多電飛機(jī)潮流下氣動(dòng)系統(tǒng)的未來(lái)

Alex Derber

隨著電氣系統(tǒng)的出現(xiàn)并不斷優(yōu)化，傳統(tǒng)氣動(dòng)系統(tǒng)的部分功能逐漸被取代。但是，飛機(jī)OEM仍在努力通過(guò)改進(jìn)氣動(dòng)系統(tǒng)獲得飛機(jī)在成本、重量、可靠性和可維護(hù)性方面的不斷進(jìn)步，因?yàn)橛械男阅軆?yōu)化是電系統(tǒng)技術(shù)所不能完全實(shí)現(xiàn)的。未來(lái)，到底是投資電系統(tǒng)還是氣動(dòng)系統(tǒng)主要取決于特定飛機(jī)構(gòu)型和對(duì)其他機(jī)載系統(tǒng)所使用的技術(shù)的選擇。

氣動(dòng)系統(tǒng)為飛機(jī)提供動(dòng)力并為飛機(jī)各類(lèi)系統(tǒng)提供引氣，如客艙增壓、空氣調(diào)節(jié)、主發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)、防冰、油箱增壓、油箱惰化、航電設(shè)備冷卻等。氣動(dòng)系統(tǒng)與液壓系統(tǒng)不同，液壓系統(tǒng)主要是為如襟翼和起落架等機(jī)械裝置提供動(dòng)力，而氣動(dòng)系統(tǒng)是使用空氣作為動(dòng)力源并幫助其他相關(guān)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)功能。

在波音787飛機(jī)之前，大多數(shù)飛機(jī)通過(guò)增壓式進(jìn)氣和發(fā)動(dòng)機(jī)的引氣系統(tǒng)吸入空氣實(shí)現(xiàn)上述氣動(dòng)功能。這種方法效率較低，因?yàn)榘l(fā)動(dòng)機(jī)的引氣系統(tǒng)分流了產(chǎn)生推力的氣流，即損失了推力。此外，循環(huán)空氣所需的管道和閥門(mén)增加了飛機(jī)的重量，且空氣的利用率并不高。

在波音787飛機(jī)上，波音公司采用電驅(qū)動(dòng)的空氣壓縮機(jī)取代了傳統(tǒng)的引氣控制裝置，為飛機(jī)的環(huán)境控制系統(tǒng)（ECS）供電，并將其機(jī)翼除冰器的氣動(dòng)方式改為電動(dòng)方式。波音787的交流發(fā)電機(jī)可以產(chǎn)生高達(dá)1500kW的電力，這個(gè)量級(jí)的能量可以滿足一座小鎮(zhèn)的家用供電需求。

聯(lián)合技術(shù)航空系統(tǒng)公司（UTcAerospace Systems）是波音787飛機(jī)的電氣環(huán)控系統(tǒng)的供應(yīng)商。該公司指出電氣系統(tǒng)與傳統(tǒng)氣動(dòng)系統(tǒng)的競(jìng)爭(zhēng)正在日益加劇。該公司自20世紀(jì)90年代就開(kāi)始為商用飛機(jī)提供電氣引氣系統(tǒng)（electropneumatic bleed systems），這也主要是因?yàn)轱w機(jī)及其環(huán)控系統(tǒng)的構(gòu)型優(yōu)化影響了飛機(jī)設(shè)計(jì)師的偏好，而且使用電驅(qū)動(dòng)壓縮機(jī)產(chǎn)生的增壓空氣可能效率更高。

然而，電氣系統(tǒng)并非靈丹妙藥，其在成本、重量和可靠性方面也需要進(jìn)行多次權(quán)衡。例如，使用電氣系統(tǒng)的飛機(jī)需要更大更重的發(fā)電機(jī)，波音787在其服務(wù)的最初幾年內(nèi)深受這一問(wèn)題所困擾。值得注意的是，空客公司在A350飛機(jī)的設(shè)計(jì)中沒(méi)有完全沿用波音787的這一技術(shù)，而是采用的電氣引氣系統(tǒng)，并認(rèn)為A350的做法更為高效。

利勃海爾公司認(rèn)為，飛機(jī)OEM一直都在努力通過(guò)改進(jìn)氣動(dòng)系統(tǒng)獲得飛機(jī)在成本、重量、可靠性和可維護(hù)性方面的不斷進(jìn)步，而且達(dá)到的性能水平是電系統(tǒng)技術(shù)所不能完全實(shí)現(xiàn)的。因此，利勃海爾航空在電系統(tǒng)和傳統(tǒng)的氣動(dòng)系統(tǒng)兩方面都在大量投資。市場(chǎng)中推出的新飛機(jī)，如空客A330neo和巴西航空工業(yè)E2飛機(jī)，都采用了其新型的混合電氣系統(tǒng)，而相對(duì)較老的機(jī)型，如空客A320和ATR測(cè)試飛機(jī)上嘗試采用的是其全電動(dòng)的無(wú)引氣系統(tǒng)。

因此，對(duì)電系統(tǒng)成氣動(dòng)系統(tǒng)的選擇將歸結(jié)為特定飛機(jī)構(gòu)型和對(duì)其他機(jī)載系統(tǒng)所使用的技術(shù)的選擇。利勃海爾航空認(rèn)為，未來(lái)有些飛機(jī)將由電動(dòng)完全取代氣動(dòng)，而有些則仍然是氣動(dòng)系統(tǒng)更適合。

氣動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

氣動(dòng)技術(shù)歷史悠久，至少可以追溯到17世紀(jì)。在航空公司不斷尋求重量、成本和可靠性方面的改進(jìn)過(guò)程中，氣動(dòng)技術(shù)不斷完善。同時(shí)，新材料和新生產(chǎn)工藝（如增材制造）也為氣動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)提供了更多思路。例如，將氣動(dòng)與電動(dòng)相結(jié)合以提高飛機(jī)的效率。利勃海爾航空已經(jīng)開(kāi)發(fā)出了電子電氣解決方案，與氣動(dòng)系統(tǒng)形成補(bǔ)充，可大大提高氣動(dòng)系統(tǒng)的效率。此外，該公司還通過(guò)3D打印技術(shù)打印了空客A380飛機(jī)飛控系統(tǒng)的鈦液壓閥，使該閥門(mén)與由鈦鍛件制成的傳統(tǒng)閥塊具備相同的性能，且重量減輕35%，使用零件數(shù)量也有所減少。

除了產(chǎn)品規(guī)格外，氣動(dòng)系統(tǒng)必須適應(yīng)與它們相互作用的飛機(jī)各類(lèi)部件的設(shè)計(jì)更新，如發(fā)動(dòng)機(jī)、掛架、襟翼、發(fā)電機(jī)和配電系統(tǒng)、APU、航電設(shè)備和內(nèi)飾等接口系統(tǒng)。利勃海爾航空指出，氣動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與其他零件和系統(tǒng)的設(shè)計(jì)密切相關(guān)，其他接口系統(tǒng)的任何變化都可能影響氣動(dòng)系統(tǒng)，反之亦然。

飛機(jī)的運(yùn)行狀況也很重要。一般寬體飛機(jī)氣動(dòng)系統(tǒng)是窄體飛機(jī)氣動(dòng)系統(tǒng)的放大版本，但在寬體飛機(jī)上也會(huì)涉及一些特定的因素。例如，寬體飛機(jī)需要一個(gè)附加的冷卻系統(tǒng)，因?yàn)槠鋸N房需要將食物冷卻更長(zhǎng)時(shí)間。再如，寬體飛機(jī)在高空巡航中所需的能量大于窄體飛機(jī)，所以還需要調(diào)整寬體飛機(jī)氣動(dòng)裝置的構(gòu)型以優(yōu)化飛機(jī)的能量使用。

最大巡航高度、空氣速度、最大旅客數(shù)量、發(fā)動(dòng)機(jī)電氣能量分配、可用性等都會(huì)影響氣動(dòng)系統(tǒng)每個(gè)主要零件的定義。此外，氣動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)還受安全法規(guī)的約束，如要求氣動(dòng)系統(tǒng)滿足4大要求——最低人均新鮮空氣流量、飛機(jī)不同部位的最大引氣溫度、系統(tǒng)冗余和復(fù)合結(jié)構(gòu)的部件絕緣。其中一些規(guī)定迫使氣動(dòng)系統(tǒng)從功能的角度來(lái)看比需要的尺寸更大。例如，冗余意味著一些系統(tǒng)是重復(fù)的，而典型的熱交換器是超大的，為的是在類(lèi)似組件發(fā)生故障時(shí)可完成更安全的飛行操作。

空調(diào)系統(tǒng)是氣動(dòng)系統(tǒng)的另一關(guān)鍵部分，通常飛機(jī)采用基于空氣循環(huán)或蒸汽循環(huán)的技術(shù)。在空氣循環(huán)系統(tǒng)中，空氣通過(guò)空氣循環(huán)機(jī)壓縮和膨脹，并經(jīng)過(guò)一系列熱交換器，甚至包括聯(lián)合技術(shù)航空系統(tǒng)公司研發(fā)的一項(xiàng)輕便高效的專(zhuān)利性冷凝循環(huán)技術(shù)。它是采用基于軟件的控制系統(tǒng)優(yōu)化飛行各個(gè)階段的空氣性能。

將空氣循環(huán)機(jī)的潤(rùn)滑軸承更換為無(wú)摩擦空氣軸承后，空氣循環(huán)系統(tǒng)平均故障間隔時(shí)間由5000小時(shí)延長(zhǎng)至100000多小時(shí)。過(guò)去的幾十年，聯(lián)合技術(shù)航空系統(tǒng)公司還生產(chǎn)蒸汽循環(huán)調(diào)節(jié)器，它使用制冷劑與冷凝器、蒸發(fā)器以及電動(dòng)壓縮機(jī)相結(jié)合產(chǎn)生冷空氣。與標(biāo)準(zhǔn)蒸汽循環(huán)相比，聯(lián)合技術(shù)航空系統(tǒng)公司的“經(jīng)濟(jì)型”循環(huán)器采用更小更輕的部件，循環(huán)效率更高。

售后服務(wù)市場(chǎng)

雖然，燃油效率對(duì)航空公司和OEM很重要，但氣動(dòng)系統(tǒng)的重量和性能也是影響總?cè)加托实囊恍〔糠?。在某些時(shí)候，氣動(dòng)系統(tǒng)的能源優(yōu)化問(wèn)題會(huì)讓步于其他因素。例如，當(dāng)氣動(dòng)系統(tǒng)配置為滿足特定飛機(jī)所需的功能和安全需求時(shí)，原始設(shè)備成本及其維護(hù)成本則是OEM最優(yōu)先考慮的指標(biāo)。

在過(guò)去的幾十年內(nèi)，得益于電氣系統(tǒng)等新技術(shù)的引入以及運(yùn)營(yíng)和維修能力的優(yōu)化，利勃海爾航空的飛機(jī)氣動(dòng)系統(tǒng)產(chǎn)品不斷豐富，可靠性成倍地改善，但其產(chǎn)品的售后服務(wù)市場(chǎng)對(duì)其仍然非常重要，目前占其總銷(xiāo)售額的30%。

該公司表示，由于其產(chǎn)品不斷獲得降低運(yùn)營(yíng)成本方面的改進(jìn)，而且在役機(jī)隊(duì)持續(xù)擴(kuò)大，因此未來(lái)該公司產(chǎn)品的售后服務(wù)收入占其總銷(xiāo)售額的份額不會(huì)降低。

此外，隨著各類(lèi)智能傳感器、無(wú)線傳感器技術(shù)的發(fā)展，氣動(dòng)系統(tǒng)生成的更多數(shù)據(jù)，可用于優(yōu)化設(shè)計(jì)或預(yù)測(cè)性維修，提高系統(tǒng)可靠性，因此未來(lái)的氣動(dòng)系統(tǒng)的壽命周期也會(huì)更長(zhǎng)。