Question:
Pourquoi les avions utilisent-ils l'hydraulique au lieu de la pneumatique?
tas
2015-09-30 22:21:27 UTC
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J'ai lu comment le F-35 rencontre des problèmes avec le système «fueldraulic». Cela m'a fait me demander:

Pourquoi les avions n'utilisent-ils pas de systèmes pneumatiques au lieu de systèmes hydrauliques / hydrauliques?

Il y a plusieurs avantages du pneumatique (air comprimé) par rapport à l'hydraulique (liquide sous pression) ou systèmes hydrauliques (carburant sous pression):

  • Pas besoin de transporter du liquide hydraulique. Cela permet d'économiser du poids et des coûts de maintenance.
  • Deux fois moins de tuyauterie, car il n'est pas nécessaire de renvoyer le liquide hydraulique vers la pompe - l'air comprimé peut être libéré après utilisation. Cela économise plus de poids.
  • Les fuites sont moins dangereuses. Il n'y a aucun risque de manquer de liquide hydraulique ou de fuite de liquide hydraulique de prendre feu.

Il y a aussi des inconvénients: moins de pression - ce qui signifie moins de puissance par unité de gaz / liquide - et moins de précision, car le gaz est compressible. Mais j'estime que ces problèmes devraient pouvoir être résolus dans un avion moderne contrôlé par ordinateur. Alors quel est le problème?

Je suppose que vous l'avez cloué dans votre question. L'hydraulique fonctionne à plus de 3000 PSI, de sorte que de petits tubes peuvent être utilisés. Vous auriez besoin de tubes à une pression beaucoup plus élevée pour effectuer le travail requis que vous devrez constamment reconstituer en purgeant l'air. De plus, il y a d'énormes décalages partout en raison de la faible vitesse du son dans l'air, et quelle que soit la modernité de vos systèmes de contrôle, il y a une limite à la façon dont vous pouvez contrôler les choses, appelée `` effet de lit à eau ''.
Les avions * utilisent * des systèmes pneumatiques pour alimenter les démarrages des moteurs, la machine à cycle pneumatique, l'antigivrage des ailes, la pressurisation, etc. Le fait qu'il dispose également d'un système hydraulique devrait faire la lumière sur ce qu'il est nécessaire puisque le matériel pneumatique est déjà là.
Il existe des systèmes à actionnement pneumatique sur au moins certains aéronefs - les premiers 747 utilisent des actionneurs pneumatiques pour les LED, et certains avions plus petits ont des L / G pneumatiques.
Sept réponses:
KeithS
2015-09-30 23:39:02 UTC
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Le gros inconvénient ici est la perte de précision due à la haute compressibilité du gaz par rapport au liquide. Comme les gaz sont hautement compressibles, ils fournissent un tampon aux changements de pression commandés par l'opérateur pour déplacer le piston dans le cylindre. Cela pose deux problèmes; Premièrement, cela signifie que le vérin pneumatique ne répond pas instantanément aux différentiels de pression, car le différentiel doit d'abord surmonter le frottement statique du joint de vérin. Deuxièmement, cela signifie que le mouvement du cylindre s'oppose plus facilement tant que la force qui s'oppose à la pression du gaz peut vaincre ladite pression sans provoquer l'échec du système pneumatique contrôlé.

Pour surmonter ces défauts, la plupart des systèmes pneumatiques fonctionnent à des pressions très élevées, de sorte que la différence de pression entre les deux moitiés du cylindre surmonte facilement le frottement statique et toute autre force opposée. Cependant, cela crée un autre problème de précision; les cylindres pneumatiques à haute pression sont essentiellement des systèmes à deux états; le piston ou l'actionneur est généralement à l'un ou l'autre de ses extrêmes de mouvement, et les transitions entre eux très rapidement car la pression de gaz est appliquée d'un côté ou de l'autre du cylindre.

Aucun de ces comportements n'est souhaitable pour les commandes d'aéronefs; les instructeurs travaillent quotidiennement pour apprendre à leurs élèves à ne pas manipuler les commandes, mais utilisent plutôt un peu de finesse pour que l'avion fasse ce qu'il veut de manière fluide et contrôlée. Pourquoi alors voudriez-vous défaire toute cette finesse avec un système de contrôle qui ne peut déplacer la surface que jusqu'aux extrêmes de sa course?

L'hydraulique, en revanche, permet un degré de finesse beaucoup plus élevé. Parce que les liquides ne changent pas facilement de densité, les changements de pression dans un cylindre hydraulique nécessitent beaucoup plus de force pour s'opposer, mais du même coup, comme le volume change, la pression du côté alimenté en fluide diminue rapidement. Cela permet à un vérin hydraulique d'être positionné beaucoup plus précisément, quelles que soient les forces externes agissant sur le système. L'inconvénient est de transporter un liquide assez lourd dans les airs, et de n'avoir qu'une capacité limitée pour le remplacer en cas de fuite.

Les actionneurs électriques sont une solution courante à cet inconvénient, en particulier dans les avions légers. Les actionneurs électriques utilisent un moteur électrique ou un servo pour fournir l'action mécanique. Ces actionneurs peuvent être contrôlés avec un haut degré de précision, et leur «système d'alimentation» est juste un circuit électrique, sans conduites et vérins hydrauliques lourds et complexes. Leurs inconvénients sont un compromis entre la vitesse de déplacement et la force maximale appliquée pendant le déplacement; vous pouvez soit fabriquer un actionneur qui se déplace très rapidement, soit un actionneur qui se déplacera quelle que soit la force opposée au mouvement, mais vous ne pouvez vraiment pas faire les deux. Ils sont toujours utiles dans les avions légers pour contrôler les volets (avec un système de câble utilisé pour les surfaces principales), car ils permettent des quantités précises d'extension ou de rétraction, et n'ont pas à répondre instantanément à une entrée comme le font les gouvernes primaires. .

Il y a quelque chose à l'horizon qui pourrait rendre la pneumatique réalisable pour les avions. Les systèmes hydrauliques ont été récemment améliorés avec le développement de la servovalve électrohydraulique. Ce système utilise un potentiel électrique variable (tension) pour déplacer un cylindre hydraulique d'une quantité prescrite proportionnelle à la tension appliquée. Les servos électriques purs existent depuis des décennies, mais la force maximale disponible d'un servo est insuffisante pour les gros avions de ligne, tandis que pour les petits avions, le poids relativement élevé du servomoteur par rapport aux simples commandes par câble est un inconvénient. Le concept de servovalve électrohydraulique est utilisé dans les nouveaux gros aéronefs pour remplacer les systèmes de commande hybrides purement hydrauliques ou à câble / hydraulique, car le système hydraulique peut maintenant être contrôlé par un circuit électrique au lieu de conduites hydrauliques ou de câbles tendus couplés à la colonne de commande. Cela permet d'utiliser des avions «fly-by-wire» tels que la plupart des avions de ligne Airbus ainsi que la plupart des avions de combat des 40 dernières années.

Un concept similaire est en cours de développement pour la pneumatique, permettant le placement précis des un actionneur utilisant un gaz sous pression en réponse à une tension électrique. Ceci offrirait tous les avantages d'un système électrohydraulique, avec un poids considérablement plus léger et une réponse plus rapide, mais ayant toujours l'inconvénient qu'une force opposée significative pourrait empêcher le mouvement de l'actionneur en particulier lorsqu'il s'approche de la position souhaitée. Reste à savoir si ce sera un problème dans un gros avion, et les économies de poids liées à la perte du fluide hydraulique pourraient ne pas en valoir la peine, mais si le compromis est acceptable, cela augmenterait encore l'autonomie ou la charge utile de la prochaine génération de passagers. avion, avec la fonction de sécurité / fiabilité supplémentaire de pouvoir compenser une fuite lente dans un système pneumatique en ajoutant simplement plus d'air avec une pompe de compresseur.

+1 pour avoir une réponse détaillée au lieu de la fourrer paresseusement dans un commentaire. Coupable selon l'accusation ...
Un vérin pneumatique pourrait probablement être meilleur qu'un vérin hydraulique dans les cas où l'objectif était de moduler la force plutôt que la position; si l'on devait concevoir la liaison de contrôle pour une surface de contrôle de sorte que la force générée par la surface soit un multiple d'une force appliquée, l'utilisation de la pneumatique pour appliquer cette force signifierait que si la turbulence provoquait le changement de la force produite par un certain angle , la surface se déplacerait en réponse sans que le changement n'ait à se propager à travers le système de contrôle de l'avion. En théorie, plus agréable que l'hydraulique, mais des oscillations ...
... sont probablement beaucoup plus difficiles à contrôler qu'avec l'hydraulique (si l'hydraulique déplace une surface de contrôle vers une position particulière, si elle reste précisément là où elle se trouve, les effets de la turbulence contrarieraient l'avion, mais s'il ne bouge pas, il peut '' t osciller).
@supercat exactement ce que je pensais comme un contre-exemple. Mais dans de nombreuses applications, des oscillations comme celles-ci entraîneraient une défaillance du système. Il y a trop de perturbations pendant le temps que le système corrige ces oscillations. Trop de calculs et d'entrées réactives, jamais assez de temps ou de stabilité.
Les suspensions automobiles @BAR: ont traditionnellement utilisé l'hydraulique pour contrôler l'oscillation, mais certains systèmes plus récents utilisent des commandes plus actives. Je ne sais pas dans quelle mesure une telle chose pourrait être utile sur les avions, ou s'il y a tellement de couplage inévitable de la turbulence au fuselage par la surface de l'aile principale que le fait de déplacer les gouvernes en réponse aux changements de flux d'air ne ferait pas grand-chose pour s'améliorer. le trajet.
@supercat, la plupart des avions à turbine font exactement cela automatiquement: déplacer les surfaces de contrôle en réponse aux changements de flux d'air. Le problème est que si un composant du système de contrôle induit des oscillations, cela doit être corrigé par le même système de contrôle ... le même système de contrôle qui aura besoin d'une correction pour cette dernière correction ...
Les pneumatiques peuvent également être capricieux en ce qui concerne l'humidité / la glace. Vous constaterez que les avions qui utilisent la pneumatique pour certaines fonctions (poussée / polarisation du gouvernail dans les Hawkers et certains King Airs) auront une sorte de système de chauffage (purgeur d'air ou "manchons" électriques) pour empêcher la glace de se former.
on dit que le premier outil d'assemblage automatisé de tout concepteur d'outils de production est pneumatique, après quoi il apprend sa leçon et ne conçoit plus jamais un mécanisme actionné par l'air.
Dave
2015-09-30 23:07:32 UTC
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L'une des premières raisons qui me vient à l'esprit est le volume d'air. N'oubliez pas qu'un avion peut être assis au sol un jour de 27 ° C (80 ° F) et décoller et monter à 35 000 pieds où des températures de -50 ° F (-46 ° C) peuvent être présentes. L'air dans le système perdrait du volume en refroidissant et modifierait la position de la surface de contrôle (disons les volets) sans aucune entrée de commande. Les fluides sont moins sensibles à ce problème. Certes, cela pourrait être contrôlé, mais cela nécessiterait toujours un système de régulation.

Les fuites peuvent également être plus faciles à trouver dans un système hydraulique puisque vous pouvez soit

  1. voir une fuite de fluide
  2. mettre des additifs qui peuvent être éclairés sous certaines lumières

Les fuites pneumatiques sont souvent trouvées en frottant de l'eau savonneuse sur un joint et en surveillant les bulles (du moins c'est comme ça Je les trouve). Parfois, ils peuvent être difficiles à suivre s'ils se trouvent dans des endroits difficiles d'accès.

La différence de pression est également un problème avec le changement d'altitude, bien que moins d'un compte tenu des pressions de fonctionnement nominales des systèmes pneumatiques; à 50 000 pieds, la différence de pression entre les côtés «pressurisé» et «non pressurisé» d'un actionneur pneumatique est de 14 PSI plus élevée qu'au niveau de la mer. Maintenant, si le système fonctionne de toute façon à 100 PSI, c'est assez trivial.
Il existe des appareils à ultrasons pour détecter les fuites dans les systèmes pneumatiques. Ils sont cependant assez chers. Et bien sûr, les raisons non liées aux fuites sont beaucoup plus importantes.
Ufuk Akoguz
2015-10-27 02:22:48 UTC
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Oui bien sûr (je suis user12000 au fait: D) ​​les pneumatiques sont rapides, bon marché et légers mais n'ont pas une bonne précision et vous devez transporter des réservoirs pressurisés appelés réservoirs (cela signifie que vous avez besoin d'espace) et vous devez remplissez votre réservoir (cela signifie que vous avez besoin d'un compresseur, cela signifie encore de l'espace). Lorsque vous compressez l'air, il se réchauffe (cela signifie un système plus frais, ce qui signifie de nouveau de l'espace). Vous pouvez l'utiliser à nouveau si vous ne l'utilisez pas fréquemment et que vous voulez un produit bon marché et léger. L'hydraulique est lourde, coûteuse, peut utiliser une force élevée et a une bonne précision. Vous n'avez pas besoin d'utiliser un compresseur car il utilise du fluide, il a besoin d'une pompe. Les pompes sont trop petites que les compresseurs et produisent moins de chaleur. Vous avez également besoin d'un petit réservoir (le réservoir est nécessaire pour l'hydraulique car il protège le système des contraintes dues à la dilatation du fluide en raison de l'échauffement du système ou vice versa).

Koyovis
2017-11-24 21:18:28 UTC
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Oui, quel est le problème en effet. Cela a été fait, sans aucun problème, avec tous les avantages que vous mentionnez et sans votre inconvénient cité de basse pression. Cet article traite de la conception entièrement pneumatique des F27 et F227. L'air à 3350 PSI a une action rapide puissante, plus il a stocké une puissance d'actionnement qu'un système hydraulique n'a pas. L'hydraulique peut fournir une haute pression à un faible débit: le débit de la pompe. Les accumulateurs hydrauliques stockent un peu d'huile sous pression supplémentaire de sorte que le système peut très brièvement dépasser le débit de la pompe - seulement brièvement cependant, et l'accumulateur est également nécessaire pour amortir l'ondulation. L'air à haute pression peut être fourni à un débit énorme, pendant beaucoup plus longtemps.

Le F27 a des commandes de vol à commande manuelle: un avion de cette taille peut être entièrement contrôlé à l'aide de celles-ci. Pour les avions plus gros, la force nécessaire pour dévier la surface de contrôle peut être générée par un actionneur fonctionnant à 228 bar, qu'il soit à commande hydraulique ou pneumatique.

J'ai parlé avec certains des concepteurs de systèmes pneumatiques lorsque je a travaillé à l'usine qui a fabriqué ces avions. La seule vraie difficulté qu'ils ont rencontrée lors de la phase de conception et de mise en œuvre a été la conception des contrôleurs, une servo-valve pour un système hydraulique donne moins de casse-tête qu'une pour un système pneumatique. Juste un problème d'ingénierie supplémentaire à résoudre avec une boucle de rétroaction appropriée.

Et maintenant nous pouvons concevoir pour les contrôleurs les moins problématiques de tous, pour les moteurs électriques &.

hoffy
2015-10-02 09:22:21 UTC
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Ouais, la précision serait le facteur décisif. C'est pourquoi les pelles hydrauliques, par exemple, utilisent l'hydraulique, car vous pouvez fournir beaucoup de puissance avec des mouvements très infimes. Les bons opérateurs pouvaient en ramasser un quart puis renverser un arbre. Ainsi, en vol, les gouvernes sont soumises à d'énormes kilos de pression atmosphérique, mais ne doivent se déplacer que de quelques centimètres et avec un temps de réponse rapide. Un liquide va avoir la viscosité pour des mouvements plus "fluides" qui sont plus sensibles aux réponses instantanées. Vous verrez beaucoup de systèmes pneumatiques dans les usines pour les applications de vannes qui seront complètement ouvertes ou complètement fermées. Parce que l'air est si léger, il ne peut tout simplement pas fournir la même puissance et la même précision.

De plus, fly by wire rend tout ce discours plutôt obsolète. Vous pouvez obtenir toute la puissance électrique dont vous avez besoin avec des actionneurs HP / couple extrêmement élevés qui fourniront autant de force avec encore plus de précision et un temps de réponse plus long.

Je ne suis pas sûr, mais je ne doute pas que le système de freinage des roues soit pneumatique comme les 18 roues sur route. Sinon, le seul air sous pression que vous verrez jamais sur un avion de ligne sera la pression de la cabine et l'apport d'oxygène.

La viscosité n'a rien à voir avec cela. Le liquide aura une viscosité plus élevée, ce qui signifie que plus de puissance sera perdue à cause du frottement interne lorsque le fluide circule dans les tuyaux. La raison de l'utilisation de liquides est leur _incompressibilité_, qui leur permet de transférer de grandes forces (pression) avec de minuscules changements de position.
Fly-by-wire n'utilise (actuellement) pas d'actionneurs électriques, mais [toujours l'hydraulique] (http://www.pmflight.co.uk/airbus-fly-by-wire/), ou un mélange d'hydraulique et d'électricité pour la redondance. Lorsque le système redevient électrique, le contrôle peut être limité ou lent.
Les avions volants utilisent toujours l'hydraulique pour la plupart de leurs actionneurs, car les moteurs électriques peuvent avoir un couple élevé ou une précision élevée, mais ils n'ont pas les deux.
@JanHudec Pourquoi pas?
@JanHudec Le fait est que si l'on regarde la consommation d'énergie, un système de mouvement hydraulique pour un simulateur consomme toujours une puissance maximale, que la charge utile soit en mouvement ou non. L'énergie excédentaire non utilisée pour le mouvement est transformée en chaleur au niveau des servovalves. Un système de mouvement électrique ne consomme que l'énergie directement utilisée pour le mouvement (ou pour compenser la gravité si aucun ressort pneumatique n'est présent). Les systèmes de retour de force des commandes de vol de niveau D sont également des moteurs couple électriques depuis 20 ans: silencieux, propres, économe en énergie. Certes, les moteurs sont plus gros que les actionneurs hydrauliques.
@Koyovis, hm, étrange. Je peux voir pourquoi l'actionneur électrique aurait besoin d'une puissance constante (à moins que la force de maintien ne soit fournie par le frottement dans un vérin, les électroaimants ont besoin de puissance pour maintenir la force - et les vérins sont lents), je ne vois pas de raison pour laquelle l'actionneur hydraulique en a besoin (En régime permanent, le fluide ne devrait pas bouger, il ne devrait donc pas perdre de pression et ne devrait donc pas avoir besoin de le reconstituer; en fait, les freins fonctionnent à partir du réservoir de pression de secours pour un nombre limité d'applications, mais un temps illimité, ce qui suggère ils ne perdent en effet pas d'énergie en régime permanent).
user12000
2015-10-27 02:05:01 UTC
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En particulier, les harnais comprennent des pièces mécaniques, hydrauliques, pneumatiques et électromécaniques. En général, les ailerons, la profondeur et les volets sont contrôlés par des servos hydrauliques parce que l'hydraulique a des avantages en termes de précision et de perte de puissance, mais sur les trains d'atterrissage, les portes sont contrôlées par la pneumatique (pas les servos) car vous n'avez besoin d'aucun retour de position, vous voulez seulement savoir que les portes sont ouvertes ou pas.

Vous soulevez quelques bons points, il serait utile d'inclure quelques explications supplémentaires sur les avantages et inconvénients que vous mentionnez.
Roger Bohn
2018-02-17 03:30:27 UTC
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Cette discussion sur les freins est ancienne, mais je ne vois aucune réponse indiquant que le 787 est équipé de freins électriques. (Mais voir le 5ème paragraphe de réponse de KeithS concernant les petits avions.) De la section 787 FCOM 15:

Système de freinage électrique

Le frein Le système est alimenté par quatre blocs d'alimentation électrique de frein. Les pédales de frein assurent un contrôle indépendant des freins gauche et droit. Quatre actionneurs de frein électriques (EBA) sont fournis sur chaque frein de roue dentée principale pour contrôler l'application de la force de freinage sur le disque de carbone. Les EBA sont contrôlés par un contrôleur de frein électrique (EBAC). Il y a quatre EBAC qui contrôlent les freins de toutes les roues principales, chaque EBAC contrôlant la force de freinage d'une paire de roues avant-arrière.

Source: Document Numéro D615Z003-TBC 31 octobre 2007 Numéro de révision: 4 Date de révision: 15 février , 2010

Bien sûr, Boeing parle des systèmes électriques du 787. Voici ce qu'ils disent à propos des freins:

Une application innovante du L'architecture des systèmes plus électriques sur le 787 est le passage des freins à commande hydraulique aux freins électriques.Les freins électriques réduisent considérablement la complexité mécanique du système de freinage et éliminent le potentiel de retards associés à des fuites de liquide hydraulique de frein, des soupapes qui fuient et d'autres défaillances hydrauliques. Étant donné que ses systèmes de freinage électrique sont modulaires (quatre actionneurs de frein indépendants par roue), le 787 pourra être expédié avec un actionneur de frein électrique (EBA) inopérant par roue et aura des pénalités de performance considérablement réduites par rapport à l'envoi d'un système de freinage hydraulique en cas de panne. L'EBA est remplaçable en ligne, ce qui permet la maintenance in situ des freins.

En général, les systèmes électriques sont beaucoup plus faciles à surveiller pour la santé et l'état du système que les systèmes hydrauliques ou pneumatiques; les freins en profitent pleinement. Surveillance continue à bord des freins offre aux compagnies aériennes un certain nombre d'avantages, tels que:

Détection et isolation des pannes Surveillance électrique de l'usure des freins Possibilité d'éliminer les inspections visuelles d'usure des freins Temps de stationnement prolongé Parce que les freins 787 peuvent surveiller la force de freinage appliquée même en stationnement, le les freins électriques permettent d'allonger les temps de frein de stationnement en surveillant et en réglant automatiquement ses freins de stationnement lorsque les freins refroidissent.

Comment fonctionnent-ils? Voici un indice de PPrune:

Les moteurs fournissent un couple à travers des ensembles d'engrenages aux actionneurs, qui sont des vérins entraînés par une vis de vérin. Il existe un mécanisme de verrouillage pour limiter la sur-rotation et la conduite arrière, minimisant les besoins actuels des moteurs d'actionneur EBS.



Ce Q&R a été automatiquement traduit de la langue anglaise.Le contenu original est disponible sur stackexchange, que nous remercions pour la licence cc by-sa 3.0 sous laquelle il est distribué.
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