Por que as aeronaves usam hidráulica em vez de pneumática?

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Eu estava leitura sobre como o F-35 está tendo problemas com o sistema "fueldraulic". Isso me fez pensar:

Why don't aircraft use pneumatic systems instead of hydraulic/fueldraulic systems?

Existem várias vantagens dos sistemas pneumáticos (ar comprimido) sobre os sistemas hidráulico (líquido pressurizado) ou combustível-hidráulico (combustível pressurizado):

  • Não há necessidade de transportar líquido hidráulico. Isso economiza peso e custo de manutenção.
  • Metade da tubulação, pois não é necessário devolver o líquido hidráulico à bomba - o ar comprimido pode ser liberado após o uso. Isso economiza mais peso.
  • Vazamentos são menos perigosos. Não há perigo de ficar sem líquido hidráulico ou vazar líquido do combustível combustível, pegando fogo.

Também existem desvantagens: menos pressão - o que significa menos energia por unidade de gás / líquido - e menos precisão, pois o gás é compressível. Mas sinto que esses problemas devem ser solucionáveis ​​em uma aeronave moderna controlada por computador. Então qual é o problema?

por montão 30.09.2015 / 19:21

7 respostas

A grande desvantagem aqui é a perda de precisão devido à alta compressibilidade do gás em comparação ao líquido. Como os gases são altamente compressíveis, eles fornecem um amortecedor para as mudanças de pressão comandadas pelo operador para mover o pistão no cilindro. Isso coloca dois problemas; primeiro, significa que o cilindro pneumático não responde instantaneamente aos diferenciais de pressão, porque o diferencial deve primeiro superar o atrito estático da junta do cilindro. Segundo, significa que o movimento do cilindro é mais facilmente oposto, desde que qualquer força que se oponha à pressão do gás possa superar a referida pressão sem causar falha no sistema pneumático que está controlando.

Para superar essas deficiências, a maioria dos sistemas pneumáticos opera com pressões muito altas, de modo que o diferencial de pressão entre as duas metades do cilindro supera prontamente o atrito estático e quaisquer outras forças opostas. No entanto, isso cria outro problema de precisão; cilindros pneumáticos de alta pressão são essencialmente sistemas de dois estados; o pistão ou o atuador está tipicamente em um ou outro dos seus extremos de movimento e transita entre eles muito rapidamente à medida que a pressão do gás é aplicada a um lado ou outro do cilindro.

Nenhum desses comportamentos é desejável para controles de aeronaves; os instrutores trabalham diariamente para ensinar seus alunos a não pressionar os controles, em vez disso, usando um pouco de delicadeza para levar o avião a fazer o que eles querem de uma maneira suave e controlada. Por que, então, você gostaria de desfazer toda essa requinte com um sistema de controle que só pode mover a superfície para os extremos de sua viagem?

A hidráulica, por outro lado, permite um grau muito mais alto de requinte. Como os líquidos não alteram prontamente a densidade, as mudanças de pressão dentro de um cilindro hidráulico exigem muito mais força para se opor, mas da mesma forma, pois o volume altera a pressão no lado que está sendo fornecido com o fluido diminui rapidamente. Isso permite que um cilindro hidráulico seja posicionado com muito mais precisão, independentemente de quaisquer forças externas atuando no sistema. A desvantagem é transportar um líquido bastante pesado para o ar e ter apenas capacidade limitada para substituí-lo, se algum vazar.

Atuadores elétricos são uma solução comum para essa desvantagem, especialmente em aeronaves leves. Atuadores elétricos usam um motor elétrico ou servo para fornecer a ação mecânica. Esses atuadores podem ser controlados com um alto grau de precisão, e seu "sistema de suprimento" é apenas um circuito elétrico, sem linhas e cilindros hidráulicos pesados ​​e complexos. Suas desvantagens são uma troca entre velocidade de movimento e força máxima aplicada durante o movimento; você pode criar um atuador que se move muito rapidamente ou um atuador que se move, não importa quanta força esteja se opondo ao movimento, mas você realmente não pode fazer as duas coisas. Eles ainda são úteis em aeronaves leves para controlar abas (com um sistema de cabos usado para as superfícies principais), porque permitem quantidades precisas de extensão ou retração e não precisam responder instantaneamente à entrada, como as superfícies de controle primárias .

Há algo no horizonte que poderia tornar a pneumática viável para aeronaves. Os sistemas hidráulicos foram aprimorados recentemente com o desenvolvimento da servoválvula eletro-hidráulica. Este sistema usa um potencial elétrico variável (tensão) para mover um cilindro hidráulico em uma quantidade prescrita proporcional à tensão aplicada. Servos elétricos puros existem há décadas, mas a quantidade máxima de força disponível em um servo é insuficiente para aviões de grande porte, enquanto para aeronaves menores o peso relativamente alto do servo motor em comparação com controles simples de cabo é uma desvantagem. O conceito de servoválvula eletro-hidráulica é usado em aeronaves grandes mais recentes para substituir sistemas de controle híbridos puros ou por cabo / hidráulico, porque o sistema hidráulico agora pode ser controlado por um circuito elétrico em vez de linhas hidráulicas ou cabos tensionados acoplados à coluna de controle. Isso permite aeronaves "fly-by-wire", como a maioria dos aviões Airbus, bem como a maioria dos projetos de jatos de combate dos últimos anos da 40.

Um conceito semelhante está em desenvolvimento para a pneumática, permitindo a colocação precisa de um atuador usando gás pressurizado em resposta a uma tensão elétrica. Isso forneceria todas as vantagens de um sistema eletro-hidráulico, com peso consideravelmente mais leve e resposta mais rápida, mas ainda com a desvantagem de que uma força oposta significativa poderia impedir o movimento do atuador, especialmente quando ele se aproxima da posição desejada. Ainda não se sabe se isso será um problema em uma aeronave de grande porte, e a economia de peso com a perda de fluido hidráulico pode não valer a pena, mas se a troca for aceitável, aumentaria ainda mais o alcance ou a carga útil da próxima geração de passageiros. aeronaves, com o recurso adicional de segurança / confiabilidade de poder compensar um vazamento lento em um sistema pneumático, simplesmente adicionando mais ar com uma bomba de compressor.

30.09.2015 / 20:39

Uma das primeiras razões que vem à mente é o volume de ar. Lembre-se de que um avião pode estar sentado no chão em um dia 80 ° F (27 ° C) e decole e suba até 35,000 ft, ​​onde temperaturas de -50 ° F (-46 ° C) podem estar presentes. O ar no sistema perderia volume quando esfriasse e alteraria a posição da superfície de controle (digamos, abas) sem qualquer entrada de controle. Os líquidos são menos suscetíveis a esse problema. Concedido que isso poderia ser controlado, mas ainda exigiria um sistema de regulamentação.

Também é mais fácil encontrar vazamentos em um sistema hidráulico, pois você pode

  1. veja vazamento de fluido
  2. colocar aditivos que possam ser iluminados sob certas luzes

Vazamentos pneumáticos são freqüentemente encontrados esfregando água com sabão em uma junta e observando as bolhas (pelo menos é assim que as encontro). Às vezes, eles podem ser difíceis de rastrear se estiverem em lugares estranhos.

30.09.2015 / 20:07

Sim, é claro (a propósito, eu sou user12000: D) a pneumática é rápida, barata e leve, mas não tem boa precisão e você precisa transportar tanques pressurizados chamados reservatórios (isso significa que você precisa de espaço) e você precisa encher o seu reservatório (isso significa que você precisa de um compressor, significa espaço novamente). Quando você comprime o ar, ele aquece (significa um sistema mais frio, que significa espaço novamente). Você pode usá-lo novamente se não o usar com frequência e quiser barato e leve. A hidráulica é pesada, cara, pode usar muita força e ter boa precisão. Você não precisa usar um compressor, porque usa fluido, precisa de uma bomba. As bombas são menores que os compressores e produzem menos calor. Você também precisa de um pequeno reservatório (o hidráulico do reservatório é necessário por causa de proteger o sistema do estresse pela expansão do fluido devido ao aquecimento do sistema ou vice-versa).

26.10.2015 / 22:22

Sim, a precisão seria o fim do negócio. É por isso que as escavadeiras, por exemplo, usam hidráulica, porque você pode fornecer muita energia com movimentos muito pequenos. Bons operadores poderiam pegar um quarto e derrubar uma árvore. Portanto, durante o vôo, as superfícies de controle estão sujeitas a enormes libras de pressão do ar, mas devem se mover apenas alguns centímetros e com um tempo de resposta rápido. Um líquido terá viscosidade para movimentos mais "fluidos", mais suscetíveis a respostas instantâneas. Você verá muitos sistemas pneumáticos nas plantas para aplicações de válvulas que serão totalmente abertas ou totalmente fechadas. Como o ar é tão leve, simplesmente não é possível fornecer a mesma potência e precisão.

Além disso, voar por fio torna qualquer uma dessas conversas bastante obsoletas. Você pode obter toda a energia elétrica necessária para atuadores de torque / HP extremamente altos que fornecerão a mesma força com ainda mais precisão e maior tempo de resposta.

Não tenho certeza, mas não duvido que o sistema de freios das rodas possa ser pneumático, como os veículos de rodas 18. Caso contrário, o único ar pressurizado que você verá em um avião será a pressão na cabine e o fornecimento de oxigênio.

02.10.2015 / 06:22

os chicotes espaciais incluem peças mecânicas, hidráulicas, pneumáticas e eletromecânicas. Geralmente Aileron, elevador e abas são controlados por servos hidráulicos porque a hidráulica tem vantagens de precisão e perda de potência, mas nas portas do trem de pouso são controladas por pnuematics (não servos) porque você não precisa de nenhum feedback de posição, apenas quer saber que as portas estão abertas ou não.

26.10.2015 / 22:05

Essa discussão sobre freios é antiga, mas não vejo resposta indicando que o 787 possui freios elétricos. (Mas consulte o décimo nono parágrafo de resposta da KeithS sobre aviões pequenos.) Na seção 5 FCOM 787:

Electric Brake System

The brake system is powered by four electric brake power supply units. The brake pedals provide independent control of the left and right brakes. Four Electric Brake Actuators (EBAs) are provided on each main landing gear wheel brake to control the application of braking force to the carbon disc. The EBAs are controlled by an Electric Brake Actuator Controller (EBAC). There are four EBACs that control all eight main wheel brakes, each EBAC controlling the brake force of a fore-aft wheel pair.

Source: Document Number D615Z003-TBC October 31, 2007 Revision Number: 4 Revision Date: February 15, 2010

Obviamente, a Boeing fala sobre os sistemas elétricos no 787. Aqui está o que eles dizem sobre os freios:

One innovative application of the more-electric systems architecture on the 787 is the move from hydraulically actuated brakes to electric. Electric brakes significantly reduce the mechanical complexity of the braking system and eliminate the potential for delays associated with leaking brake hydraulic fluid, leaking valves, and other hydraulic failures. Because its electric brake systems are modular (four independent brake actuators per wheel), the 787 will be able to dispatch with one electric brake actuator (EBA) inoperative per wheel and will have significantly reduced performance penalties compared with dispatch of a hydraulic brake system with a failure present. The EBA is line-replaceable enabling in-situ maintenance of the brakes.

In general, electric systems are much easier to monitor for health and system status than hydraulic or pneumatic systems; the brakes take full advantage of this. Continuous onboard monitoring of the brakes provides airlines with a number of advantages, such as:

Fault detection and isolation Electrical monitoring of brake wear Ability to eliminate scheduled visual brake wear inspections Extended parking times Because the 787 brakes can monitor the braking force applied even while parked, the electric brakes enable extended parking brake times by monitoring and automatically adjusting its parking brakes as the brakes cool.

Como eles funcionam? Aqui está uma pista do PPrune:

The motors supply torque through gear assemblies to the actuators, which are rams driven by a jack screw. There is a latching mechanism to limit over-rotation and back driving, minimizing the current requirements for the EBS actuator motors.

16.02.2018 / 22:30

Sim, qual é realmente o problema. Isso foi feito, sem problemas, com todas as vantagens mencionadas e sem a sua desvantagem citada pela baixa pressão. Este artigo discute o design totalmente pneumático do F27 e F227. O ar no 3,350 PSI tem uma ação rápida e poderosa, além de ter um poder de atuação armazenado que um sistema hidráulico não possui. A hidráulica pode fornecer uma alta pressão a uma taxa baixa: a taxa da bomba. Os acumuladores hidráulicos armazenam um pouco de óleo extra pressurizado, para que o sistema possa exceder muito brevemente a taxa da bomba - embora apenas brevemente, e o acumulador também é necessário para amortecer a ondulação. O ar de alta pressão pode ser fornecido a uma taxa enorme, por um período muito maior.

O F27 possui controles de vôo acionados manualmente: uma aeronave desse tamanho pode ser totalmente controlada usando-os. Para aeronaves maiores, a força necessária para desviar a superfície de controle pode ser gerada por um atuador que trabalha na barra 228, operado hidraulicamente ou pneumaticamente.

Conversei com alguns dos projetistas de sistemas pneumáticos quando trabalhei na fábrica que fabricava esses aviões. A única dificuldade real que eles experimentaram durante a fase de projeto e implementação foi o projeto dos controladores, uma servoválvula para um sistema hidráulico causa menos dor de cabeça do que a de um sistema pneumático. Apenas um problema de engenharia adicional a ser resolvido com um loop de feedback apropriado.

E agora podemos projetar para os controladores menos problemáticos de todos, para motores e acionamentos elétricos.

24.11.2017 / 16:18