ВВЕДЕНИЕ

МЕСТО, ЗАНИМАЕМОЕ ГИДРАВЛИЧЕСКИМИ СИСТЕМАМИ В ОБОРУДОВАНИИ ЛЕТАТЕЛЬНЫХ АППАРАТОВ

Из различных видов вспомогательных силовых систем наибольшее распространение на летательных аппаратах получили электрические и объемные гидравлические системы. Области применения этих систем на летательных аппаратах четко разграничены: гидравлические системы в основном используются как силовые устройства и приводы (по анало­ гии с человеком — «мышечная» система), а электрические — как команд­ ные устройства («нервная» система).

Гидравлические агрегаты и устройства применяются на современ­ ных летательных аппаратах настолько широко, что многие из этих аппа­ ратов буквально ими насыщены. В качестве примера можно привести данные по самолету В-70 («Валькирия», США). На этом самолете имеется четыре автономных гидравлических системы, в каждой из которых имеется по три насоса, рассчитанных на работу при давлении 280 кГ/см2 и температуре жидкости от —54 до +230°С. Общая потреб­ ляемая насосами мощность составляет 2000 л. с. В гидросистемах насчи­

120 клапанов с электромагнитным приводом переменного тока и 50 кла­ панов с механическим приводом. Протяженность трубопроводов состав­ ляет 1600 м, в трубопроводах насчитывается 3300 паяных соединений и 600 механических. Емкость баков в гидросистемах составляет 800 л.

Большая насыщенность гидроагрегатами наблюдается также и на самолетах меньшего, чем у самолета В-70, тоннажа.

Мощность, потребляемая гидросистемами современных сверхзвуко­ вых транспортных самолетов среднего тоннажа достигает 1000 л. с.у причем из них ~400 л. с. затрачивается на управление агрегатами ТРД.

В настоящее время гидравлические системы применяются в систе­ мах управления летательных аппаратов (самолетов, вертолетов, управ­ ляемых снарядов и др.), в механизмах поворота крыла или двигателя на самолетах с вертикальным взлетом, для уборки и выпуска шасси, тор­ мозных щитков, изменения формы и геометрии крыла, управления дви­ гателями и воздушными винтами, реверса тяги двигателей, в качестве привода для топливных насосов, электрогенераторов и воздушного ком­ прессора для привода бортовой холодильной установки, спецоборудования на самолетах сельскохозяйственной авиации, радиолокационных установок и установок вооружения, для запуска авиадвигателей и в системах заправки самолетов топливом в воздухе и других целях.

Особо следует отметить рациональность применения гидравлических приводов в качестве стартеров для запуска основных двигателей. В боль­

5

шинстве подобных систем насос основной гидравлической системы, ра­ ботая от наземной установки, превращается в стартер, раскручивающий основной двигатель до оборотов, соответствующих режиму его малого газа (примерно 5000 об/мин), после чего насос-стартер автоматически переключается на насосный режим. Согласно сообщению американской печати, применение гидравлического запуска для основных двигателей позволило уменьшить вес самолета В-70 на 172 кг.

Применение гидравлических систем упрощает во многих случаях оборудование современных летательных аппаратов. Например, приме­ нение гидравлической системы для привода топливных насосов позво­ ляет размещать последние в топливных баках и, следовательно, улуч­ шать охлаждение насосов.

Гидравлические системы незаменимы в системах наводки в радар­ ных поисковых установках с самонаведением, к быстродействию кото­ рых предъявляются особо высокие требования.

Возможность получения вращающих моментов большой величины при малых габаритах и весе гидравлических моторов обеспечили им широкое применение в системах управления многих типов летательных аппаратов.

Гидравлические приводы нашли применение для регулирования ско­ рости электрогенераторов переменного тока при возможных колеба­ ниях скорости приводных двигателей.

Широкое применение гидравлические системы нашли также в раз­ ного рода наземном оборудовании, обслуживающем летательные аппа­ раты, как-то в системах заправки топливом, в подъемниках, лебедках и транспортерах, установках для запуска управляемых снарядов и проч.

Преимущества гидравлических приводов

Широкое применение гидравлических приводов на современных ле­ тательных аппаратах обусловлено преимуществами этих приводов, ос­ новными из которых являются малые габариты и вес, приходящиеся на единицу мощности. Последний параметр часто оценивается также весо­ вой отдачей (удельной мощностью), под которой понимается отношение мощности к весу.

Габариты современного гидравлического ротативного мотора со­ ставляют всего лишь 12—13% габаритов электродвигателя той же мощ­ ности; вес насосов и гидравлических моторов составляет от 10 до 20% веса электрических агрегатов подобного назначения такой же мощности. В частности, вес гидравлического насоса, работающего при числах обо­ ротов ~3000 в минуту и давлениях 200—250 кГ/см2, не превышает 0,20 кг на 1 кет мощности (удельная мощность составляет 5 квт/кг).

Следует отметить, что приведенные значения веса и объема (габа­ ритов) гидравлических агрегатов не являются минимально предельными. Продолжаются дальнейшие работы по увеличению удельной мощности (снижению веса на единицу мощности) гидроагрегатов. Последнее обус­ ловлено тем, что выигрыш в весе гидроагрегата дает значительный выигрыш в общем весе летательного аппарата. Так, например, каждый килограмм перетяжеления насоса или иного гидроагрегата влечет за собой по расчетам увеличение веса конструкции самого аппарата и его двигателя, а также увеличение веса топлива по отношению к самолетам на 6—8 кг (в случае сохранения их летных характеристик и прочности неизменными).

Чрезвычайно важным параметром, и в особенности применительно к следящим приводам, является высокий показатель по отношению вра­ щающего момента гидравлического мотора к его инерции, благодаря

6

чему они отличаются высоким быстродействием. Испытания показы­ вают, что при реверсе ротативного гидравлического мотора мощностью 5 л. с. время реверса и набора скорости до 2500 об/мин противополож­ ного направления вращения составляет 0,03—0,04 сек.

Высоким быстродействием отличаются также и насосы. Так, напри­ мер, время, в течение которого расход современного авиационного на­ соса изменяется (регулируется) от нулевого до максимального значения, не превышает 0,04 сек, а от максимального до нулевого — 0,02 сек.

Высокая приемистость и малое запаздывание при отработке ко­ мандных сигналов, свойственные гидроприводу, особенно важны для быстродействующих следящих механизмов, в частности для приводов управления летательным аппаратом в воздухе.

Преимуществом гидравлических приводов является также возмож­ ность непрерывного (бесступенчатого) регулирования выходной скоро­ сти и осуществления высокой степени ее редукции, а также плавность, равномерность и устойчивость движения, большой срок службы и высо­ кий к. п.д. Кроме того, в гидравлических системах конструктивно проще осуществляется защита их от чрезмерно высоких перегрузок и обеспе­ чивается демпфирование автоколебаний. Вместе с тем гидроприводы просты в изготовлении и обладают высокими коммутационными качест­ вами, а также могут обслуживаться персоналом низкой квалификации и работать в любых климатических и температурных условиях.

Гидравлические приводы отличаются надежностью и долговечностью (срок службы насосов и гидромоторов доведен до нескольких тысяч часов под нагрузкой). Так, например, по техническим условиям ряда иностранных фирм надежность самолетной гидросистемы должна быть такой, чтобы количество отказов в полете не превышало девяти на мил­ лион полетов продолжительностью по 4,5 часа, причем на 100 полетов длительностью по 4,5 часа на гидросистему приходилось не более 11 ре­ монтных работ. Проводятся работы по дальнейшему повышению надеж­ ности гидросистем. Так, например, для облегчения контроля за работой гидросистемы в полете на некоторых тяжелых самолетах применены специальные подвижные пульты, указатели которых отмечают уровень жидкости в резервуарах, превышение нормальной температуры, давле­ ние жидкости на выходе из насосов и в гидроаккумуляторах, положение кранов управления и прочих ответственных клапанов.

Гидравлические двигатели вращательного движения отличаются от электрических жесткостью скоростных характеристик под нагрузкой, а также допускают неограниченную по времени работу при сколь угодно малых скоростях, сохраняя при этом постоянство заданных характери­ стик зависимости угловой скорости от нагрузки.

Особенности технических требований к гидравлическим системам современных летательных аппаратов

В связи с усложнением авиационной техники и повышением скоро­ стей полета сверхзвуковых летательных аппаратов возросли требования к гидравлическим устройствам в соответствии с особенностями новых условий их работы, основными из которых являются высокие темпера­ туры внутри летательного аппарата, обусловленные в основном кинети­ ческим нагревом его обшивки при полетах на этих скоростях, а также теплом, выделяемым силовыми двигателями, и теплом, развивающимся при работе гидравлических агрегатов.

Согласно литературным данным, максимальные температуры жид­ кости гидросистемы самолета при скоростях полета, соответствующих числам 2,2 М и 2,7 М, соответственно равны —^130 и 200° С. Температура

7

рабочей жидкости в гидросистеме самолета В-70 достигает при скорости полета, равной трем скоростям звука, 230° С, а температура в местах размещения агрегатов гидросистемы 300° С- Одновременно с этим отри­ цательная температура окружающей среды может достигать в отдель­ ных точках конструкции самолета —55° С.

На рис. 1 представлено температурное поле, характеризующее зоны кинетического нагрева конструкции транспортного самолета при ско­ рости полета, равной ЗМ.

В некоторых же летательных аппаратах имеют место более высокие температуры. Так, например, температуры внутри космических аппара­ тов, обусловленные аэродинамическим нагревом достигают 540° С и выше. Согласно же данным, опубликованным в американской печати, температура в некоторых ракетах при возвращении их из орбитрального полета может достигать 980° С.

320°

Рис. 1. Распределение температур в различных зонах конструкции самолета с полетной скоро­ стью ЗМ

Однако, если даже исходить из реальных требований сегодняшнего дня, можно заключить, что в ближайшее время должны быть созданы гидросистемы, пригодные для работы в условиях температуры окружаю­ щей среды 250° С и температуры жидкости 200° С.

Следует отметить, что при оценке влияния температур критическим фактором является не температура окружающей среды, а рабочая тем­ пература жидкости и самих гидроагрегатов. Ввиду этого в ряде стран, в частности в США, под высшей температурой нагрева гидросистемы принято понимать максимальную установившуюся температуру гидро­ агрегатов.

В наиболее напряженных температурных условиях находятся гидро­ системы авиадвигателей, а также насосы и силовые цилиндры, по­ скольку они обычно размещаются в наиболее горячих зонах самолета, к тому же сам насос выделяет большое количество тепла. В результате эти агрегаты на некоторых самолетах уже в настоящее время работают при температурах окружающей среды 500° С и выше.

Из приведенного следует, что во многих случаях применения гидро­ систем, и в особенности в гидросистемах авиадвигателей, температур­ ные условия становятся настолько жесткими, что существующие гид­ роагрегаты и многие применяющиеся материалы и рабочие жидкости становятся непригодными. Так, например, по мнению зарубежных спе­ циалистов, для гидросистем космических летательных аппаратов потре­ буются новые рабочие жидкости, которыми техника в настоящее время

8

не располагает. В связи с этим в ряде стран исследуются возможности применения в гидросистемах жидких металлов и расплавленных солей.

Особые требования предъявляются к гидросистемам такого типа летательных аппаратов, как беспилотные летательные аппараты и управляемые снаряды, а также летающие испытательные станции для испытаний этих снарядов. Такие требования обусловлены тем, что отказ гидросистемы на пилотируемом летательном аппарате в большинстве случаев можно компенсировать ручным управлением, хотя бы и с не­ которыми ограничениями, тогда как на беспилотных летательных аппа­ ратах вышедшее из строя гидравлическое оборудование, как правило, не может быть восстановлено или заменено.

Для гидросистем управляемых снарядов и ракет больше, чем для самолетных гидросистем, имеют значение габариты и вес гидроагрега­ тов, в том числе вес рабочей жидкости, поэтому они зачастую работают на повышенных давлениях. Системы этих аппаратов, как никакие дру­ гие, работают в весьма тяжелых условиях: при больших ускорениях и вибрациях.

Для таких аппаратов считается необходимым требованием готов­ ность к действию (к полету) после продолжительного его хранения. Для этого необходимы такие рабочие жидкости, которые сохраняли бы свои качества (характеристики) в течение этого срока, в частности, жидкости, стойкие против разложения и старения, а также несклонные в результате вибраций к кристаллизации. В течение этого срока должны также сохранять свои характеристики резиновые уплотнительные устройства, пневмогидравлические аккумуляторы и различные регули­ рующие устройства и аппаратура.

Высокие требования к надежности гидросистем летательных аппа­ ратов выдвигают с одной стороны требование обеспечения таких условий изготовления гидроагрегатов и монтажа их на летательном аппарате, при которых была бы исключена возможность попадания в них мель­ чайших посторонних твердых частиц, с другой — создание надежных средств очистки рабочих жидкостей в гидросистемах.

Такие требования обусловлены в основном тем, что в связи с высо­ кими давлениями значительно уменьшены зазоры в гидроагрегатах, уже в настоящее время они не превышают нескольких микрон; кроме того, с повышением температуры уменьшается толщина граничной смазочной пленки рабочей жидкости до долей микрона, поэтому резко повышаются требования к допустимому размеру частиц, удаляемых из рабочей жид­ кости фильтрами. Если для самолетов дозвуковых скоростей удовлетво­ рительными считались фильтры, удаляющие из жидкости частицы в 3—5 мк, то для новых условий необходимо удалять частицы размером меньше одного микрона.

Перечисленные вопросы, возникающие при создании надежных гид­ равлических систем современных летательных аппаратов, не исчерпы­ вают всего многообразия проблем, с которыми конструктору приходится сталкиваться при разработке гидромеханизмов, отвечающих требова­ ниям новой авиационной и ракетной техники.

Создание новых гидроагрегатов должно быть основано не на базе интуиции конструктора, как это зачастую происходит в настоящее время, а на базе глубоких знаний, которые позволили бы создать модель гидроагрегата для исследования и определения его оптимальных конст­ руктивных параметров.

Уже в настоящее время на ряде передовых промышленных пред­ приятий внедряют математическое моделирование, которое предостав­ ляет широкие возможности для обоснованного выбора оптимальных схем гидромеханизмов и рациональной компоновки их узлов.

9