唐文川

(中航通飛研究院有限公司，廣東珠海 519040)

風動泵技術源于20世紀初期的航空渦輪增壓技術，開創(chuàng)到現(xiàn)在已走過一個世紀。瑞士工程師阿爾弗雷德·布奇在1905年發(fā)明了利用廢氣來強制進氣的壓氣機，用來提高內(nèi)燃機的輸出功率，可以認為是風動泵技術的雛形。

20世紀初期最新的工業(yè)技術往往最先應用在軍事領域。尤其是兩次世界大戰(zhàn)爆發(fā)的這幾十年內(nèi)，工業(yè)技術得到了飛速發(fā)展，這為渦輪增壓技術的進步奠定了堅實的基礎。在航空領域，由于早期的螺旋槳發(fā)動機也全都采用往復式活塞發(fā)動機，燃燒時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，空氣就會變得越來越稀薄，飛機的最高爬升高度也受到了制約。這時候，工程師們就想到利用額外的機械將空氣強制壓入燃燒室中，從而解決飛機在高空中的動力性。雖然當時機械增壓器技術相對比較成熟，但是進氣效率低，有效做功偏低。在汽車工業(yè)廣泛應用的渦輪增壓技術也是來源于此。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力的基本原理，高速風動提供了風動泵所需的動能，高速風動推動風動渦輪高速轉(zhuǎn)動，產(chǎn)生前置動力源。更高端的應用是在火箭、反艦導彈等飛行動力系統(tǒng)的應用，利用高速壓縮空氣帶動沖壓發(fā)動機進行工作。

1 技術特點及原理分析

風動泵技術從實際使用角度是一套功能系統(tǒng)，不只是依靠風動液壓泵獨立工作來完成，需要有前置風動渦輪帶動 (適合的渦輪轉(zhuǎn)速產(chǎn)生相應匹配的壓力輸出)，同時風動渦輪還帶有應急交流發(fā)電機，進一步提供應急電源。考慮到風動泵輸出有可能超負載，可以在液壓油路中配置溢流閥。圖1是風動泵技術的結構示意圖。

圖1 風動泵系統(tǒng)結構示意圖

航空風動泵技術對使用環(huán)境、匹配材料、試驗以及維護都有特殊要求。

風動泵平常是收在飛機結構內(nèi)部，在應急情況下，可以通過機械操縱或者作動機構伸出機體外部。風動渦輪的葉片一般是兩片，可靠性較高。

2 技術優(yōu)勢

目前對于航空飛行器的應急液壓系統(tǒng)的選擇原則是:應當盡量完全獨立;向應急液壓系統(tǒng)的轉(zhuǎn)換應安全、可靠、快速，飛機瞬態(tài)小并自動完成;應急液壓系統(tǒng)工作盡量不受飛機、發(fā)動機的狀態(tài)和其他系統(tǒng)的制約。應急液壓系統(tǒng)的能力應滿足改變飛機故障飛行狀態(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，飛機上所采用的應急能源系統(tǒng)有6種形式:

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

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

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

(4)輔助動力裝置APU。這種裝置相當于一個小發(fā)動機，其起動時間較長，約需7～10 s方可進入穩(wěn)定工作狀態(tài)，使用高度在3 000 m以下。一般用于民航機、運輸機、轟炸機及某些戰(zhàn)斗機。它與空氣渦輪起動機配套使用。

(5)應急動力裝置EPU。這種裝置是靠飛機上帶的專用燃料和催化劑作為能源，在工作時產(chǎn)生高能氣體，驅(qū)動渦輪動力裝置。該裝置產(chǎn)生的功率比較大，而且起動時間短，2～3 s即可達到額定轉(zhuǎn)速，一般用于操縱面鉸鏈力矩較大的飛機。它不受飛機飛行狀態(tài)的限制。在發(fā)動機工作正常、僅液壓泵損壞的情況下，可通過發(fā)動機引擎驅(qū)動渦輪動力裝置，這時可長時間使用。但在發(fā)動機損壞的情況下，由于機上所帶燃料有限，一般按工作10 min設計，只能保障飛機在附近機場安全著陸。

(6)應急氣動增速裝置。在發(fā)動機停車并轉(zhuǎn)速下降的情況下，通過應急氣動的壓力，使發(fā)動機與液壓泵之間的離合器的傳動比加大，從而提高液壓泵在應急狀態(tài)下的轉(zhuǎn)速，提高液壓泵的輸出流量以保障應急狀態(tài)下所需的功率。但在主液壓泵失效情況下則無效，因此在雙發(fā)飛機上可以考慮。由于在發(fā)動機停車情況下，液壓泵從發(fā)動機提取的功率增大必將使發(fā)動機空中起動負載增大，造成空中起動困難，采用這種應急方式必須與發(fā)動機進行協(xié)調(diào)。

分析以上6種應急能源方式，采用應急風動泵技術的飛機在出現(xiàn)液壓系統(tǒng)失效或者不能提供輸出的情況下，風動泵系統(tǒng)的適應性較強、響應快且可靠性高，而且可以長時間工作，選擇相適應的風動泵參數(shù)可以滿足應急液壓系統(tǒng)功率輸出。風動泵系統(tǒng)可以作為獨立的系統(tǒng)不受干擾，并且可以提供應急交流電，可以作為應急液壓系統(tǒng)的冗余度設計。

3 應用分析

在國內(nèi)民用飛機運-5型號上，經(jīng)過技術改造，運-5B型采用了抗腐蝕結構和新型任務設備，包括具有應急拋投能力的大型藥箱 (或水箱)、高流率風動泵、各種規(guī)格的噴灑裝置。選用大流量風動泵和多種規(guī)格噴嘴，構成了壓力噴撒系統(tǒng)，播撒器尺寸大，并有應急投料裝置，提高了農(nóng)林作業(yè)的效率和經(jīng)濟性。由于運-5B型飛機起落架是固定的，不進行收放操縱，僅滿足噴灑系統(tǒng)拋投箱的應急拋投需要，功能相對單一，可靠性較高，需要的應急功率較小，風動泵所能提供的壓力易于滿足。運-5B飛機的應急風動泵和機型的特性緊密關聯(lián)，因其起落架高度較大，在應急情況下，拋投出去的風動泵是無需收回的，不影響飛機著陸，在降落后進行維護，收起到機身結構即可;另外由于功能單一，風動泵輸出不高，不需在壓力輸出管路中串入溢流閥。風動泵技術在運-5B的應用是比較實用的，既高效，又可靠，便于維護，對飛機的負荷較小。

作為第二代戰(zhàn)斗機的典型代表，美國F-4(鬼怪戰(zhàn)斗機)也成功應用了風動泵技術，F(xiàn)-4飛機應急系統(tǒng)的風動液壓泵是由風動渦輪帶動，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;風動渦輪伸出時的飛機飛行速度限制在954 km/h或M≤1.1，能提供最大6.6 kW功率輸出。風動渦輪除帶動應急液壓泵外還帶動一臺應急交流發(fā)電機，提供應急電源。風動渦輪的收放是由冷氣作動筒操縱，采用機械式手動控制，由駕駛人員操縱，操縱手柄位于座艙內(nèi)的左側。

目前我國通用航空市場正在發(fā)展時期，作為一項成熟的技術，可以提高通用型飛機的可靠性，在國外通用飛機成功應用的基礎上加以借鑒，不存在技術風險。國內(nèi)外成品較多，合理選擇成品可以減少研制費用，對于已經(jīng)取得適航證的機型還可以省去適航審定的費用。

4 應用局限

風動泵作為應急能源系統(tǒng)在使用過程也存在一些局限，首先要考慮設計風動葉片材料的強度，如果需要較大的液壓，需要進行葉片的強度試驗，確保在空中飛行過程中使用應急風動泵時不出現(xiàn)高速風壓使渦輪葉片斷裂的情況;在出現(xiàn)高速風壓產(chǎn)生較強液壓壓力時，必須考慮使用溢流閥來進行減負荷。在試驗環(huán)節(jié)也存在特殊要求，因在地面無法實現(xiàn)飛行包線內(nèi)才具有的試驗環(huán)境，所以風動泵的試驗只能在飛行過程中完成;在測試維護環(huán)節(jié)也受條件限制。在超過飛行包線以外的環(huán)境條件下，應急風動泵無法完成正常的應急能源輸出。

并不是所有航空器都可以適用風動泵技術，例如:直升飛機、飛艇等航空器由于巡航速度較低，無法提供較強高速風壓，不適合進行應急風動泵技術的應用。

風動泵使用過程中會產(chǎn)生空氣阻力，并且會影響氣動，一般布局是在飛機機腹下方伸出，工作時間需要控制在較短時間內(nèi)，長時間使用必然影響飛行。

5 結束語

風動泵技術在航空飛行器上的應用已經(jīng)有幾十年歷史，屬于成熟技術，適合高速戰(zhàn)斗機、運輸機以及各類通用飛機，可以提供穩(wěn)定可靠的應急液壓能源輸出，并可以提供應急交流電輸出，對于提高液壓系統(tǒng)的可靠性是非常有效的。在配套設計時綜合飛機性能特點，選擇合適的風動泵技術參數(shù)和材料是關鍵，在需要配置交流發(fā)電機和溢流閥時，合理匹配參數(shù)也非常重要。

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