòng)機(jī)構(gòu)比較復(fù)雜。

例如，升降舵、副翼和方向舵一般連接在它們前面的固定翼面上，轉(zhuǎn)軸半徑小，故大都采用液壓作動(dòng)器直接驅(qū)動(dòng)舵面運(yùn)動(dòng)，作動(dòng)器的另一端則連接在固定翼上并可隨舵面轉(zhuǎn)動(dòng)。工作時(shí)，作動(dòng)器活塞桿既可伸長，又可縮短，還能偏轉(zhuǎn)。

相比之下，位于平尾翼面上、轉(zhuǎn)軸長達(dá)1米以上的水平安定面，顯然不適宜采用液壓作動(dòng)器，取代它的是一種純機(jī)械細(xì)長型的滾珠絲桿。它主要由與舵面支架相連的滾珠螺母、與電機(jī)或液壓馬達(dá)相連的滾珠絲桿及鋼球組成。當(dāng)滾珠絲桿轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，借助鋼球，將旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換為螺母的往復(fù)運(yùn)動(dòng)。宛如常見的千斤頂一般，它可驅(qū)動(dòng)巨大的、重達(dá)幾噸的水平安定面自如運(yùn)動(dòng)。它不僅傳載大，而且滾動(dòng)摩擦力小，傳動(dòng)效率高達(dá)95%以上。滾珠絲桿因具有較高的制造和傳動(dòng)精度，非常適合飛機(jī)上對稱多舵面的襟翼和縫翼傳動(dòng)，可以精準(zhǔn)地完成飛機(jī)上難度極高的舵面同步運(yùn)動(dòng)。

現(xiàn)代飛機(jī)中，為提高襟翼增升的氣動(dòng)效率，設(shè)計(jì)師采用了先進(jìn)的“直線-圓弧形”滑軌，舵面作動(dòng)器的運(yùn)動(dòng)行程與舵面偏角呈非線性變化。這使高精度的滾珠絲桿毫無用武之地。在波音787、空客A380及C919等飛機(jī)上，均采用“旋轉(zhuǎn)作動(dòng)器+復(fù)雜四連桿機(jī)構(gòu)”的模式。顯然，這種傳動(dòng)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)難度很大，安裝精度要求高。它常常還承擔(dān)襟翼整流罩與襟翼協(xié)調(diào)一致地打開、放下或收上的運(yùn)動(dòng)，一直被視為襟翼設(shè)計(jì)中最大的難題之一。