奇妙的舵面運動

黃建國

飛機憑借位于機翼、尾翼上舵面的運動，瞬間姿態(tài)發(fā)生變化，靈活安全起降，翶翔于藍天白云之中。你可知道，是“誰”在推動飛機舵面的運動？

動力從哪里來

與作用于機翼上的升力不同，舵面運動時，氣流沿舵面表面運動的力，稱為切向力，與升力方向垂直。若提供大于切向力的動力，舵面就會產(chǎn)生運動。由于舵面偏轉的角度不大，切向力遠小于升力。

早期的飛機，舵面運動主要依靠飛行員手動操縱，腳蹬力就能從容應對。隨著飛機的塊頭越來越大，飛行速度越來越快，飛行員手動和腳蹬操縱越來越力不從心，于是開始通過電機、電動馬達來驅動舵面。由于電機、電動馬達轉速太快，遠大于舵面的運動速度，必須在它們與舵面之間配置高傳動比的齒輪箱或傳動機構。這類電傳動形式在ARJ21、CRJ系列等支線飛機上被廣為采用。

近年來，一種新型的電作動器及大功率電馬達在A380大型客機上嶄露頭角。行業(yè)專家表示，電作動器及大功率電馬達很可能取代傳統(tǒng)的液壓驅動。

然而，在現(xiàn)代中大型客機和運輸機中，80%以上的飛機舵面均采用液壓作動器、液壓馬達驅動。液壓動力除了可提供更大的驅動力外，還可以非常方便地通過改變作動器兩腔壓力，迅速改變運動方向。目前，飛機上已廣泛采用電、液伺服控制，通過與計算機的完美結合實現(xiàn)電傳控制與驅動。

無論是電動還是液動，為它們提供動力的都是飛機上的發(fā)動機。發(fā)動機除了推動飛機前進外，還帶動2臺以上的液壓泵和至少1臺電動泵，使電機和液壓馬達轉動。

此外，還有一種奇妙的舵面運動動力——氣動力，即巧妙利用飛機前進時產(chǎn)生的氣流推動舵面運動。波音707和我國首架自主研制的“運10”飛機，它們的升降舵均在其尾端設計有一塊小巧而長條狀的、可繞升降舵偏轉的操縱調(diào)整片。駕駛員只需輕松操縱這小小調(diào)整片上下偏轉，它便產(chǎn)生了正升力或負升力，再利用升力與升降舵轉軸距離（力臂）長的優(yōu)勢，便形成一個大力矩，足以驅動“大塊頭”的升降舵上下運動。

復雜的傳動機構

舵面的運動離不開驅動的動力，也少不了舵面的傳動機構。由于飛機上多達20多塊舵面各自承擔的職責、運動方式、角度大小，特別是繞轉軸偏轉的長度不同，帶來了舵面運動的多樣化，也使得傳動機構比較復雜。

例如，升降舵、副翼和方向舵一般連接在它們前面的固定翼面上，轉軸半徑小，故大都采用液壓作動器直接驅動舵面運動，作動器的另一端則連接在固定翼上并可隨舵面轉動。工作時，作動器活塞桿既可伸長，又可縮短，還能偏轉。

相比之下，位于平尾翼面上、轉軸長達1米以上的水平安定面，顯然不適宜采用液壓作動器，取代它的是一種純機械細長型的滾珠絲桿。它主要由與舵面支架相連的滾珠螺母、與電機或液壓馬達相連的滾珠絲桿及鋼球組成。當滾珠絲桿轉動時，借助鋼球，將旋轉運動轉換為螺母的往復運動。宛如常見的千斤頂一般，它可驅動巨大的、重達幾噸的水平安定面自如運動。它不僅傳載大，而且滾動摩擦力小，傳動效率高達95%以上。滾珠絲桿因具有較高的制造和傳動精度，非常適合飛機上對稱多舵面的襟翼和縫翼傳動，可以精準地完成飛機上難度極高的舵面同步運動。

現(xiàn)代飛機中，為提高襟翼增升的氣動效率，設計師采用了先進的“直線-圓弧形”滑軌，舵面作動器的運動行程與舵面偏角呈非線性變化。這使高精度的滾珠絲桿毫無用武之地。在波音787、空客A380及C919等飛機上，均采用“旋轉作動器+復雜四連桿機構”的模式。顯然，這種傳動機構設計難度很大，安裝精度要求高。它常常還承擔襟翼整流罩與襟翼協(xié)調(diào)一致地打開、放下或收上的運動，一直被視為襟翼設計中最大的難題之一。