Domanda:
Perché gli aerei usano l'idraulica invece della pneumatica?
tas
2015-09-30 22:21:27 UTC
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Stavo leggendo di come l'F-35 abbia problemi con il sistema "idraulico". Questo mi ha fatto pensare:

Perché gli aerei non usano sistemi pneumatici invece di sistemi idraulici / idraulici?

Ci sono molti vantaggi della pneumatica (aria compressa) rispetto all'idraulica (liquido pressurizzato) o sistemi idraulici (carburante pressurizzato):

  • Non è necessario trasportare liquido idraulico. Ciò consente di risparmiare peso e costi di manutenzione.
  • Metà delle tubazioni, poiché non è necessario restituire il liquido idraulico alla pompa: l'aria compressa può essere rilasciata dopo l'uso. Ciò consente di risparmiare più peso.
  • Le perdite sono meno pericolose. Non c'è pericolo di rimanere a corto di liquido idraulico o di fuoriuscita di liquido idraulico che prenda fuoco.

Ci sono anche degli svantaggi: meno pressione - il che significa meno potenza per unità di gas / liquido - e meno precisione, poiché il gas è comprimibile. Ma credo che questi problemi dovrebbero essere risolvibili in un moderno velivolo controllato da computer. Allora qual è il problema?

Immagino tu l'abbia inchiodato nella tua domanda. L'idraulica funziona a 3000+ PSI, quindi è possibile utilizzare tubi piccoli. Avresti bisogno di tubi a pressione molto più alta per svolgere il lavoro richiesto che dovrai reintegrare continuamente con aria di spurgo. Inoltre, ci sono enormi ritardi ovunque a causa della bassa velocità del suono nell'aria, e non importa quanto siano moderni i tuoi sistemi di controllo, c'è un limite a come puoi controllare le cose, chiamato "effetto letto ad acqua".
Gli aerei * usano * sistemi pneumatici per alimentare gli avviamenti del motore, la macchina del ciclo pneumatico, l'anti-ghiaccio dell'ala, la pressurizzazione, ecc. Il fatto che abbia anche un sistema idraulico dovrebbe far luce sul fatto che è necessario poiché il materiale pneumatico è già lì.
Ci sono sistemi ad azionamento pneumatico almeno su alcuni aeromobili: i primi 747 utilizzano attuatori pneumatici per i LED e alcuni aerei più piccoli hanno L / G pneumatici.
Sette risposte:
KeithS
2015-09-30 23:39:02 UTC
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Il grande svantaggio qui è la perdita di precisione dovuta all'elevata compressibilità del gas rispetto al liquido. Poiché i gas sono altamente comprimibili, forniscono un tampone alle variazioni di pressione comandate dall'operatore per spostare il pistone nel cilindro. Ciò pone due problemi; in primo luogo, significa che il cilindro pneumatico non risponde istantaneamente ai differenziali di pressione, perché il differenziale deve prima vincere l'attrito statico della guarnizione del cilindro. In secondo luogo, significa che il movimento del cilindro è più facilmente opposto fintanto che qualunque forza si oppone alla pressione del gas può superare detta pressione senza causare il guasto di qualunque cosa il sistema pneumatico stia controllando.

Per superare queste carenze, la maggior parte dei sistemi pneumatici funzionano a pressioni molto elevate, in modo che il differenziale di pressione tra le due metà del cilindro vince prontamente l'attrito statico e qualsiasi altra forza opposta. Tuttavia, ciò crea un altro problema di precisione; i cilindri pneumatici ad alta pressione sono essenzialmente sistemi a due stati; il pistone o l'attuatore è tipicamente all'uno o all'altro dei suoi estremi di movimento e le transizioni tra di loro molto rapidamente quando la pressione del gas viene applicata a un lato o all'altro del cilindro.

Nessuno di questi comportamenti è desiderabile per i controlli degli aeromobili; gli istruttori lavorano quotidianamente per insegnare ai loro studenti a non ostacolare i controlli, usando invece un po 'di finezza per far sì che l'aereo faccia ciò che vogliono in modo regolare e controllato. Perché allora vorresti annullare tutta quella finezza con un sistema di controllo che può solo spostare la superficie fino agli estremi della sua corsa?

L'idraulica, al contrario, consente un grado di finezza molto più elevato. Poiché i liquidi non cambiano facilmente densità, le variazioni di pressione all'interno di un cilindro idraulico richiedono molta più forza per opporsi, ma allo stesso modo, poiché il volume cambia, la pressione sul lato alimentato con il fluido diminuisce rapidamente. Ciò consente di posizionare un cilindro idraulico in modo molto più preciso, indipendentemente da eventuali forze esterne che agiscono sul sistema. Lo svantaggio consiste nel trasportare un liquido abbastanza pesante nell'aria e avere solo una capacità limitata di sostituirlo in caso di perdite.

Gli attuatori elettrici sono una soluzione comune a questo svantaggio, specialmente negli aerei leggeri. Gli attuatori elettrici utilizzano un motore elettrico o un servo per fornire l'azione meccanica. Questi attuatori possono essere controllati con un alto grado di precisione, e il loro "sistema di alimentazione" è solo un circuito elettrico, senza linee idrauliche e cilindri pesanti e complessi. I loro svantaggi sono un compromesso tra velocità di movimento e massima forza applicata durante il movimento; puoi creare un attuatore che si muove molto rapidamente o un attuatore che si muoverà indipendentemente dalla forza che si oppone al movimento, ma non puoi davvero fare entrambe le cose. Sono ancora utili negli aerei leggeri per controllare i flap (con un sistema di cavi utilizzato per le superfici principali), perché consentono quantità precise di estensione o ritrazione e non devono rispondere immediatamente all'input come fanno le superfici di controllo primarie .

C'è qualcosa all'orizzonte che potrebbe rendere fattibile la pneumatica per gli aerei. I sistemi idraulici sono stati recentemente migliorati con lo sviluppo della servovalvola elettroidraulica. Questo sistema utilizza un potenziale elettrico variabile (tensione) per muovere un cilindro idraulico di una quantità prescritta proporzionale alla tensione applicata. I servi elettrici puri esistono da decenni, ma la quantità massima di forza disponibile da un servo non è sufficiente per i grandi aerei di linea, mentre per i velivoli più piccoli il peso relativamente elevato del servomotore rispetto ai semplici comandi via cavo è uno svantaggio. Il concetto di servovalvola elettroidraulica viene utilizzato nei più recenti aeromobili di grandi dimensioni per sostituire i sistemi di controllo ibridi idraulici o cavi / idraulici puri, poiché il sistema idraulico può ora essere controllato da un circuito elettrico anziché da linee idrauliche o cavi tesi accoppiati alla colonna di controllo. Ciò consente velivoli "fly-by-wire" come la maggior parte degli aerei di linea Airbus e la maggior parte dei progetti di jet da combattimento degli ultimi 40 anni.

Un concetto simile è in fase di sviluppo per la pneumatica, che consente il posizionamento preciso di un attuatore che utilizza gas pressurizzato in risposta a una tensione elettrica. Ciò fornirebbe tutti i vantaggi di un sistema elettroidraulico, con un peso notevolmente più leggero e una risposta più rapida, ma con lo svantaggio che una forza contraria significativa potrebbe impedire il movimento dell'attuatore soprattutto quando si avvicina alla posizione desiderata. Resta da vedere se questo sarà un problema in un aeromobile di grandi dimensioni e il risparmio di peso derivante dalla perdita del fluido idraulico potrebbe non valerne la pena, ma se il compromesso è accettabile, aumenterebbe ulteriormente l'autonomia o il carico utile della prossima generazione di passeggeri aereo, con la caratteristica di sicurezza / affidabilità aggiuntiva di poter compensare una lenta perdita in un sistema pneumatico semplicemente aggiungendo più aria con una pompa del compressore.

+1 per avere una risposta dettagliata invece di riempirla pigramente in un commento. Colpevole come accusato ...
Un cilindro pneumatico potrebbe probabilmente essere migliore di uno idraulico nei casi in cui l'obiettivo fosse quello di modulare la forza piuttosto che la posizione; se si dovesse progettare il collegamento di controllo per una superficie di controllo in modo che la forza generata dalla superficie sia un multiplo di una forza applicata, usare la pneumatica per applicare quella forza significherebbe che se la turbolenza causasse il cambiamento della forza prodotta da un certo angolo , la superficie si muoverà in risposta senza che il cambiamento debba propagarsi attraverso il sistema di controllo dell'aereo. In teoria, più bello dell'idraulica, ma oscillazioni ...
... sono probabilmente molto più difficili da controllare rispetto all'idraulica (se l'idraulica sposta una superficie di controllo in una posizione particolare, facendola rimanere esattamente dove si trova provocherebbe gli effetti della turbolenza che colpiscono l'aereo, ma se non si muove può ' t oscillare).
@supercat esattamente quello che stavo pensando come controesempio. Ma in molte applicazioni oscillazioni del genere causerebbero un guasto del sistema. Ci sono troppi disturbi che si verificano durante il tempo in cui il sistema sta correggendo queste oscillazioni. Troppi calcoli e input reattivi, mai abbastanza tempo o stabilità.
@BAR: Le sospensioni automobilistiche hanno tradizionalmente utilizzato l'idraulica per controllare l'oscillazione, ma alcuni sistemi più recenti utilizzano controlli più attivi. Non sono sicuro in che misura una cosa del genere possa essere utile sugli aerei, o se ci sia così tanto inevitabile accoppiamento di turbolenza alla fusoliera dalla superficie dell'ala principale che avere superfici di controllo si muovono in risposta ai cambiamenti nel flusso d'aria farebbe poco per migliorare la corsa.
@supercat la maggior parte degli aerei a turbina fa esattamente questo automaticamente: sposta le superfici di controllo in risposta ai cambiamenti nel flusso d'aria. Il problema è che se un componente del sistema di controllo sta inducendo oscillazioni, questo deve essere corretto dallo stesso sistema di controllo ... lo stesso sistema di controllo che avrà bisogno di correzione per l'ultima correzione ...
Anche la pneumatica può essere pignola riguardo a umidità / ghiaccio. Scoprirai che gli aerei che utilizzano la pneumatica per alcune funzioni (spinta / bias del timone negli Hawkers e in alcuni King Air) avranno una sorta di sistema di riscaldamento (aria di spurgo o "manicotti" elettrici) per evitare la formazione di ghiaccio.
si dice che il primo strumento di assemblaggio automatizzato di ogni progettista di utensili di produzione sia pneumatico, dopodiché impara la lezione e non progetta mai più un meccanismo azionato dall'aria.
Dave
2015-09-30 23:07:32 UTC
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Uno dei primi motivi che viene in mente è il volume d'aria. Ricorda che un aereo può essere seduto a terra in una giornata di 80 ° F (27 ° C) e decollare e salire a 35.000 piedi dove possono essere presenti temperature di -50 ° F (-46 ° C). L'aria nel sistema perderebbe volume quando si raffredda e altererebbe la posizione della superficie di controllo (diciamo alette) senza alcun input di controllo. I fluidi sono meno suscettibili a questo problema. Certo, questo potrebbe essere controllato, ma richiederebbe comunque un sistema di regolazione.

Le perdite possono anche essere più facili da trovare in un sistema idraulico poiché è possibile

  1. vedere perdite di fluido fuori
  2. mettere additivi che possano essere illuminati sotto determinate luci

Le perdite pneumatiche si trovano spesso strofinando acqua saponosa su una giuntura e osservando le bolle (almeno è così Li trovo). A volte può essere difficile rintracciarli se si trovano in posti scomodi.

Anche il differenziale di pressione è un problema con il cambiamento di altitudine, anche se meno di uno considerando le pressioni di esercizio nominali dei sistemi pneumatici; a 50.000 piedi, il differenziale di pressione tra i lati "pressurizzato" e "non pressurizzato" di un attuatore pneumatico è di 14 PSI superiore rispetto al livello del mare. Ora, se il sistema funziona comunque a 100 PSI, questo è abbastanza banale.
Esistono dispositivi ad ultrasuoni per la ricerca di perdite nei sistemi pneumatici. Sono abbastanza costosi però. E, naturalmente, le ragioni non legate alle perdite sono molto più significative.
Ufuk Akoguz
2015-10-27 02:22:48 UTC
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Sì, certo (io sono user12000 a proposito: D) i pneumatici sono veloci, economici e leggeri ma non hanno una buona precisione e devi trasportare serbatoi pressurizzati chiamati serbatoi (ciò significa che hai bisogno di spazio) e devi riempi il tuo serbatoio (significa che hai bisogno di un compressore significa di nuovo spazio). Quando comprimi l'aria si riscalda (significa un sistema più freddo che significa di nuovo spazio). Puoi usarlo di nuovo se non lo usi frequentemente e vuoi economico e leggero. L'idraulica è pesante, costosa, può utilizzare una forza elevata e ha una buona precisione. Non è necessario utilizzare un compressore perché utilizza un fluido che necessita di una pompa. Le pompe sono troppo piccole dei compressori e producono meno calore. È inoltre necessario un piccolo serbatoio (è necessario un serbatoio idraulico per proteggere il sistema dallo stress dovuto all'espansione del fluido a causa del riscaldamento del sistema o viceversa).

Koyovis
2017-11-24 21:18:28 UTC
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Sì, qual è effettivamente il problema. È stato fatto, senza problemi, con tutti i vantaggi che hai menzionato e senza il tuo citato svantaggio della bassa pressione. Questo articolo discute il design completamente pneumatico dell'F27 e dell'F227. L'aria a 3.350 PSI ha una potente azione rapida, inoltre ha immagazzinato una potenza di attuazione che un sistema idraulico non ha. L'idraulica può fornire un'alta pressione a una velocità bassa: la velocità della pompa. Gli accumulatori idraulici immagazzinano un po 'di olio pressurizzato in più in modo che il sistema possa superare molto brevemente la velocità della pompa, ma solo per breve tempo e l'accumulatore è anche necessario per smorzare le ondulazioni. L'aria ad alta pressione può essere erogata a una velocità enorme, per un tempo molto più lungo.

L'F27 ha controlli di volo azionati manualmente: un aereo di queste dimensioni può essere completamente controllato utilizzando questi. Per aeromobili più grandi, la forza richiesta per deviare la superficie di controllo può essere generata da un attuatore che lavora a 228 bar, sia a comando idraulico che pneumatico.

Ho parlato con alcuni dei progettisti di sistemi pneumatici quando ho ha lavorato nella fabbrica che ha prodotto questi aerei. L'unica vera difficoltà che hanno incontrato durante la fase di progettazione e realizzazione è stata la progettazione dei controllori, una servovalvola per un sistema idraulico dà meno grattacapi di una per un sistema pneumatico. Solo un ulteriore problema ingegneristico da risolvere con un appropriato circuito di feedback.

E ora possiamo progettare per i controller meno problematici di tutti, per i motori elettrici & drives.

hoffy
2015-10-02 09:22:21 UTC
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Sì, la precisione sarebbe il rompicapo. Questo è il motivo per cui gli escavatori, ad esempio, utilizzano l'idraulica perché è possibile fornire molta potenza con movimenti molto minuti. I buoni operatori potrebbero raccogliere un quarto e poi abbattere un albero. Quindi, durante il volo, le superfici di controllo sono soggette a enormi libbre di pressione dell'aria, ma devono muoversi solo di pochi centimetri e con un tempo di risposta rapido. Un liquido avrà la viscosità per movimenti più "fluidi", il che è più suscettibile a risposte istantanee. Vedrai molti sistemi pneumatici negli impianti per applicazioni con valvole che saranno completamente aperte o completamente chiuse. Perché l'aria è così leggera che non può fornire la stessa potenza e precisione.

Inoltre fly by wire rende tutto questo discorso piuttosto obsoleto. È possibile ottenere tutta la potenza elettrica necessaria per attuatori HP / coppia estremamente elevati che forniranno la stessa forza con ancora più precisione e tempi di risposta maggiori.

Non ne sono sicuro, ma non dubiterei che il sistema di frenatura delle ruote potrebbe essere pneumatico come le 18 ruote fuoristrada. Altrimenti l'unica aria pressurizzata che vedrai su un aereo di linea sarà la pressione della cabina e l'erogazione di ossigeno.

La viscosità non ha nulla a che fare con questo. Il liquido avrà una viscosità _più alta_, il che significa che più potenza sarà persa a causa dell'attrito interno mentre il fluido scorre attraverso i tubi. Il motivo per utilizzare i liquidi è la loro _incomprimibilità_, che consente loro di trasferire grandi forze (pressione) con minuscoli cambiamenti di posizione.
Fly-by-wire (attualmente) non utilizza attuatori elettrici, ma [ancora hydraulics] (http://www.pmflight.co.uk/airbus-fly-by-wire/), o un mix di idraulica ed elettrica per ridondanza. Quando il sistema ricorre all'impianto elettrico, il controllo può essere limitato o lento.
Gli aerei Fly by wire usano ancora l'idraulica per la maggior parte dei loro attuatori, perché i motori elettrici possono avere una coppia elevata _o_ un'elevata precisione, ma non hanno entrambe.
@JanHudec Perché no?
@JanHudec Il fatto è che, se si guarda al consumo di energia, un sistema di movimento idraulico per un simulatore consuma sempre la massima potenza, indipendentemente dal fatto che il carico utile sia in movimento o meno. L'energia in eccesso non utilizzata per il movimento viene trasformata in calore in corrispondenza delle servovalvole. Un sistema di movimento elettrico consuma solo l'energia direttamente utilizzata per il movimento (o compensando la gravità se non è presente la molla pneumatica). I sistemi di force feedback ai controlli di volo di livello D sono stati anche motori coppia elettrica negli ultimi 20 anni: silenziosi, puliti, frugali con energia. È vero che i motori sono più grandi degli attuatori idraulici.
@Koyovis, hm, strano. Riesco a capire il motivo per cui l'attuatore elettrico avrebbe bisogno di potenza costante (a meno che la forza di tenuta non sia fornita dall'attrito in un martinetto a vite, gli elettromagneti necessitano di potenza per mantenere la forza e i martinetti a vite sono lenti), non vedo un motivo per cui l'attuatore idraulico ne abbia bisogno (nello stato stazionario il fluido non dovrebbe muoversi, quindi non dovrebbe perdere pressione e quindi non dovrebbe essere necessario rifornirlo; infatti, i freni funzionano dal serbatoio della pressione di backup per un numero limitato di _applicazioni_, ma tempo illimitato, suggerendo infatti non perdono energia nello stato stazionario).
user12000
2015-10-27 02:05:01 UTC
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in particolare i cablaggi includono parti meccaniche, idrauliche, pneumatiche ed elettromeccaniche. In generale Alettoni, elevatori e flap sono controllati da servocomandi idraulici perché l'idraulica ha vantaggi in termini di precisione e perdita di potenza, ma sui carrelli di atterraggio le porte sono controllate dalla pnuematica (non dai servi) perché non è necessario alcun feedback di posizione, si desidera solo sapere che le porte sono aperte oppure no.

Se sollevi alcuni punti positivi, sarebbe utile includere alcune spiegazioni aggiuntive dei vantaggi e degli svantaggi di cui parli.
Roger Bohn
2018-02-17 03:30:27 UTC
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Questa discussione sui freni è vecchia, ma non vedo alcuna risposta che indichi che il 787 ha i freni elettrici. (Ma vedere il quinto paragrafo della risposta di KeithS riguardo ai piccoli aerei.) Dalla sezione 15 del 787 FCOM:

Sistema frenante elettrico

Il freno Il sistema è alimentato da quattro unità di alimentazione del freno elettrico. I pedali del freno forniscono il controllo indipendente dei freni sinistro e destro. Quattro attuatori elettrici del freno (EBA) sono forniti su ciascun freno della ruota dentata di terra ferma per controllare l'applicazione della forza frenante sul disco in carbonio. Gli EBA sono controllati da un controller EBAC (Electric BrakeActuator Controller). Ci sono quattro EBAC che controllano i freni delle ruote principali, ciascuno dei quali controlla la forza frenante della coppia di ruote anteriori.

Fonte: documento numero D615Z003-TBC 31 ottobre 2007 Numero revisione: 4 Data revisione: 15 febbraio , 2010

Naturalmente, Boeing parla degli impianti elettrici del 787. Ecco cosa dicono dei freni:

Un'applicazione innovativa del L'architettura dei sistemi più elettrici sul 787 è il passaggio dai freni ad azionamento idraulico a quelli elettrici.I freni elettrici riducono significativamente la complessità meccanica del sistema di frenatura ed eliminano il potenziale di ritardi associati a perdite di liquido idraulico dei freni, valvole che perdono e altri guasti idraulici. Poiché i suoi sistemi frenanti elettrici sono modulari (quattro attuatori dei freni indipendenti per ruota), il 787 sarà in grado di spedire con un attuatore del freno elettrico (EBA) non operativo per ruota e avrà penalità di prestazione significativamente ridotte rispetto all'invio di un sistema di frenatura idraulico con un guasto presente. L'EBA è intercambiabile in linea consentendo la manutenzione in situ dei freni.

In generale, i sistemi elettrici sono molto più facili da monitorare per la salute e lo stato del sistema rispetto ai sistemi idraulici o pneumatici; i freni ne approfittano. Monitoraggio continuo a bordo dei freni fornisce alle compagnie aeree una serie di vantaggi, quali:

Rilevamento e isolamento dei guasti Monitoraggio elettrico dell'usura dei freni Capacità di eliminare le ispezioni visive programmate dell'usura dei freni Tempi di parcheggio prolungati Poiché i freni 787 possono monitorare la forza frenante applicata anche da parcheggiati, i freni elettrici consentono tempi di frenata di stazionamento prolungati monitorando e regolando automaticamente i freni di stazionamento quando i freni si raffreddano.

Come funzionano? Ecco un indizio da PPrune:

I motori forniscono coppia tramite gruppi di ingranaggi agli attuatori, che sono pistoni azionati da un martinetto. È presente un meccanismo di blocco per limitare la rotazione eccessiva e la marcia indietro, riducendo al minimo i requisiti di corrente per i motori degli attuatori EBS.



Questa domanda e risposta è stata tradotta automaticamente dalla lingua inglese. Il contenuto originale è disponibile su stackexchange, che ringraziamo per la licenza cc by-sa 3.0 con cui è distribuito.
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