Работа невидимых сил: Давление

Электро против гидро

На заре авиации управление рулями осуществлялось с помощью мускульной силы человека — пилот нажимал на педаль, с помощью тяг или тросов усилие передавалось к соответствующему аэродинамическому элементу, и тот начинал двигаться. Все это продолжалось до тех пор, пока размеры рулей и скорости летательных аппаратов не выросли настолько, что человеку оказалось просто не под силу «ворочать» и дальше аэродинамические поверхности в набегающем потоке воздуха. Тогда на помощь пришла гидравлика. Насос, имеющий привод от авиадвигателя, нагнетал давление масла в системе, а клапаны, механически связанные с системой управления (с теми же тросами), в нужное время открывались и запускали работу поршней, помогавших человеку совладать с рулями. С появлением системы Fly-by-wire клапаны стали электромеханическими и управляли ими путем подачи электрического сигнала из кабины пилота.

Следующим шагом, как вроде бы подсказывает нам естественный ход событий, должна стать полная замена гидравлических приводов на электрические — зачем связываться с насосами и трубопроводами с находящейся в них жидкостью под огром­ным давлением, если можно просто протянуть провода к электромотору? Почему же этот переход до сих пор не произошел, спросили мы Юрия Лебедева — менеджера по проектам российского отделения всемирно известной корпорации Eaton, специализирующейся на разработке и производстве высокотехнологичной начинки для лайнеров всех ведущих авиапроизводителей в мире.

«Тенденция налицо — постепенный переход от гидравлики к электромеханике происходит, но надо понимать, что это путь долгий, — говорит Юрий Лебедев. — Начало ему было положено уже достаточно давно: еще в Boeing 727 и 737 ставили электроприводы на второстепенные аэродинамические элементы вроде закрылков, а также на механизм перекладки стабилизатора. Дело однако в том, что преобразование электрической энергии в механическую в условиях воздушного судна представляет определенные проблемы с точки зрения и КПД, и весовых характеристик самолета. Попросту говоря, мощный электропривод, который необходим для поворота руля на большом лайнере, оказывается слишком тяжелым, и в этом смысле гидравлика пока вне конкуренции.

Другое дело — малые формы. Например, разрабатывая систему приводов для бизнес-джетов компании Embraer, мы активно использовали решения, связанные с электроприводами. В силу своих размеров рули и механизация в этих самолетах не испытывают столь больших аэро­динамических нагрузок, а потому электромоторы могут сохранять приемлемые размеры.

То же касается беспилотников. Ведь в конце концов, если говорить о военном их применении, электромеханическая система управления дает большие преимущества в живучести. Если пуля пробьет трубопровод, вся гидравлическая система лишится жидкости и перестанет работать. Если окажется перебитым электрический провод, перестанет работать лишь то устройство, которое он питал».

Единство в гибриде

Как бы то ни было, но в системе управ­ле­ния большими лайнерами вроде А 380 гидравлика занимает пока весьма заметное место. Правда, в контексте великой борьбы конструкторов за экономичность и против лишнего веса (чего требуют от авиастроителей авиаперевозчики, шокированные по­сто­ян­ным ростом цен на авиакеросин) гидравлические системы претерпевают серьезные технологические мини-революции.

Гигант А 380 — хороший пример внедрения так называемых электрогидростатических приводов — гибридных систем, представляющих собой приводимый в движение электродвигателем насос, который закачивает гидравлическую жидкость в ту или иную полость поршня. Гидроэлектромеханическое устройство является, таким образом, единым агрегатом, к которому нет необходимости тянуть трубопровод с гидравлической жидкостью. Применение этих гибридов снижает потребность в централизованной гидравлической системе лайнера, сокращает ее функции. И здесь неплохо вспомнить о том, что трубопроводы, удерживающие в себе жидкость под высоким давлением, делаются из стали или титана, а потому от количе­ства и протяженности труб, разумеется, серьезно зависит вес лайнера.

Гибридные приводы играют в кон­струк­ции А 380 важную роль, в частности, выступая в качестве основных приводов для элеронов и рулей высоты, а также резервных приводов для руля направления и некоторых спойлеров. Однако в самом большом в истории пассажирском лайнере используется и традиционная гидравлическая система — с передачей давления жидкости по трубопроводам. Правда, и здесь не обошлось без новых веяний.

Давить сильнее

«Eaton стал одной из первых компаний, которые стали создавать авиа­ционные гидравлические системы с давлением 350 атм — в частности, для А380, — рассказывает Юрий Лебедев. — В настоящее время на большинстве эксплуатируемых в мировой авиации лайнеров давление в гидравлике поддерживается на уровне 210 атм. И тут такой скачок! Сначала у нас были проекты военного назначения — мы даже экспериментировали с системами, в которых давление превышает 350 атм. Потом стали работать и с гражданскими воздушными судами. Спроектировав гидравлику для А380, нам удалось сократить вес на целую тонну, что для коммерче­ской авиации весьма серьезное преимущество. Дело в том, что система с более высоким давлением повышает КПД гидравлики и позволяет снизить вес отдельных элементов.

В чем выгода повышенного давления? Площадь всех потребителей (поршней) уменьшается — ведь при большем давлении им можно передать ту же энергию, приложив ее к меньшей площади. Сокращается площадь — уменьшается вес. Кроме того, уменьшается сечение трубопроводов, что также работает на снижение веса.

Правда, все не так однозначно. Увеличение давления ведет за собой, например, смену материала, из которого делаются корпусы приводов. Если для самолетов с 210 атм они производятся из сплавов алюминия, то при переходе на высокое давление применяются уже титан и сталь — это более тяжелые металлы. Из титана же делаются и трубопроводы. Таким образом, далеко не всегда конструкция, работающая с высоким давлением, обеспечивает выигрыш по весу. Серьезное преимущество удается получить лишь на больших лайнерах типа А380 или Boeing 787″.

Использование более высокого давления в гидравлических системах имеет своей целью не только снижение веса. Для военных самолетов высокое давление позволяет динамичнее двигать рулями, а значит, более активно маневрировать. Если взглянуть на западные решения, то, например, в F-22 применяется переключение режимов с низкого давления на высокое в зависимости от профиля полета. Для маневренности лучше использовать высокое давление. Переключение в обратную сторону дает экономию топлива, так как повышение давления все-таки требует дополнительной энергии».

Самолет с облегчением

Корпорация Eaton тесно сотрудничает и с отечественными авиастроителями, разрабатывая, в частности, гидравлическую систему для будущего среднемагистрального лайнера МС-21, создаваемого в стенах корпорации «Иркут». Эта машина, согласно заявлениям разработчиков, будет воплощать в себе новейшие авиастроительные технологии (в частности, широкое использование композитов) и продемонстрирует значительно более высокие экономические характеристики по сравнению с эксплуатируемыми ныне машинами. В МС-21 будет использована гидравлическая система со стандартным давлением, однако в ее конструкции воплотятся разнообразные оригинальные инженерные решения. В основе этих решений как конструкторские новации, так и работа с новыми материалами, позволяющими заметно снизить вес оборудования и самолета в целом. Например, одна из современных тенденций — переход в изготовлении гибких шлангов для гидросистем с резины к тефлону и кевлару, что делает шланг более легким и долговечным.

«В работе над МС-21 корпорация "Иркут" уделяет большое внимание весовым характеристикам разрабатываемого лайнера, — объясняет Юрий Лебедев, — и все вновь создаваемые системы пристально рассматриваются именно с этой точки зрения. Мы также стараемся найти самые точные решения, стремясь не только уменьшить вес компонентов наших систем, но и правильно разместить эти компоненты на самолете, чтобы сократить, например, протяженность гидравлических трубопроводов. Оптимизация положения элементов гидросистемы ведет к позитивному изменению весовых характеристик. Перед нами стоит амбициозная задача создать систему с самым высоким для самолетов гражданской авиации соотношением производимой энергии к весу».