风动泵技术在飞机系统中的应用浅析

唐文川

(中航通飞研究院有限公司，广东珠海 519040)

风动泵技术源于20世纪初期的航空涡轮增压技术，开创到现在已走过一个世纪。瑞士工程师阿尔弗雷德·布奇在1905年发明了利用废气来强制进气的压气机，用来提高内燃机的输出功率，可以认为是风动泵技术的雏形。

20世纪初期最新的工业技术往往最先应用在军事领域。尤其是两次世界大战爆发的这几十年内，工业技术得到了飞速发展，这为涡轮增压技术的进步奠定了坚实的基础。在航空领域，由于早期的螺旋桨发动机也全都采用往复式活塞发动机，燃烧时需要大量的空气与燃料混合形成混合气。但是高空中，随着海拔不断升高，空气就会变得越来越稀薄，飞机的最高爬升高度也受到了制约。这时候，工程师们就想到利用额外的机械将空气强制压入燃烧室中，从而解决飞机在高空中的动力性。虽然当时机械增压器技术相对比较成熟，但是进气效率低，有效做功偏低。在汽车工业广泛应用的涡轮增压技术也是来源于此。同样的，在解决液压系统可靠性方面也借鉴了压缩空气作为动力的基本原理，高速风动提供了风动泵所需的动能，高速风动推动风动涡轮高速转动，产生前置动力源。更高端的应用是在火箭、反舰导弹等飞行动力系统的应用，利用高速压缩空气带动冲压发动机进行工作。

1 技术特点及原理分析

风动泵技术从实际使用角度是一套功能系统，不只是依靠风动液压泵独立工作来完成，需要有前置风动涡轮带动 (适合的涡轮转速产生相应匹配的压力输出)，同时风动涡轮还带有应急交流发电机，进一步提供应急电源。考虑到风动泵输出有可能超负载，可以在液压油路中配置溢流阀。图1是风动泵技术的结构示意图。

图1 风动泵系统结构示意图

航空风动泵技术对使用环境、匹配材料、试验以及维护都有特殊要求。

风动泵平常是收在飞机结构内部，在应急情况下，可以通过机械操纵或者作动机构伸出机体外部。风动涡轮的叶片一般是两片，可靠性较高。

2 技术优势

目前对于航空飞行器的应急液压系统的选择原则是:应当尽量完全独立;向应急液压系统的转换应安全、可靠、快速，飞机瞬态小并自动完成;应急液压系统工作尽量不受飞机、发动机的状态和其他系统的制约。应急液压系统的能力应满足改变飞机故障飞行状态和安全返航着陆的功率需求，着重保障飞行控制系统的液压功率要求。目前，飞机上所采用的应急能源系统有6种形式:

(1)手摇泵。在一般小型飞机上，作动部分所需功率较小，而且是间歇工作的，可考虑采用手摇泵作为应急能源。在高性能的大型飞机上，手摇泵有时也用作刹车系统的应急能源，一般与蓄压器配合使用。选用手摇泵还应考虑在应急情况下机上人员操作的可能性。

(2)应急电动液压泵。一般用于操纵面铰链力矩较小的飞机上，这种装置受机上应急电源容量和电机工作时间的限制，一般只能短期使用。通常，按应急下滑拉平着陆的工作状态确定应急泵的参数。

(3)应急风动泵。一般用于操纵面铰链力矩较大的飞机，能提供较大的应急液压功率。这种装置由于受到涡轮叶片强度的限制，只能在规定的飞行包线内使用。应急液压系统的功率随飞机飞行状态而变化。应急风动泵常与溢流阀匹配使用。

(4)辅助动力装置APU。这种装置相当于一个小发动机，其起动时间较长，约需7～10 s方可进入稳定工作状态，使用高度在3 000 m以下。一般用于民航机、运输机、轰炸机及某些战斗机。它与空气涡轮起动机配套使用。

(5)应急动力装置EPU。这种装置是靠飞机上带的专用燃料和催化剂作为能源，在工作时产生高能气体，驱动涡轮动力装置。该装置产生的功率比较大，而且起动时间短，2～3 s即可达到额定转速，一般用于操纵面铰链力矩较大的飞机。它不受飞机飞行状态的限制。在发动机工作正常、仅液压泵损坏的情况下，可通过发动机引擎驱动涡轮动力装置，这时可长时间使用。但在发动机损坏的情况下，由于机上所带燃料有限，一般按工作10 min设计，只能保障飞机在附近机场安全着陆。

(6)应急气动增速装置。在发动机停车并转速下降的情况下，通过应急气动的压力，使发动机与液压泵之间的离合器的传动比加大，从而提高液压泵在应急状态下的转速，提高液压泵的输出流量以保障应急状态下所需的功率。但在主液压泵失效情况下则无效，因此在双发飞机上可以考虑。由于在发动机停车情况下，液压泵从发动机提取的功率增大必将使发动机空中起动负载增大，造成空中起动困难，采用这种应急方式必须与发动机进行协调。

分析以上6种应急能源方式，采用应急风动泵技术的飞机在出现液压系统失效或者不能提供输出的情况下，风动泵系统的适应性较强、响应快且可靠性高，而且可以长时间工作，选择相适应的风动泵参数可以满足应急液压系统功率输出。风动泵系统可以作为独立的系统不受干扰，并且可以提供应急交流电，可以作为应急液压系统的冗余度设计。

3 应用分析

在国内民用飞机运-5型号上，经过技术改造，运-5B型采用了抗腐蚀结构和新型任务设备，包括具有应急抛投能力的大型药箱 (或水箱)、高流率风动泵、各种规格的喷洒装置。选用大流量风动泵和多种规格喷嘴，构成了压力喷撒系统，播撒器尺寸大，并有应急投料装置，提高了农林作业的效率和经济性。由于运-5B型飞机起落架是固定的，不进行收放操纵，仅满足喷洒系统抛投箱的应急抛投需要，功能相对单一，可靠性较高，需要的应急功率较小，风动泵所能提供的压力易于满足。运-5B飞机的应急风动泵和机型的特性紧密关联，因其起落架高度较大，在应急情况下，抛投出去的风动泵是无需收回的，不影响飞机着陆，在降落后进行维护，收起到机身结构即可;另外由于功能单一，风动泵输出不高，不需在压力输出管路中串入溢流阀。风动泵技术在运-5B的应用是比较实用的，既高效，又可靠，便于维护，对飞机的负荷较小。

作为第二代战斗机的典型代表，美国F-4(鬼怪战斗机)也成功应用了风动泵技术，F-4飞机应急系统的风动液压泵是由风动涡轮带动，其涡轮转速为12 000 r/min，液压泵的出口压力为9.8 MPa，流量为41.5 L/min;风动涡轮伸出时的飞机飞行速度限制在954 km/h或M≤1.1，能提供最大6.6 kW功率输出。风动涡轮除带动应急液压泵外还带动一台应急交流发电机，提供应急电源。风动涡轮的收放是由冷气作动筒操纵，采用机械式手动控制，由驾驶人员操纵，操纵手柄位于座舱内的左侧。

目前我国通用航空市场正在发展时期，作为一项成熟的技术，可以提高通用型飞机的可靠性，在国外通用飞机成功应用的基础上加以借鉴，不存在技术风险。国内外成品较多，合理选择成品可以减少研制费用，对于已经取得适航证的机型还可以省去适航审定的费用。

4 应用局限

风动泵作为应急能源系统在使用过程也存在一些局限，首先要考虑设计风动叶片材料的强度，如果需要较大的液压，需要进行叶片的强度试验，确保在空中飞行过程中使用应急风动泵时不出现高速风压使涡轮叶片断裂的情况;在出现高速风压产生较强液压压力时，必须考虑使用溢流阀来进行减负荷。在试验环节也存在特殊要求，因在地面无法实现飞行包线内才具有的试验环境，所以风动泵的试验只能在飞行过程中完成;在测试维护环节也受条件限制。在超过飞行包线以外的环境条件下，应急风动泵无法完成正常的应急能源输出。

并不是所有航空器都可以适用风动泵技术，例如:直升飞机、飞艇等航空器由于巡航速度较低，无法提供较强高速风压，不适合进行应急风动泵技术的应用。

风动泵使用过程中会产生空气阻力，并且会影响气动，一般布局是在飞机机腹下方伸出，工作时间需要控制在较短时间内，长时间使用必然影响飞行。

5 结束语

风动泵技术在航空飞行器上的应用已经有几十年历史，属于成熟技术，适合高速战斗机、运输机以及各类通用飞机，可以提供稳定可靠的应急液压能源输出，并可以提供应急交流电输出，对于提高液压系统的可靠性是非常有效的。在配套设计时综合飞机性能特点，选择合适的风动泵技术参数和材料是关键，在需要配置交流发电机和溢流阀时，合理匹配参数也非常重要。

［1］张洪，肖文建.歼八B飞机液压系统可靠性分析［C］//中国航空学会液压与气动专业学术讨论会，1999.

［2］杨小森，沈燕良，王建平，等.飞机应急液压泵的失效机理研究［J］.机床与液压，2006(9):154－155.

［3］第三机械工业部第六研究院第一研究所.F-4B敌机残骸分析资料.

［4］封世俊，封志刚.对运五飞机喷液操纵系统重复故障的研究［J］.中国民用航空，1994(4):20－22.

［5］飞机设计手册总编委会.飞机设计手册:飞行控制系统和液压系统设计分册［M］.北京:航空工业出版社，2003.