硬式空中加油作動系統(tǒng)技術(shù)現(xiàn)狀與研制探討

滕利強

(航空工業(yè)慶安集團有限公司,西安,710077)

從1923年誕生的第一架DH-4B加油機[1]算起，空中加油機已擁有近百年的發(fā)展歷程，到如今形成了兩種截然不同的空中加油方式：軟管-錐套式(簡稱軟式)空中加油[2]和伸縮套管式(簡稱硬式)空中加油[3]。兩種空中加油方式相比，硬式空中加油的速率通常是軟式空中加油速率的3倍，可以達到4 500 L/min左右，能夠極大地縮短加油時長，并具有抗氣流擾動能力強和方便加油對接等優(yōu)勢。

當前，包括我國在內(nèi)的主要航空強國都能夠研制軟式空中加油機，而能夠研制硬式空中加油機的只有美國和法國，相關(guān)的硬式空中加油系統(tǒng)則是其中的關(guān)鍵制約因素，因此，國內(nèi)外眾多學者針對該系統(tǒng)從不同方面展開了研究工作。國外文獻[4-6]對KC-135加油機的硬式空中加油伸縮套管動態(tài)特性進行了建模仿真研究；文獻[7]介紹了KC-10加油機硬式空中加油作動系統(tǒng)的控制特點和試驗驗證方法；文獻[8]針對A330MRTT加油機的硬式空中加油作動系統(tǒng)組成進行了介紹，并提出了一種電力供給方案；文獻[9]從建模、傳感器、控制策略、仿真與試驗測試等方面進行分析，總結(jié)了硬式空中加油系統(tǒng)的未來發(fā)展趨勢；文獻[10]對硬式空中加油系統(tǒng)的協(xié)調(diào)控制進行了建模仿真研究。國內(nèi)文獻[1]在20世紀90年代對國外加油機的發(fā)展歷程和空中加油設(shè)備行了簡單介紹，并提出了后續(xù)尚待解決的問題；文獻[11]針對KC-135加油機硬式空中加油作動系統(tǒng)的組成進行了簡單介紹，著重對控制系統(tǒng)進行了分析研究；文獻[12]對多型加油機的軟式和硬式空中加油設(shè)備進行了對比分析，但僅涉及到兩型硬式空中加油設(shè)備且較為籠統(tǒng)；文獻[13]對國內(nèi)外硬式空中加油系統(tǒng)的建模與仿真研究情況進行了總結(jié)分析，但沒有涉及硬式空中加油作動系統(tǒng)的具體組成和技術(shù)特點；文獻[14]在對比國內(nèi)外空中加油機現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上，分析了我國加油機和空中加油系統(tǒng)的后續(xù)發(fā)展可能；文獻[15～16]在簡單介紹硬式空中加油裝置基本組成的基礎(chǔ)上，從操縱品質(zhì)和動力學建模方面進行了仿真分析研究。綜上，可以看出國內(nèi)外學者針對硬式空中加油系統(tǒng)或作動系統(tǒng)的理論研究較多，但是鮮見系統(tǒng)地研究硬式空中加油作動系統(tǒng)方面的文章。本文將從該視角對比分析現(xiàn)役主要加油機硬式空中加油作動系統(tǒng)的組成與技術(shù)特點，總結(jié)關(guān)鍵技術(shù)，并結(jié)合國內(nèi)技術(shù)現(xiàn)狀，對研制硬式空中加油作動系統(tǒng)進行探討，以期為該系統(tǒng)的國產(chǎn)化研制提供有益探索。

1 研制硬式空中加油作動系統(tǒng)的主要影響因素

硬式空中加油作動系統(tǒng)作為實現(xiàn)硬式空中加油的關(guān)鍵系統(tǒng)，能夠控制加油伸縮套管進行收放、伸縮、俯仰和偏航運動，研制該系統(tǒng)主要涉及以下3方面的因素。

1.1 機械因素

受限于載機平臺的總體布局影響，硬式空中加油伸縮套管的結(jié)構(gòu)類似一根單端鉸約束的薄壁細長桿。狹長的結(jié)構(gòu)中不但布置有大口徑的加油傳輸管，還需布置大行程的伸縮傳動裝置、姿態(tài)調(diào)節(jié)作動器、信號與能量傳輸線纜或管路等零部件。因此，對相關(guān)裝置和零部件的結(jié)構(gòu)提出了結(jié)構(gòu)小和重量輕的設(shè)計要求。在加油對接時，伸縮套管的長度通常可以達到15 m左右，與普通戰(zhàn)斗機的長度相當，但長徑比卻大于17，在自身重力和氣動載荷的作用下存在著彈性變形，需要通過特殊的結(jié)構(gòu)設(shè)計或機構(gòu)設(shè)計來保證其內(nèi)部機械傳動裝置的平穩(wěn)性與可靠性。

1.2 控制因素

硬式空中加油伸縮套管安裝于機尾的紊流區(qū)域，加油對接時，伸縮套管除受紊流影響外，還會受到陣風影響，所受氣動力復(fù)雜。而伸縮套管本身又為薄壁細長桿，剛度較弱，在復(fù)雜氣動力的影響下會加劇伸縮套管加油管嘴端的振蕩，操控稍有不慎就會損傷受油機。加油對接后，加油管嘴處還會產(chǎn)生對接應(yīng)力，過大的應(yīng)力除易造成相關(guān)機械結(jié)構(gòu)磨損或結(jié)構(gòu)破壞外，加油脫離時還易造成甩鞭現(xiàn)象，危及加/受油機的安全。因此，對加油員的操控技能或系統(tǒng)控制的魯棒性提出了較高的要求。

1.3 安全因素

硬式空中加油作動系統(tǒng)所控制的伸縮套管安裝于機尾下部，具有結(jié)構(gòu)長和重量大的特點，若控制功能失效，伸縮套管會在自身重力作用下下垂，大幅超過加油機的外廓尺寸，極易危及加/受油機的裝備安全或人員安全。因此，在系統(tǒng)設(shè)計時必須有針對性的對控制伸縮套管在不同自由度運動的子系統(tǒng)進行充分的失效危害性評估，通過合理的系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計、故障監(jiān)控設(shè)計或故障-安全設(shè)計等方法來保證系統(tǒng)的安全性。

2 主要硬式空中加油作動系統(tǒng)組成與特點

從20世紀50年代，波音公司以B-29轟戰(zhàn)機為平臺而研制的具有硬式空中加油作動系統(tǒng)的KB-29P加油機算起，包含硬式空中加油作動系統(tǒng)的加油機及其系統(tǒng)主要經(jīng)歷了如圖1所示的四個發(fā)展階段。

前兩個階段受限于機身平臺，加油員以趴姿目視操作，硬式空中加油作動系統(tǒng)采用機械液壓作動技術(shù)；到KC-10加油機，機身平臺開始采用空間更大的寬體客機，加油員以坐姿目視操作，而硬式空中加油作動系統(tǒng)則開始利用電傳操縱技術(shù)；發(fā)展到當前最先進的KC-46A和A330MARTT加油機，加油員采用遠程視頻影像系統(tǒng)進行操作，后者不僅實現(xiàn)了全自動硬式空中加油，硬式空中加油作動系統(tǒng)也已全面采用功率電傳技術(shù)。下面將對當前現(xiàn)役主要加油機的硬式空中加油作動系統(tǒng)組成和技術(shù)特點進行梳理分析。

圖1 硬式空中加油機及其硬式空中加油作動系統(tǒng)發(fā)展趨勢

2.1 KC-135加油機

該型加油機是波音公司于20世紀50年代以C-135軍用運輸機為平臺而研制的一款具有硬式空中加油系統(tǒng)的專用空中加油機，當前仍是全球服役數(shù)量最多的空中加油機[17-20]。該機的硬式空中加油作動系統(tǒng)架構(gòu)如圖2所示，系統(tǒng)的組成與技術(shù)特點如下所述，作動所需功率源來自于機上的21 MPa液壓系統(tǒng)。

圖2 KC-135加油機硬式空中加油作動系統(tǒng)架構(gòu)

2.1.1 收放作動子系統(tǒng)

該系統(tǒng)主要由收放閥控模塊和收放作動器等組成，可在收放開關(guān)的作用下對伸縮套管進行收放控制。加油對接前，伸縮套管在該系統(tǒng)的控制下被提前下放到距離飛機尾部水平夾角30°的位置，后由伸縮和姿態(tài)調(diào)節(jié)子系統(tǒng)進行控制。

2.1.2 伸縮作動子系統(tǒng)

該系統(tǒng)主要由伸縮閥控模塊和伸縮作動器等組成，可通過伸縮手柄對內(nèi)管進行伸縮控制。系統(tǒng)所控制的伸縮套管外管長約8.5 m，內(nèi)管長約5.6 m，全部伸出時套管總長約14.3 m。加油對接后內(nèi)管可隨對接軸向力隨動，并且為保證設(shè)備安全，內(nèi)管在伸出與收進極限位置處設(shè)計有彈簧阻尼緩沖裝置。

2.1.3 姿態(tài)調(diào)節(jié)作動子系統(tǒng)

該系統(tǒng)所驅(qū)動的舵面為兩塊組合成“V”型[21]的方向升降舵，利用舵面的同向或異向偏轉(zhuǎn)對伸縮套管進行俯仰和偏航控制，舵面由液壓助力器驅(qū)動。系統(tǒng)可通過姿態(tài)手柄控制伸縮套管在俯仰-10°～10°、偏航-15°～15°的包線范圍內(nèi)進行姿態(tài)調(diào)節(jié)，此時伸縮套管類似一個飛行器，具有飛行器的空氣動力學特性。

KC-135是美軍現(xiàn)役最老型號的空中加油機，機上的硬式空中加油作動系統(tǒng)主要采用機械技術(shù)和液壓機械技術(shù)實現(xiàn)控制信號傳遞和能量轉(zhuǎn)換，因此導(dǎo)致系統(tǒng)的零部件數(shù)量較多，降低了系統(tǒng)的可靠性與維護性。

該型加油機采用“V”型舵面對伸縮套管進行俯仰和偏航控制，以減少姿態(tài)調(diào)節(jié)所需舵面、助力器和機械傳動線系的零部件數(shù)量，從而減輕伸縮套管的總重量。而為了保證系統(tǒng)機械傳輸?shù)姆€(wěn)定性和可靠性，以及各個子系統(tǒng)的傳輸精度、傳輸距離、傳輸載荷和安裝空間等不同設(shè)計需求，該機的收放作動子系統(tǒng)通過鋼絲繩卷筒傳動來實現(xiàn)長距離機械傳輸，伸縮作動子系統(tǒng)通過齒輪鏈條傳動來實現(xiàn)伸縮套管的防打滑機械傳輸，姿態(tài)調(diào)節(jié)作動子系統(tǒng)則通過鋼絲繩索傳動來保證控制信號的傳遞精度，且后兩個子系統(tǒng)均根據(jù)自身特點設(shè)計有機械自動張緊裝置，以保證機械傳動線系能夠自動適應(yīng)伸縮套管的彈性變形，并可防止傳動線系松弛。

加油對接操作時，驅(qū)動舵面偏轉(zhuǎn)的液壓助力器是通過鋼絲繩索進行控制信號的傳遞。長期使用會因機械摩損而增大控制環(huán)節(jié)的死區(qū)，影響控制精度，并易引發(fā)控制突變，加之伸縮套管的低剛度特性，故該型加油機對加油員的操作技能要求較高。在強干擾氣流環(huán)境下操作稍有不慎就會損傷受油機的涂層或蒙皮，這從公開報道的圖片或視頻中可出看出，但該缺陷對于常規(guī)戰(zhàn)機來說是能夠容忍的。加油對接后，管嘴處所產(chǎn)生的對接應(yīng)力則是利用機械方法進行被動消除，通過管嘴后端的關(guān)節(jié)軸承結(jié)構(gòu)進行有限角度范圍的消除。

由于該型加油機研制于20世紀50年代，受限于傳感技術(shù)、控制技術(shù)和系統(tǒng)安全性設(shè)計理念等因素的影響，硬式空中加油作動系統(tǒng)中的重要功率單元——收放作動器和伸縮作動器僅采用單液壓馬達進行驅(qū)動，該方式無法保證系統(tǒng)的收放功能和伸縮功能具有較高的安全性，控制功能失效后容易造成伸縮套管的自由下落。

2.2 KC-10加油機

該型加油機是美軍為彌補KC-135的不足而采購的麥道公司(后并入波音公司)產(chǎn)品。該機是麥道公司于20世紀70年代末以DC-10寬體客機為平臺而研發(fā)的一款具有硬式空中加油系統(tǒng)并兼有運輸功能的空中加油機[22-23]。

機上的硬式空中加油作動系統(tǒng)首次采用了硬桿控制計算機(boom control computer，BCC)和電傳操縱技術(shù)，所有的控制指令都以電信號形式傳輸。該系統(tǒng)的架構(gòu)如圖3所示，系統(tǒng)的組成與技術(shù)特點如下所述，其中各子系統(tǒng)的主要功能與KC-135相同，作動所需功率源同樣來自于機上21 MPa液壓系統(tǒng)。

圖3 KC-10加油機硬式空中加油作動系統(tǒng)架構(gòu)

2.2.1 收放作動子系統(tǒng)

該系統(tǒng)主要由閥控液壓馬達模塊、機電作動模塊、機械雙輸入單輸出動力綜合模塊、鋼絲繩卷筒模塊、張緊液壓馬達和BCC中的相應(yīng)電子控制單元等組成，對接前的下放角度與KC-135相同。

2.2.2 伸縮作動子系統(tǒng)

該系統(tǒng)主要由電氣兩余度的伺服閥控液壓馬達模塊、齒輪鏈繩傳動模塊和BCC中的相應(yīng)電子控制單元等組成。系統(tǒng)所控制的伸縮套管外管長約11 m，內(nèi)管長約7 m，全部伸出時套管總長約17.7 m，比KC-135的伸縮套管更長，增加了加/受油機間的對接距離，提高了加油對接時的安全系數(shù)。

2.2.3 姿態(tài)調(diào)節(jié)作動子系統(tǒng)

該系統(tǒng)所驅(qū)動的舵面構(gòu)型類似“H”型[20]，即由一塊兩端帶有方向舵的升降舵組合體構(gòu)成，舵面由電液伺服作動器驅(qū)動。與KC-135相比，該型舵面對伸縮套管的俯仰和偏航運動實現(xiàn)了解耦控制，而且偏航角度控制范圍也增大到了-25°～25°，這些改變增加了加油對接操作的便利性。

與KC-135相比，由于該型加油機的硬式空中加油作動系統(tǒng)采用了電傳操縱技術(shù)，因此消除了因控制信號傳輸而大量使用的機械和液壓機械零部件數(shù)量。故該型加油機上的“H”型舵面，雖然增加了舵面和作動器的數(shù)量，但沒有因此增加伸縮套管的總重量。根據(jù)系統(tǒng)的傳輸特點，伸縮和收放的作動部分仍采用機械傳輸，其中收放作動系統(tǒng)的機械傳輸方式與KC-135相同；而伸縮作動系統(tǒng)由于工作行程的增加，采用全鏈條傳輸會帶來增重問題，該機采用鏈繩結(jié)合的方式解決該問題，保留動力輸出端的鏈條傳輸仍可保證伸縮套管運動的平穩(wěn)性，避免全鋼絲繩傳動所可能引發(fā)的打滑問題。

得益于電傳操縱技術(shù)和BCC的使用，以及控制技術(shù)和傳感技術(shù)的進步。該機通過合理設(shè)置位置傳感器和加速度傳感器來檢測伸縮套管的運動狀態(tài)，并將反饋信號引入BCC的增穩(wěn)或控制增穩(wěn)系統(tǒng)，通過控制環(huán)節(jié)來提高伸姿態(tài)調(diào)節(jié)作動系統(tǒng)抵抗外部干擾的能力，保證加油對接控制精度。而為了減小加油對接應(yīng)力，該機通過自動負荷緩解系統(tǒng)(automatic load alleviation system，ALRS)來實現(xiàn)對接應(yīng)力的主動調(diào)節(jié)，該系統(tǒng)通過加油管嘴處的力傳感器感應(yīng)對接后的管嘴徑向力，反饋信號輸?shù)紹CC中與加油管嘴對應(yīng)軸向的閾值進行比較，若超過門限則通過控制相應(yīng)的舵面偏轉(zhuǎn)，降低該軸向的徑向力，使其維持在設(shè)定的范圍，同時也因此消除了加油管嘴斷開瞬間所產(chǎn)生的甩鞭現(xiàn)象[22]。

KC-10為了保證硬式空中加油作動系統(tǒng)電傳化后的安全性，系統(tǒng)整體采用電氣兩余度架構(gòu)，具有一次故障-工作，兩次故障-安全的容錯能力[23]。系統(tǒng)的控制部分通過完善的故障監(jiān)控設(shè)計和重要功能的飛行前測試，保證發(fā)出非受控指令的故障概率小于10-9/飛行小時[7]。而系統(tǒng)中的收放作動器則采用液壓與電力組成的雙作動功率輸入，保證收放作動功能的失效概率與控制部分相當。系統(tǒng)為了確保加油對接時的姿態(tài)調(diào)節(jié)安全，所涉及的舵面作動器利用兩個液壓串聯(lián)的電液伺服閥進行液壓控制和監(jiān)控，保證控制部分能夠及時得到作動器的故障狀態(tài)并做出故障隔離或故障-安全處理，避免姿態(tài)調(diào)節(jié)時出現(xiàn)非期望運動損傷加油設(shè)備或受油機。

2.3 KC-46A加油機

上述兩型加油機的分別研制于20世紀50年代和70年代末，特別是KC-135所采用的技術(shù)較為落后，長期、高頻的使用也加速了兩型加油機的老化，增加了維護費用。為替換上述兩型加油機，美軍于2019年開始采購波音公司以B767-2C寬體客機為平臺而研制的一款具有硬式空中加油系統(tǒng)的KC-46A多用途空中加油機[24]。

由于該型加油機采用了許多新技術(shù)，且存在著交付趕進度方面的問題，由此帶來了許多技術(shù)問題。在美軍的裝備使用中發(fā)現(xiàn)，該機不但存在機身平臺方面的技術(shù)問題，而且硬式加油作動系統(tǒng)也存在著控制抖動問題，嚴重影響了空中加油對接操作。雖然該型加油機采用了許多新技術(shù)，但相關(guān)的硬式空中加油作動系統(tǒng)則是延用了已在KC-10上成熟應(yīng)用的電傳操縱技術(shù)，系統(tǒng)架構(gòu)和組成也與KC-10相似[25]，故不再贅述。

2.4 A330MRTT加油機

該型加油機是空客公司以A330-200寬體客機為平臺而研發(fā)的一款具有硬式空中加油系統(tǒng)的多用途空中加油運輸機。從公開報道可知，該機的整體性能優(yōu)于KC-46A，相關(guān)的硬式空中加油作動系統(tǒng)已在A310MRTT加油測試機上完成了全球首次全自動硬式空中加油飛行測試[26-27]。

機上的硬式空中加油作動系統(tǒng)與KC-10和KC-46A一樣，都采用了專用BCC和電傳操縱技術(shù)，但作動部分則全面采用了電功率作動，功率來自于機上兩路115 V/400 Hz交流電源，該系統(tǒng)的架構(gòu)如圖4所示，系統(tǒng)組成與技術(shù)特點如下所述。

圖4 A330MRTT加油機硬式空中加油作動系統(tǒng)架構(gòu)

2.4.1 收放作動子系統(tǒng)

該系統(tǒng)主要由帶電磁制動器的270 V直流永磁無刷電機、機械雙輸入單輸出動力綜合模塊、鋼絲繩卷筒模塊和相應(yīng)電子控制單元等組成。加油對接時系統(tǒng)的下放角度與上述加油機相同。系統(tǒng)根據(jù)使用狀態(tài)分為3種工作模態(tài)。把持模態(tài)：此時系統(tǒng)的電子控制單元(electronic control unit, ECU)處于供電，電機和電磁制動器處于斷電把持狀態(tài)；正常工作模態(tài)：系統(tǒng)ECU可根據(jù)BCC的速度指令控制電機對伸縮套管實現(xiàn)收放控制；地面維護模態(tài)：用于該系統(tǒng)的地面手動操作。

2.4.2 伸縮作動子系統(tǒng)

該系統(tǒng)的驅(qū)動電機類型與上述子系統(tǒng)相同，在相應(yīng)電子單元的控制下由機械雙輸入單輸出齒輪鏈繩傳動模塊進行動力綜合與輸出，所控制的伸縮套管在內(nèi)管全部伸出時長約17 m。該系統(tǒng)具有4種工作模態(tài)。把持模態(tài)和地面維護模態(tài)的功能同上；正常工作模態(tài)：該模態(tài)下ECU可根據(jù)BCC的速度指令對伸縮套管的內(nèi)管進行運動快慢控制；對接隨動模態(tài)：當伸縮套管與受油機對接后，系統(tǒng)可跟隨對接后的軸向載荷實現(xiàn)被動伸出、收進或把持。

2.4.3 姿態(tài)調(diào)節(jié)作動子系統(tǒng)

該系統(tǒng)所驅(qū)動的舵面構(gòu)型與KC-135的“V”型相同，舵面作動器的類型與上述兩個子系統(tǒng)相同。系統(tǒng)3種工作模態(tài)中的把持模態(tài)和地面維護模態(tài)功能同上，正常工作模態(tài)非對接狀態(tài)下，系統(tǒng)根據(jù)BCC的控制指令驅(qū)動舵面，對接后系統(tǒng)在ALRS的作用下動態(tài)調(diào)節(jié)舵面。

與上述兩型加油機相比，A330MRTT的硬式空中加油作動系統(tǒng)也采用了電傳操縱技術(shù)，但作動部分則已經(jīng)完全實現(xiàn)了電功率作動，消除了因液壓作動而需使用的液壓管路和液壓機械零部件。根據(jù)目前的技術(shù)，雖然相同功率的機電作動器比電液伺服作動器重，但是由于該型加油機的伸縮套管采用了“V”型舵面，與“H”型舵面相比，減少了舵面和作動器的數(shù)量。綜合來看，硬式空中加油姿態(tài)調(diào)節(jié)作動子系統(tǒng)并沒有因為采用電功率作動而增加伸縮套管的重量。剩余伸縮和收放作動子系統(tǒng)所必需的機械傳輸部分，由于沒有發(fā)生革命性的技術(shù)變化，故這兩個子系統(tǒng)的機械傳輸部分與KC-10和KC-46A相似。與美軍硬式空中加油作動系統(tǒng)的集中式架構(gòu)相比，該機首次采用了分布式架構(gòu)，將與各作動子系統(tǒng)緊密相關(guān)的電子控制部分從BCC中獨立出來，置于外場可更換單元ECU中，而ECU與作動器采用一體化或就近安裝，與BCC通過A429總線進行通信，不僅減少了作動與控制單元間的導(dǎo)線使用量，而且也減輕了伸縮套管中的導(dǎo)線重量，降低了所占空間，這對于空間狹小的伸縮套管尤為重要。

對于作動控制部分，該機同樣采用合理布置傳感器來檢測伸縮套管的運動狀態(tài)和受力狀態(tài)信息，通過控制律設(shè)計來保證系統(tǒng)的魯棒性并緩解加油對接應(yīng)力。但不同的是將與各作動子系統(tǒng)密切相關(guān)的伺服控制、功率驅(qū)動、故障監(jiān)控和余度管理等功能單元置于ECU中，將ALRS、增穩(wěn)或控制增穩(wěn)系統(tǒng)以及外部狀態(tài)感知傳感器的信號處理單元等則置于BCC中，由BCC根據(jù)操縱指令產(chǎn)生各子系統(tǒng)的控制信號。這種分布式的控制方式不僅降低了BCC的功耗發(fā)熱量，提高了BCC的可靠性，而且還優(yōu)化了系統(tǒng)的控制律和控制電路，方便系統(tǒng)根據(jù)需要只對相關(guān)的部分軟件或硬件進行升級，提高了系統(tǒng)的保障性。例如，該機所最新具備的自動硬式空中加油能力，就是通過擴展BCC而實現(xiàn)的，BCC根據(jù)激光與紅外融合精確感知系統(tǒng)和增強視頻影像系統(tǒng)等[27-28]的反饋信號，實時獲取受油機與外部環(huán)境的狀態(tài)，自動規(guī)劃硬式空中加油作動系統(tǒng)的動作路徑，并將路徑轉(zhuǎn)換成系統(tǒng)進行收放、伸縮、偏航與俯仰運動的控制指令，過程中自動調(diào)節(jié)參數(shù)，以確保整個空中加油的作動控制精度。

該機為了保證硬式空中加油作動系統(tǒng)的安全性，系統(tǒng)整體也采用了電氣兩余度架構(gòu)，電氣容錯能力與KC-10和KC-46A相同，其中的作動器均采用雙電機和雙電力供給的方式來保證收放功能、伸縮功能和姿態(tài)調(diào)節(jié)功能的失效概率與控制部分相當。由于采用了電功率作動技術(shù)，故導(dǎo)致控制部分的驅(qū)動電路比電液伺服驅(qū)動電路復(fù)雜，降低了控制單元的可靠性，但仍能夠保證控制部分發(fā)出非受控指令的故障概率滿足設(shè)計要求，達到小于10-8/飛行小時。當該系統(tǒng)的某個子系統(tǒng)全部控制功能或作動功能失效后，可通過作動器上的電磁制動器將作動器鎖定在故障位置，避免故障系統(tǒng)不受控而影響加油作業(yè)安全。

3 硬式空中加油作動系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)

對第2節(jié)所述機型的硬式空中加油作動系統(tǒng)按表1進行歸納，并結(jié)合相關(guān)系統(tǒng)的技術(shù)特點，提煉出該系統(tǒng)主要具有以下關(guān)鍵技術(shù)。

表1 典型加油機硬式空中加油作動系統(tǒng)主要指標對比

3.1 高功重比的作動設(shè)計技術(shù)

從上述主要機型的硬式空中加油作動系統(tǒng)技術(shù)發(fā)展特點可知，該系統(tǒng)雖然已經(jīng)實現(xiàn)了電傳操縱，并呈現(xiàn)出全電作動和靈巧作動的發(fā)展趨勢，減少了機械零部件的數(shù)量，甚至消除了液壓零部件的使用，但在結(jié)構(gòu)狹長的伸縮套管中仍需要集成安裝伸縮傳動裝置、ECU、姿態(tài)調(diào)節(jié)作動器和相關(guān)附件。因此，為了優(yōu)化伸縮套管的內(nèi)部空間，減輕伸縮套管的總重量，應(yīng)充分利用當前成熟的輕質(zhì)高強度材料、高功率密度電磁驅(qū)動技術(shù)、結(jié)構(gòu)一體化成型技術(shù)、總線傳輸技術(shù)和高集成控制技術(shù)等新材料與新技術(shù)，在滿足作動功能、性能、安全性和可靠性需求的前提下，對硬式空中加油作動系統(tǒng)，特別是伸縮套管內(nèi)的作動系統(tǒng)進行小型化、輕量化和一體化設(shè)計，以提高作動系統(tǒng)的功重比。

3.2 多干擾因素作用下的魯棒控制技術(shù)

硬式空中加油作動系統(tǒng)的電傳化操縱，雖然避免了機械操縱所帶來的非線性、重量大、尺寸大、力反傳和控制精度低等弊端，但是伸縮套管的細長結(jié)構(gòu)特性，極易在飛行中產(chǎn)生彈性振蕩，影響加油對接作業(yè)，而振蕩的主要誘因有：紊流與突風環(huán)境、姿態(tài)運動和內(nèi)管伸縮等。對接后，伸縮套管還會受到對接應(yīng)力和燃油傳輸?shù)纫蛩氐挠绊?。上述因素不僅動態(tài)變化，且彼此耦合，增加了系統(tǒng)控制律的設(shè)計難度。為了保證系統(tǒng)控制的魯棒性，應(yīng)充分分析被控對象的低阻尼、彈性振蕩和作業(yè)環(huán)境影響等因素，有針對性的進行控制律設(shè)計，并通過建模仿真、半物理仿真試驗和飛行試驗等方法迭代驗證。

3.3 高可靠的故障監(jiān)控與余度管理技術(shù)

由于硬式空中加油作動系統(tǒng)屬于機上的任務(wù)系統(tǒng)，且從系統(tǒng)重量、體積、成本和影響飛機安全等因素考慮，電傳化的硬式空中加油作動系統(tǒng)通常采用電氣兩余度架構(gòu)。而為了保證系統(tǒng)的安全性和電氣部分的可靠性，并具有一次故障-工作，二次故障-安全的電氣容錯能力，需要系統(tǒng)具有高可靠的故障監(jiān)控和完善的余度管理能力。當前，電傳化系統(tǒng)主要依靠監(jiān)控元件、監(jiān)控電路和監(jiān)控軟件等方法實現(xiàn)故障監(jiān)控，并據(jù)此進行余度管理?？梢钥闯?，若控制系統(tǒng)本無故障，而是由于監(jiān)控單元發(fā)生虛警也會導(dǎo)致系統(tǒng)余度降級，這對于只有電氣兩余度的加油作動系統(tǒng)來說會極大地降低系統(tǒng)的任務(wù)可靠性。因此，為了提高系統(tǒng)的故障監(jiān)控能力，降低虛警率，在進行監(jiān)控單元設(shè)計時，除了選擇成熟的監(jiān)控技術(shù)和監(jiān)控器件外，還應(yīng)考慮系統(tǒng)所處的復(fù)雜機械環(huán)境、電磁環(huán)境和自然環(huán)境影響，并通過充分的試驗驗證優(yōu)化故障監(jiān)控設(shè)計，保證系統(tǒng)的任務(wù)可靠性。

4 研制國產(chǎn)硬式空中加油作動系統(tǒng)的探討

4.1 作動技術(shù)的選擇

從國外硬式空中加油作動技術(shù)的發(fā)展歷程來看，均采用了當時已在型號飛機機載作動系統(tǒng)中成熟應(yīng)用的作動技術(shù)。如20世紀50年代研制的KC-135加油機，硬式空中加油作動系統(tǒng)采用了機械液壓作動技術(shù)；到20世紀80年代研制的KC-10加油機，硬式空中加油作動系統(tǒng)則采用了信號電傳液壓作動技術(shù)；發(fā)展到當前的A330MRTT加油機，硬式空中加油作動系統(tǒng)已全面采用了功率電傳作動技術(shù)?？梢钥闯鰢庋兄朴彩娇罩屑佑妥鲃酉到y(tǒng)所采用的作動技術(shù)路線清晰，沒有先于同時期的機載作動系統(tǒng)而率先采用新型作動技術(shù)，以保證硬式加油作動系統(tǒng)的可靠性和加油對接的安全性。綜合分析當前我國航空機載作動系統(tǒng)領(lǐng)域的技術(shù)現(xiàn)狀，并結(jié)合國外硬式空中加油作動系統(tǒng)的研制歷程，我國在研制該系統(tǒng)時可優(yōu)先采用電液伺服作動技術(shù)，同時擇機開展大功率(不小于25 kW)機電作動技術(shù)的儲備研究，待技術(shù)成熟后，再拓展應(yīng)用到硬式空中加油作動系統(tǒng)。

4.2 控制方式的選擇

波音和空客所研制加油機的硬式空中加油作動系統(tǒng)均采用了當時的成熟控制技術(shù)。如KC-135加油機，其硬式空中加油作動系統(tǒng)主要采用機械液壓控制技術(shù)；到KC-10加油機，硬式空中加油作動系統(tǒng)開始采用專用計算機和電傳操縱技術(shù)；再到A330MRTT加油機，硬式空中加油作動系統(tǒng)已能根據(jù)外部傳感系統(tǒng)的反饋信號，在先進算法的控制下實現(xiàn)全自動硬式加油對接作動，并呈現(xiàn)出智能化的發(fā)展趨勢。

波音作為全球最先研發(fā)和使用硬式空中加油作動系統(tǒng)的公司，從KC-135算起已擁有近70年的加油機研制經(jīng)驗，但其最新研制的KC-46A加油機仍面臨著許多問題，如硬式空中加油作動系統(tǒng)在遠程視頻影像環(huán)境下存在控制抖動，逆光環(huán)境下無法準確操控，以及全自動硬式空中加油尚未工程化等。空客作為后來者，雖然研制歷程不及波音，但從2005年開始就以A310MRTT加油測試機對硬式空中加油作動系統(tǒng)進行充分的裝機飛行測試，包括后續(xù)的全自動硬式空中加油，都是在相關(guān)技術(shù)成熟后才應(yīng)用到A330MRTT加油機上。我國作為硬式空中加油的入門探索者，無論是在研制經(jīng)驗方面，還是在基礎(chǔ)技術(shù)方面，均不及波音和空客。因此，在控制方式的選擇上可結(jié)合國內(nèi)技術(shù)現(xiàn)狀，秉承“技術(shù)成熟，充分驗證”的原則，并充分借鑒A330MRTT加油機硬式空中加油作動系統(tǒng)的研制經(jīng)驗，先采用常規(guī)電傳操縱技術(shù)保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性與可靠性，后逐步實現(xiàn)新技術(shù)與作動系統(tǒng)的拓展融合。

4.3 系統(tǒng)架構(gòu)的選擇

早期KC-135加油機的硬式空中加油作動系統(tǒng)主要采用液壓機械控制技術(shù)，系統(tǒng)架構(gòu)沒有采用余度設(shè)計；到了后期的KC-10加油機，硬式空中加油作動系統(tǒng)采用了信號電傳操縱技術(shù)，系統(tǒng)設(shè)計為集中式、電氣兩余度架構(gòu)；發(fā)展到A330MRTT加油機，硬式空中加油作動系統(tǒng)則采用了功率電傳操縱技術(shù)，系統(tǒng)設(shè)計為分布式、電氣兩余度架構(gòu)，電功率驅(qū)動部分和BCC也都采用了物理獨立的兩余度設(shè)計，系統(tǒng)的架構(gòu)設(shè)計更加完善。

可以看出，在硬式空中加油作動系統(tǒng)開始采用電傳操縱技術(shù)以來，并隨著安全性設(shè)計理念的深入，系統(tǒng)主要采用余度設(shè)計的方法來保證安全性。因此，我國在研制硬式空中加油作動系統(tǒng)時，可以借鑒相關(guān)產(chǎn)品的研制經(jīng)驗，以及相似產(chǎn)品的研制成果。系統(tǒng)采用分布式、電氣兩余度架構(gòu)，用比較監(jiān)控技術(shù)提高故障監(jiān)控覆蓋率，即系統(tǒng)控制部分的余度架構(gòu)為2×2，兩個獨立的控制通道中都設(shè)計有一個指令支路和一個監(jiān)控支路，兩個支路比較一致后輸出控制指令，該技術(shù)可保證系統(tǒng)的故障監(jiān)控覆蓋率大于95%，能夠有效提升系統(tǒng)的安全性。采用上述電液作動技術(shù)和余度配置的硬式空中加油作動系統(tǒng)架構(gòu)如圖5所示。

圖5 提議的硬式空中加油作動系統(tǒng)架構(gòu)

5 結(jié)語

當前，波音公司與空客公司均已研制出了各自包含硬式空中加油系統(tǒng)的新型加油機KC-46A和A330MRTT，這兩型加油機的硬式空中加油作動系統(tǒng)都呈現(xiàn)出了載機平臺寬體客機化、控制自動化/智能化、功率電傳化和作動靈巧化的發(fā)展特點。目前，我國在研制硬式空中加油作動系統(tǒng)時，所面臨的關(guān)鍵技術(shù)和研制基礎(chǔ)，與歐、美這樣的航空強國還存在著一定的差距。因此，研制時應(yīng)根據(jù)國內(nèi)相關(guān)技術(shù)現(xiàn)狀，循序漸進、迭代更新，在保證系統(tǒng)安全性與可靠性的基礎(chǔ)上逐步拓展應(yīng)用先進技術(shù)，從而能夠早日為我國的空中加油方式提供技術(shù)多選項，助力空軍戰(zhàn)略轉(zhuǎn)型。