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新巴黎娱乐 - 中国基础工业能力仍有不足 歼20液压系统落后美一代

打个比方,飞行员是歼20的大脑,气动面是歼20 的手脚肢体,那么电传系统就是歼20的小脑和遍布全身的神经系统;而液压系统,就是歼20的肌肉。而歼20采用的液压技术,是国内在消化吸收苏27液压系统上进一步发展的,总体上落后超级大黄蜂一代以上水平。

2020-01-09 14:33:25

新巴黎娱乐 - 中国基础工业能力仍有不足 歼20液压系统落后美一代

新巴黎娱乐,飞机赖以在空中自由变化姿态和轨迹的奥秘,在于通过鸭翼/水平尾翼、副翼、方向舵等气动面,进行各种灵活巧妙的偏转动作组合。

这种功能需要飞控系统加以实现,而在歼20上,它是通过电传系统指挥液压系统来完成的;电传部分负责把飞行员的操作指令翻译成指挥气动面偏转的控制信号,而液压系统则为气动面的偏转提供动力。打个比方,飞行员是歼20的大脑,气动面是歼20 的手脚肢体,那么电传系统就是歼20的小脑和遍布全身的神经系统;而液压系统,就是歼20的肌肉。

在最早的飞机上,这些气动面偏转,是通过钢索或者金属连杆,直接由飞行员手脚带动的——类似于驾驶无助力方向盘的汽车。随着飞机速度越来越快,吨位越来越大,驱动气动面需要的力量越来越大,远远超出了人的肉体极限,因此这种做法很快就行不通了。

图:战斗机在低空高速飞行时,飞机受到的高速空气压力可以达到每平米9.3-9.5吨

现在除了轻型和超轻型低速飞机以外,主流的中大型、高速飞机设计,气动面偏转都是依赖液压系统驱动完成的;从发动机中抽取动力,用来驱动气动面偏转。从这个核心目的上,和汽车的方向盘助力设计是同一类的。

但是飞机的液压系统远比汽车复杂,不仅它驱动的部件要多得多,它还要负责起落架收放、舱门收放、雷达偏转等等;而且要求最轻、最小的条件限制下,还要有最大的功率——因此现在汽车已经逐渐过渡到以电动机为主要的助力动力,但在主流飞机上还远远做不到这一点——在同样体积和重量限制下,现有电机的功率水平,只有液压系统的二十到三十分之一。

注射器挖掘机玩具

液压的基本原理其实非常简单,说穿了就是借助“液体极其难以被压缩”的特点,通过液体压力传递机械能。比如给小孩子玩的,用注射器和硬纸板做的玩具挖掘机,就能很好的体现这一点;在本质上,包括F22、歼20等先进战机的液压系统,其核心的基本物理原理,都没跳出这个小玩具的范畴。

斜盘柱塞泵原理

现代战斗机的液压系统核心——也就是高速液压泵,普遍采用的是斜盘柱塞泵。这个名词如果没有动图和视频,对于不熟悉机械的人来讲,非常晦涩。这种泵的核心,是把一定数量的圆柱体活塞(所谓柱塞)安装在一个可旋转的倾斜圆盘(所谓斜盘)表面;当圆盘转动起来,这些活塞就周期性的被强制推入缸体又抽退回来。

斜盘柱塞泵

借助这个过程,飞机就可以用发动机齿轮组带动液压泵斜盘旋转,把动力变成液压油的压力,再顺着液压管道传递到飞机需要的每一个部落。然后又可以用相似但反过来、或者其它的结构形式,把液压油的压力释放成动力,驱动气动面、雷达天线和起落架等部件。

液压系统对于飞机的影响,一方面是可靠性,一方面是性能,而在相当大程度上,两者相互矛盾。

液压系统由于天然的脆弱性——比如害怕长期振动导致的管道破裂泄露,害怕密封圈等密封件失效,害怕液压油杂质堵塞泵、阀等等,一直是飞机机械故障、特别是引发飞机失去控制坠机的高发因素。在苏式飞机上,这通常是飞机机械故障的首要问题。

高压下任何一点微小瑕疵都足以造成致命问题,比如F35液压破损泄露起火

而要追求液压系统的高性能,又必须让液压系统体积小、重量轻,但又功率特别大。而这往往需要运行在更苛刻的状态才做得到——比如工作压力更高,这显然更容易使液压系统出现故障。

现在还在大量使用的战斗机,液压系统的压力就是一个很直观也很重要的分代判断依据。比如二代机和多数三代,主要采用的是21MPa压力的液压系统——折合每平方厘米上,214公斤压力。

幻影2000,评估法俄航空水平,是鉴别一个人科技工业认知水平的试金石

从法国的幻影2000战机开始,这个数字被提升到28MPa级别。后来的苏27、阵风、F22、歼20,都维持在这个水平上。在90年代的美国超级大黄蜂上,这个数字被提升到35MPa。而歼20采用的液压技术,是国内在消化吸收苏27液压系统上进一步发展的,总体上落后超级大黄蜂一代以上水平。

特别要指出的是,超级大黄蜂的液压系统先进之处,不仅在于最大工作压力高,还在于它是两级压力工作体制的。

因为战机发挥液压系统最大功率的时候其实非常少,只在极限机动飞行时才有;因此大虫通过采用先进的两级变压泵,多数情况下运行在21MPa标准下,高机动飞行状态下自动以35MPa压力运行。不仅减少了无谓的燃油消耗,还大大提升了液压系统的可靠性维护性,降低了故障率。

F18EF问世较晚,部分设备和技术比F22还先进

实际上同级压力时,苏式液压系统要大大落后于美国和法国产品,说的直白点,由于基础科研和工业能力的落后,他们是靠放弃部分可靠性/故障率和寿命指标,并依靠更大一些的体积和重量,才能在功率等少数指标上做到与美法产品持平。

比如在安全和可靠性要求上,美国军标的液压附件全部要进行液压脉冲测试,最大压力必须达到150%——也就是F22的28MPa液压系统,短时间的耐受压力要达到48MPa;F18EF的35MPa系统,测试标准要达到52.5MPa;而俄罗斯标准只有120%,苏27/苏57的测试,标准只要达到33.6MPa就行,而且测试中规定的冲击次数也远远低于美军标。

而在应对强烈振动冲击的试验中,俄军标只要求简单的正弦震动,而且只要求结构性方面不出现破损问题;而美军标则采用严酷得多的随机振动谱,并且同时要求功能性——也就是面对比俄式飞机更残酷的振动,光是不破不漏都不行,还得保持功能始终正常可用。

歼20液压系统是国内按美式标准改进俄式技术的成果

成飞集团在液压技术的运用上,眼光跟美法这样的世界前沿跟的非常紧。自80年代初——也就是歼10开始,就坚持引入美军标作为设计基础和性能要求标准,并尽可能的引入西方现代技术;因此歼10的液压系统,虽然压力还是21MPa,但是总体上的进步极其巨大,达到西方21MPa液压系统三代机的同级别性能水准。

巧妇难为无米之炊,28乃至于35MPa液压系统上,国内液压基础的落后就给歼20拖了很大的后腿。这也是笔者以前强调,国内在战斗机总体设计上不能完全学美国方案的原因——高度相似的技术路线,最后决定总体性能高低的,一定是基础能力。

C919必须采用35MPa液压提高市场竞争力,而国内现在做不出这个水平,只能进口

因为基础能力低的,同样性能的设备和部件,就一定更大、更笨重、更不可靠、更难以维护。不仅液压如此,发动机如此,实际上各种设备都如此——比如美国最新的航空发电机,1000kw的试验型号,已经把体积压缩到和国内目前65KW发电机相当了。

歼20预留了相当惊人的设计余地给设备空间和发动机油耗

歼20采用边条设计调整放大鸭翼与机翼间距的一个核心要素实际上也在这里。说穿了,这是用更高风险(特别是飞行失控)、更高成本的气动外形和飞行控制设计,为战斗机换取了能同时满足高机动、低阻力、高隐身、大机身内容积三个特性。大机身内容积,是弥补国内机载设备更粗大笨重、发动机耗油率更高的基础。

这种策略的核心就是扬长避短,发挥成飞集团在气动和飞控研制上已经走到了国际前沿的长处,尽可能掩藏和弥补国内基础工业能力的不足。

FC-31

而国内另一种战机FC-31,采取了近似F35的设计路线,但是基础能力的差距大大压缩了它的性能设计余地——这里还不考虑本身设计单位的水平差距。作为外销机种,它在没有五代机的地域,能够起到代差压制三代机的巨大价值,但是在中国面对世界第一强国的对抗一线,它的身份除了消耗飞行员和后勤资源、军费的累赘以外,什么都不是。(作者署名:候知健)

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