涡轮发动机飞机结构与系统_任仁良主编_9787302469650

本书主要包括飞机基本结构、液压和燃油系统、操纵系统、空调系统、发动机、电源系统、防火系统、灯光系统和机载维护等系统, 涵盖了中国民航规章CCAR-66R2模块M11 (AV) 机械和电气部分的内容。

　　《涡轮发动机飞机结构与系统》（AV）分上、下两册，上册为涡轮发动机飞机电子系统，下册为飞机机械和电气系统。本教材是按照中国民航规章CCAR66R2《民用航空器维修人员执照管理规则》航空电子专业（AV）考试大纲M11编写的，本书的编写内容是飞机维修人员必须要掌握的基础知识。在编写过程中，力求做到通俗易懂，注重知识的实用性，贯彻了理论与实际密切结合的思想，基本上不涉及复杂的数学公式和推导，强调定性描述大纲中要求掌握的基本知识。本书可以作为CCAR147维修基础培训机构的培训教材或参考教材，也适用于具有一定基础的航空电子专业人员自学。

　　上册由张鹏教授主编和统稿，内容包括仪表系统、自动飞行系统、通信系统和导航系统。

　　下册由任仁良教授主编和统稿，下册有9章，内容包括飞机结构、液压与燃油系统、飞行操作系统、空调及机舱设备、燃气涡轮发动机、飞机电源系统、灯光照明系统、防火系统和机载维护系统。其中第1章1.1节由李幼兰编写，1.2节由虞浩清编写，第2、3章由张铁纯编写，第4章4.1~4.6节由胡静编写，4.7节由邢忠庆编写；第5章由凌云编写；第6~8章由任仁良编写；第9章由杨国余编写。

　　第2版是在第1版的基础上进行修订的，修订的重点一是对原版各章的文字和内容进行了重新梳理，对一些不清楚的或不对的地方进行了修改和完善，力求把飞机机械、发动机和电气系统的基本原理讲解更直接、更透彻，方便机械专业机务人员学习。二是第1版教材使用10年的过程中，随着新一代飞机B787和A380投入运行，飞机机械电气系统发生了很大的变化，急需增加相应的基础知识。

　　在第1~4章中，更换或增加了一些配图，更加贴近民航飞机的实际情况。飞机结构部分修订了相关知识点的描述。液压系统基本原理一节增加了对液压传动特性的详细分析；燃油系统概述中增加了燃油箱布局、燃油箱抑爆系统等内容，燃油指示系统增加了超声波式指示系统。飞行操纵增加了电传手操纵机构（侧杆和驾驶盘）对比，将立放式脚蹬配图更换为典型民航机脚蹬构型，增加了混合式传动机构；舵面驱动装置一节将液压助力器、载荷感觉定中机构调整为典型民航机助力器和载荷定中机构构型，增加电静液驱动、多电飞机电力驱动两种驱动方式；电传操纵系统一节增加电传飞行控制法则概念；辅助操纵系统一节细化了对飞行扰流板功能的描述；失速警告系统增加了自动缝翼系统。空调系统增加了电动离心增压器引气，增加空调组件活门工作原理；座舱温控原理一节细化单活门式温控活门原理，增加座舱温度区域控制知识点；空气循环制冷一节增加双涡轮式空气循环制冷系统原理；空气分配系统一节增加侧壁低位供气系统；压力控制系统修订增压工作模式描述。

　　第5章为燃气涡轮发动机，在发动机控制系统部分、发动机操纵系统部分和发动机辅助动力装置部分增加了较多的内容，删减了与航空电子专业关联不大的内容，对部分图表进行了替换和优化。

　　在电源系统增加了飞机电网的线制说明；增加了航空锂电池一节，增加了飞机电瓶充电、容量检查和维护基本知识；在直流电源系统中增加了直流电源的控制与保护一节；增加了多电飞机如B787在电源方面的新技术，如电压等级分为115/200V和230/400V、加强了变频电源的内容、增加了交流启动发电机的内容；增加了电网的控制与保护一节，增加了电网构型和远程配电方式、自动配电方面的内容，使电源系统内容更加完整。在灯光照明系统中增加了飞机上常用光源一节，对全面了解飞机上的灯光很有帮助；增加了现代飞机常用的LED灯的描述和应用举例；对应急灯光和机外灯光增加了描述内容。在防火系统中，增加了光敏型火警探测器，使探测器种类更加完整；按*新的标准划分了火的种类；对灭火瓶释放外部指示进行了描述；对空客和波音典型的发动机灭火瓶不同构型进行了说明。

　　宋静波、蒋陵平、项伟、许俊、张宏伟、刘建英、许少伟、万晓云、郝瑞、杨晓龙、杨娟、孙斌等对本书进行了审校，提出了许多修改意见，在此谨表深深的感谢。

　　我国民航所使用的飞机大都是欧美制造，为了便于学生对照机型资料学习，书中的部分电路符号采用了欧美国家的符号，学习时应予注意。

　　由于编写时间仓促和我们的水平有限，教材中可能存在着许多错误和不足，请各位专家和读者指出，以便再版时加以纠正。

　　编者2017年3月

　　第3章飞行操纵系统

　　3.1操纵系统基础

　　飞机飞行操纵系统是飞机上的主要系统之一，它的工作性能好坏，直接影响着飞机飞行的性能，对于民航飞机来说，更在很大程度上影响飞机的安全性和乘坐品质。

　　3.1.1操纵系统的定义及分类

　　1. 飞行操纵系统的定义

　　飞机飞行操纵系统是飞机上所有用来传递操纵指令、驱动舵面运动的所有部件和装置的总和，用于对飞机飞行姿态、气动外形、乘坐品质的控制。驾驶员通过操纵飞机的各舵面和调整片实现飞机绕纵轴、横轴和立轴旋转(如图3.11所示)，以完成对飞机的飞行姿态和飞行轨迹的控制。

　　图3.11飞机绕三个轴的运动

　　2. 飞行操纵系统的分类

　　飞行操纵系统分类的方法较多，一般按照操纵信号来源、信号传递方式和驱动舵面运动的方式三种方法分类。

　　1) 根据信号来源

　　根据操纵信号的来源，现今飞机飞行操纵系统可以分为两大类：人工飞行操纵系统和自动飞行控制系统。人工飞行操纵系统，其操纵信号是由驾驶员发出的，而自动飞行控制系统，其操纵信号是由系统本身产生的。自动飞行控制系统是对飞机实施自动和半自动控制，协助驾驶员工作或自动控制飞机，如自动驾驶仪。

　　2) 根据信号传递方式

　　根据操纵信号传递的方式，操纵系统可以分为机械操纵系统和电传操纵系统。机械操纵系统的操纵信号由钢索、传动杆的机械部件传动，而电传操纵系统(fly by wire,FBW)的操纵信号通过电缆传动。目前正在研究的传动方式为光传操纵系统，操纵信号为在光缆中的光信号。

　　3) 根据驱动舵面方式

　　根据驱动舵面的方式，操纵系统可分为简单机械操纵系统和助力操纵系统。简单机械操纵系统依靠驾驶员体力克服铰链力矩驱动舵面运动，又被称为简单机械操纵系统。简单机械操纵系统分为软式操纵系统和硬式操纵系统。简单机械操纵系统构造比较简单，主要由驾驶杆、脚蹬、钢索、滑轮、传动杆、摇臂等组成。

　　随着飞机尺寸和重量的增加，飞行速度的不断提高，即使使用了气动补偿，驾驶杆力仍不足以克服铰链力矩，20世纪40年代末出现了液压助力器，实现了助力操纵。目前飞机舵面的驱动装置除了常用的液压助力器外，还有电动驱动装置。

　　另外，根据舵面类型不同，操纵系统还可分成主操纵系统和辅助操纵系统。主操纵系统包括副翼操纵、升降舵操纵和方向舵操纵；辅助操纵系统包括增升装置、扰流板操纵和水平安定面配平操纵。

　　3. 操纵系统的发展

　　随着科学技术的发展，高精尖技术首先在飞机上获得了应用，在此期间，操纵系统也发生了一系列变化。

　　1) 经典：机械操纵阶段

　　早期飞机操纵系统为简单机械操纵系统。随着飞机尺寸和重量的增加，飞行速度的不断提高，飞机的操纵越来越费力，即使采用了气动补偿，驾驶杆力仍不足以克服铰链力矩。在20世纪30年代首先在重型飞机的副翼操纵系统里采用了有回力的液压助力器。50年代初，又采用了无回力的液压助力器，实现了助力操纵。

　　2) 主流：电传操纵阶段

　　由于在复杂的机械系统中存在着摩擦、间隙和弹性变形，始终难以解决精微操纵信号的传递问题。20世纪70年代初，成功地实现了电传操纵技术，它取代不可逆助力操纵系统而成为主操纵系统。电传操纵系统是在控制增稳系统基础上发展的必然产物，微电子技术和计算机科学的发展，可靠性理论和余度技术的建立为电传操纵系统奠定了基础，余度系统赋予它较高的安全可靠性。多余度电传操纵系统在现代民航飞机中已获得大范围的应用，例如A320、A330、A380、A350、B777、B787等民航客机，采用了电传飞行操纵系统。

　　3) 未来：光传操纵阶段

　　考虑到电传操纵存在着单通道可靠性较低、易受雷击和电磁脉冲干扰等问题，另外一种更为先进的操纵系统已在20世纪70年代进入研制，这就是光传操纵(fly by light，FBL)系统。光传操纵系统以光代替电作为传输载体，以光导纤维作为物理传输媒质，是在计算机之间或计算机与远距离终端(如舵机等)之间传递指令和反馈信息的飞行控制系统。传递操纵指令的主要元件是光导纤维，它具有抗射频、核爆炸、电磁及噪声能力强，故障隔离性能好，传输数字信号速率高，频带宽、功率小和重量轻等优点，因此光传操纵系统是未来飞机飞行操纵系统发展的必然趋势。

　　3.1.2中央操纵机构

　　飞机主操纵系统是由中央操纵机构和传动系统两大部分组成。由驾驶员手脚直接操纵的部分，叫作中央操纵机构。中央操纵机构由手操纵机构和脚操纵机构所组成。

　　1. 手操纵机构

　　1) 机械手操纵机构

　　手操纵机构分为驾驶杆式手操纵机构和驾驶盘式手操纵结构。图3.12(a)表示一种驾驶杆式手操纵机构。前推或后拉驾驶杆时，驾驶杆绕着轴线a—a转动，经传动杆1和摇臂1等构件的传动，可操纵升降舵；左右压杆时，驾驶杆绕轴线b—b转动，这时扭力管和摇臂2都随之转动，经传动杆2等构件的传动，即可操纵副翼。

　　驾驶杆式手操纵机构虽然要操纵两个舵面——升降舵和副翼，但两者不会互相干扰。也就是说，单独操纵某一舵面时，另一舵面既不随之偏转，也不妨碍被操纵舵面的动作。

　　(a)(b)

　　图3.12机械手操纵机构

　　(a) 驾驶杆； (b)驾驶盘

　　图3.12(b)表示一种驾驶盘式手操纵机构。驾驶盘在操纵时，通过内部的齿轮传动装置带动驾驶杆内的一根扭力管转动，扭力管通过一个万向接头带动副翼操纵钢索轮，提供操纵副翼的信号，前推或后拉驾驶盘时，可操纵升降舵。

　　上述两种手操纵机构相比，驾驶杆构造较简单，便于飞行员一手操纵驾驶杆，一手操纵油门手柄，但是它不便于用增大驾驶杆倾斜角度的办法来减小操纵副翼时的杆力；驾驶盘式构造较复杂，但可通过增大驾驶盘的转角，使操纵副翼省力，当然，这时使副翼偏转一定角度所需的时间要相应增长。

　　因此，前者多用于机动性较好而操纵时费力较小(或装有助力器)的飞机，后者多用于操纵时费力较大而机动性要求较低的中型和大型飞机。

　　2) 电传手操纵机构

　　（1) 侧杆式电传操纵机构。空客系列飞机的电传操纵系统采用“侧杆”操纵机构。所谓“侧杆”是“侧杆操纵器”的简称，是一种输入为力信号，输出为电信号的小型侧置手操纵机构，如图3.13所示。

　　图3.13侧杆式电传手操纵机构

　　（a）侧杆操纵器原理；（b）某型飞机侧杆操纵器特写

　　这种手操纵机构代替了传统的驾驶杆(或驾驶盘)。它前后、左右摆动发出互不干扰的电信号，通过电传操纵系统使飞机产生纵向和横向运动。其具体结构、力特性与驾驶员的生理特点、操纵感觉、飞机操纵性能有关。

　　由于侧杆操纵器重量轻，空间尺寸小，改善了驾驶员观察仪表的工作条件，克服了重力加速度给驾驶员带来的不必要困难，在操纵时，侧杆的输入杆力与舵面偏转角一一对应，机长和副驾驶的操纵信号在舵面上产生叠加效果。

　　侧杆操纵机构之间没有机械连接装置，当机长(或副驾驶)操纵飞机时，另一侧的侧杆不会发生联动。另外，当自动驾驶仪操纵飞机舵面运动时，侧杆不会随动，驾驶员无法根据侧杆的状态判断飞机控制情况。

　　（2) 驾驶盘式电传操纵机构

　　波音公司在B777飞机上开始采用电传操纵系统，其手操纵机构仍然采用传统的驾驶盘结构，如图3.14所示。驾驶员操纵驾驶盘时，力传感器将操纵信号变为操控电信号。由于两个驾驶盘之间存在机械连接，当机长(或副驾驶)操纵飞机时，另一侧的驾驶盘会同步随动，便于掌控飞机操纵动态，有利于培训和带飞。当自动驾驶仪衔接后，自动驾驶的操纵信号可通过反向驱动作动器操纵驾驶盘，驾驶员可根据驾驶盘的动态监控驾驶仪操纵情况。

　　图3.14驾驶盘式电传操纵机构

　　2. 脚操纵机构

　　脚操纵机构有脚蹬平放式和脚蹬立放式两种。

　　图3.15表示一种脚蹬平放式脚操纵机构。图中的脚蹬安装在由两根横杆和两根脚蹬杆组成的平行四边形机构上。飞行员蹬脚蹬时，两根横杆分别绕转轴O和O′转动(转轴固定在座舱底板上)，经钢索(或传动杆)等的传动，使方向舵偏转。

　　图3.15脚蹬平放式脚操纵机构

　　平行四边形机构的作用是保证在操纵方向舵时，脚蹬只作平移而不转动(如图中双点画线所示)，以便于飞行员操纵。

　　图3.16为现代民航机采用的立放式脚蹬机构。脚蹬通过立杆、传动拉杆与方向舵钢索鼓轮相连。机长脚蹬和副驾驶脚蹬通过公共连杆相连，当机长或副驾驶操作方向舵脚蹬时，另一侧可脚蹬同步随动。当机长用左脚向前蹬左脚蹬时，左脚蹬向前，立杆1带动传动杆1向前，从而驱动左摇臂带动鼓轮1顺时针转动，驱动方向舵钢索转动，与此同时传动杆2向后拉，带动右脚蹬向后。

　　图3.16脚蹬立放式脚操纵机构

　　上述两种操纵机构相比，脚蹬平放式脚操纵机构，为了取得较大的操纵力臂，两脚蹬之间的距离较大；脚蹬立放式脚操纵机构，是通过增长与脚蹬连接的摇臂来获得足够的操纵力臂的，两脚蹬之间的距离可以做得较小。所以，前者多与左右活动范围较大的驾驶杆式手操纵机构组合，后者则多与驾驶盘式手操纵机构组合。

　　现代飞机驾驶舱仪表板布局复杂，同时为保证驾驶员正常观察窗外情况，需要确保驾驶员的眼点位置固定。眼点位置固定意味着驾驶员座椅的位置相对固定，因此，为保证不同身高的驾驶员能够正常操纵飞机，脚蹬的水平位置可进行前后微调。图3.17所示为某型民航飞机的驾驶员脚蹬位置调节机构。当驾驶员调整好座椅位置后，通过摇动脚蹬位置调节手轮，调节脚蹬的前后位置，直到获得*腿部操纵空间。

　　图3.17民航飞机脚蹬前后位置调节结构

　　除此之外，还有脚蹬的限动装置，限制脚蹬的*大活动范围，从而控制舵面的*大偏转角以符合规定，凡是可以调整的限动装置应在调整好的位置上保证确实锁紧，或用保险丝保险。为了防止可能因错误调整或错误装配而使舵面的偏转角超过规定而产生危险，则在舵面附近也应有限动装置。

　　3.1.3传动机构

　　传动机构的作用是将操纵机构的信号传送到舵面或助力器。在简单机械操纵系统中，传动是由一些机械机构来完成的，称为传动机构。而在助力操纵系统和电传操纵系统中，传动是由一些机构和部件组成的，习惯上称为传动装置或传动系统。

　　1. 软式传动机构

　　1) 钢索

　　钢索是由钢丝编成的，它只能承受拉力，不能承受压力。所以，在软式传动机构中，都用两根钢索构成回路，以保证舵面能在两个相反的方向偏转。

　　钢索承受拉力时，容易伸长。因此当飞行员操纵舵面时，舵面的偏转会落后于驾驶杆或脚蹬的动作，就像操纵系统有了问题一样。由于操纵系统的弹性变形而产生的“间隙”通常称为弹性间隙。钢索的弹性间隙太大，就会使操纵的灵敏性变差。

　　为了减小弹性间隙，操纵系统中的钢索在装配时都是预先拉紧的，预先拉紧的力简称“预紧力”。钢索在使用中常见的故障是断丝和腐蚀。

　　2) 滑轮和扇形轮

　　滑轮通常用酚醛树脂(胶木)或硬铝制成，它用来支持钢索和改变钢索的运动方向，为了减小摩擦在支点处装有滚珠轴承，如图3.18(a)所示。扇形轮也叫扇形摇臂(见图3.18(b)和(c))，它除了具有滑轮的作用外，还可以改变力的大小。扇形轮多用硬铝制成，在支点处也装有滚珠轴承。

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