多電飛機潮流下氣動系統的未來

Alex Derber

隨著電氣系統的出現并不斷優化，傳統氣動系統的部分功能逐漸被取代。但是，飛機OEM仍在努力通過改進氣動系統獲得飛機在成本、重量、可靠性和可維護性方面的不斷進步，因為有的性能優化是電系統技術所不能完全實現的。未來，到底是投資電系統還是氣動系統主要取決于特定飛機構型和對其他機載系統所使用的技術的選擇。

氣動系統為飛機提供動力并為飛機各類系統提供引氣，如客艙增壓、空氣調節、主發動機起動、防冰、油箱增壓、油箱惰化、航電設備冷卻等。氣動系統與液壓系統不同，液壓系統主要是為如襟翼和起落架等機械裝置提供動力，而氣動系統是使用空氣作為動力源并幫助其他相關系統實現功能。

在波音787飛機之前，大多數飛機通過增壓式進氣和發動機的引氣系統吸入空氣實現上述氣動功能。這種方法效率較低，因為發動機的引氣系統分流了產生推力的氣流，即損失了推力。此外，循環空氣所需的管道和閥門增加了飛機的重量，且空氣的利用率并不高。

在波音787飛機上，波音公司采用電驅動的空氣壓縮機取代了傳統的引氣控制裝置，為飛機的環境控制系統（ECS）供電，并將其機翼除冰器的氣動方式改為電動方式。波音787的交流發電機可以產生高達1500kW的電力，這個量級的能量可以滿足一座小鎮的家用供電需求。

聯合技術航空系統公司（UTcAerospace Systems）是波音787飛機的電氣環控系統的供應商。該公司指出電氣系統與傳統氣動系統的競爭正在日益加劇。該公司自20世紀90年代就開始為商用飛機提供電氣引氣系統（electropneumatic bleed systems），這也主要是因為飛機及其環控系統的構型優化影響了飛機設計師的偏好，而且使用電驅動壓縮機產生的增壓空氣可能效率更高。

然而，電氣系統并非靈丹妙藥，其在成本、重量和可靠性方面也需要進行多次權衡。例如，使用電氣系統的飛機需要更大更重的發電機，波音787在其服務的最初幾年內深受這一問題所困擾。值得注意的是，空客公司在A350飛機的設計中沒有完全沿用波音787的這一技術，而是采用的電氣引氣系統，并認為A350的做法更為高效。

利勃海爾公司認為，飛機OEM一直都在努力通過改進氣動系統獲得飛機在成本、重量、可靠性和可維護性方面的不斷進步，而且達到的性能水平是電系統技術所不能完全實現的。因此，利勃海爾航空在電系統和傳統的氣動系統兩方面都在大量投資。市場中推出的新飛機，如空客A330neo和巴西航空工業E2飛機，都采用了其新型的混合電氣系統，而相對較老的機型，如空客A320和ATR測試飛機上嘗試采用的是其全電動的無引氣系統。

因此，對電系統成氣動系統的選擇將歸結為特定飛機構型和對其他機載系統所使用的技術的選擇。利勃海爾航空認為，未來有些飛機將由電動完全取代氣動，而有些則仍然是氣動系統更適合。

氣動系統設計

氣動技術歷史悠久，至少可以追溯到17世紀。在航空公司不斷尋求重量、成本和可靠性方面的改進過程中，氣動技術不斷完善。同時，新材料和新生產工藝（如增材制造）也為氣動系統的設計提供了更多思路。例如，將氣動與電動相結合以提高飛機的效率。利勃海爾航空已經開發出了電子電氣解決方案，與氣動系統形成補充，可大大提高氣動系統的效率。此外，該公司還通過3D打印技術打印了空客A380飛機飛控系統的鈦液壓閥，使該閥門與由鈦鍛件制成的傳統閥塊具備相同的性能，且重量減輕35%，使用零件數量也有所減少。

除了產品規格外，氣動系統必須適應與它們相互作用的飛機各類部件的設計更新，如發動機、掛架、襟翼、發電機和配電系統、APU、航電設備和內飾等接口系統。利勃海爾航空指出，氣動系統的設計與其他零件和系統的設計密切相關，其他接口系統的任何變化都可能影響氣動系統，反之亦然。

飛機的運行狀況也很重要。一般寬體飛機氣動系統是窄體飛機氣動系統的放大版本，但在寬體飛機上也會涉及一些特定的因素。例如，寬體飛機需要一個附加的冷卻系統，因為其廚房需要將食物冷卻更長時間。再如，寬體飛機在高空巡航中所需的能量大于窄體飛機，所以還需要調整寬體飛機氣動裝置的構型以優化飛機的能量使用。

最大巡航高度、空氣速度、最大旅客數量、發動機電氣能量分配、可用性等都會影響氣動系統每個主要零件的定義。此外，氣動系統的設計還受安全法規的約束，如要求氣動系統滿足4大要求——最低人均新鮮空氣流量、飛機不同部位的最大引氣溫度、系統冗余和復合結構的部件絕緣。其中一些規定迫使氣動系統從功能的角度來看比需要的尺寸更大。例如，冗余意味著一些系統是重復的，而典型的熱交換器是超大的，為的是在類似組件發生故障時可完成更安全的飛行操作。

空調系統是氣動系統的另一關鍵部分，通常飛機采用基于空氣循環或蒸汽循環的技術。在空氣循環系統中，空氣通過空氣循環機壓縮和膨脹，并經過一系列熱交換器，甚至包括聯合技術航空系統公司研發的一項輕便高效的專利性冷凝循環技術。它是采用基于軟件的控制系統優化飛行各個階段的空氣性能。

將空氣循環機的潤滑軸承更換為無摩擦空氣軸承后，空氣循環系統平均故障間隔時間由5000小時延長至100000多小時。過去的幾十年，聯合技術航空系統公司還生產蒸汽循環調節器，它使用制冷劑與冷凝器、蒸發器以及電動壓縮機相結合產生冷空氣。與標準蒸汽循環相比，聯合技術航空系統公司的“經濟型”循環器采用更小更輕的部件，循環效率更高。

售后服務市場

雖然，燃油效率對航空公司和OEM很重要，但氣動系統的重量和性能也是影響總燃油效率的一小部分。在某些時候，氣動系統的能源優化問題會讓步于其他因素。例如，當氣動系統配置為滿足特定飛機所需的功能和安全需求時，原始設備成本及其維護成本則是OEM最優先考慮的指標。

在過去的幾十年內，得益于電氣系統等新技術的引入以及運營和維修能力的優化，利勃海爾航空的飛機氣動系統產品不斷豐富，可靠性成倍地改善，但其產品的售后服務市場對其仍然非常重要，目前占其總銷售額的30%。

該公司表示，由于其產品不斷獲得降低運營成本方面的改進，而且在役機隊持續擴大，因此未來該公司產品的售后服務收入占其總銷售額的份額不會降低。

此外，隨著各類智能傳感器、無線傳感器技術的發展，氣動系統生成的更多數據，可用于優化設計或預測性維修，提高系統可靠性，因此未來的氣動系統的壽命周期也會更長。