Автор: Фоменко Полина Алексеевна
Возраст: 17 лет
Место учебы: БОУ РА "РКЛ"
Город, регион: Горно-Алтайск, Республика Алтай

Гидравлическая система
и важность её работы в авиации

План:

1. Введение
2. Гидравлическая система
  2.1. Понятие гидравлической системы и её роль в работе самолёта
  2.2. Принцип работы
  2.3. Исторические сведения
     2.3.1. Зарождение гидросистемы
     2.3.2. Первые применения гидравлической системы в авиации
     2.3.3. Гидравлическая система в наши дни
     2.3.4. Авиакатастрофы, одна из причин которых стала неисправная работа гидросистемы
3. Заключение
4. Список используемых источников литературы

1. Введение

Актуальность: 12 сентября 2023 года произошла авария Airbus A320 под Новосибирском. Самолёт авиакомпании "Уральские авиалинии" выполнял рейс из Сочи в Омск и прервал заход на посадку в планируемый аэропорт, направившись в аэропорт Толмачёво в Новосибирске. Судя по записи разговора экипажа, произошла утечка жидкости гидравлической системы. Экипаж Airbus A320 совершил аварийную посадку в пшеничном поле в 185 километрах от аэропорта Толмачёво^[1].

После данного авиационного происшествия нас заинтересовало, что такое гидравлическая система, какую роль она выполняет в самолёте и каков принцип её работы. Также нас интересует, какие гидросистемы существуют, что они из себя представляют, перспективы их развития в дальнейшем.

Цель: Изучение гидравлической системы и понимание её работы в самолёте

Задачи: 

1. Знакомство с понятием "гидравлическая система";

2. Изучение принципа работы гидравлической системы;

3. Изучение исторических сведений;

4. Оценить важность гидравлической системы в авиации и перспективы её развития в дальнейшем.

Гипотеза: Гидравлическая система играет важную роль в работе самолёта. Без данной системы управление штурвалом будет являться невозможным и посадка воздушного судна в случае отказа одной из гидросистем будет затруднительной.

2. Гидравлическая система

2.1. Понятие гидравлической системы

Гидросистема (сокр. от гидравлическая система) — это совокупность элементов, воздействующих на текучую среду таким образом, что свойства каждого элемента оказывают влияние на состояние текучей среды во всех элементах системы^[2]. Гидравлическая система предназначена для преобразования усилия в значительное путём использования энергии жидкости.

Существует множество видов гидросистем для определённых отраслей промышленности. Все виды предназначены для одинаковой работы на основе закона Паскаля.

Гидросистемы широко применяются на летательных аппаратах, предназначенных для полётов в атмосфере за счёт быстродействия.  Данная система обеспечивает управление другими системами и механизмами, определяющие безопасность полёта. В основном на воздушных суднах наблюдается использование гидросистем для:

• привод механизации крыла и системы управления самолетом;

• сети выпуска-уборки шасси;

• механизм поворота колес передней стойки;

• сети управления задним и передним грузолюком;

• сети управления стеклоочистителями;

• сети торможения колес.

рис. 1. Расположение гидросистемы внутри самолёта

У гидросистем есть несколько недостатков: относительно большая масса агрегатов и трубопроводов, зависимость от температуры окружающей среды. При повреждении трубопроводов и других деталей гидросистемы может привести к утере герметичности, а далее - к утечке жидкости и к отказу самой системы.

2.2. Принцип работы

Гидравлическая система состоит из шести основных элементов:

• привода;
• насоса, который проталкивает жидкость через систему, образовывая механическую энергию;
• регулирующих поток жидкости клапанов;
• резервуара для содержания жидкости;
• двигателя (электродвигателя), приводящего в действие гидравлический насос;
• гидравлического цилиндра, который преобразовывают энергию системы обратно в механическую.

рис. 2. Обыкновенный гидроцилиндр

В качестве рабочей жидкости в наше время используется авиационное масло АМГ-10, состоящее из керосина, или негорючие жидкости НГЖ-4 и НГЖ-5. На старых типах летательных аппаратов использовались другие жидкости (например, АМГ-6).

Давление, действующее на жидкость в закрытом сосуде, передаётся с одинаковой силой во всех направлениях по закону Паскаля. Механизмы самолёта приводятся в действие за счёт энергии гидравлической жидкости, которая циркулирует по закрытой циклической системе.  Гидронасос выкачивает гидравлическую жидкость из резервуара, масло под давлением по трубопроводам поступает к гидрораспределителю. Согласно указаниям оператора (пилота), масло направляется в поршневую полость гидроцилиндра, воздействуя на поршень и приводя в движение соединенный со штоком гидроцилиндра механизм. После этого, также по сигналу от оператора, масло сливается обратно в бак по тому же пути, поршень, соединенный с ним шток и выходное устройство возвращаются в исходное положение.

рис. 3. Схема гидросистемы Airbus A320

Для повышения надёжности на летательных аппаратах имеются несколько отдельных гидросистем, так как при отказе одной из гидросистем потребитель может дальше получать энергию от другой.

В каждой гидросистеме предусмотрены резервные источники питания (гидротраснформаторы). Гидротрансформаторы предназначены для создания давления в гидросистеме в случае отказа в ней основных насосов или при отказе двигателя за счет энергии смежной гидросистемы. При этом передача мощности из одной системы в другую происходит без обмена рабочей жидкостью. Гидротрансформатор представляет собой резервный агрегат, состоящий из двух моторов-насосов, соединенных общим валом. Каждый из моторов-насосов гидротрансформатора подключен к своей системе, и их жидкостные полости между собой не сообщаются. При работе гидротрансформатора один из моторов-насосов работает в режиме гидромотора и вращает второй мотор-насос, который и создает давление рабочей жидкости в питаемой системе.

Турбонасосные установки предназначены для создания давления жидкости в полете при отказе двигателя соответствующей системы и для работы потребителей гидросистемы на земле при неработающих двигателях. Турбонасосная установка представляет собой гидравлический насос с приводом от воздушной турбины^[3].

2.3. Исторические сведения

2.3.1. Зарождение гидросистемы

Гидравлика зарождалась ещё в Древнем Египте, в Древнем Китае, в Древней Греции, в Месопотамии и в других странах, но как научное определение не осуществлялось. В Греции около 250 лет до н.э. назад математик и механик Архимед оставил после себя трактаты, в которых хранился анализ вопросов плавания и гидростатики. Механик Ктесибий изобрел пожарный насос, водяные часы, водяной орган. Герон Александрийский описал сифон, автомат для отпуска жидкости и другие изобретения.

В эпоху Возрождения Леонардо да Винчи изучал истечение жидкости через отверстия, водосливы и другие вопросы гидравлики. Но только голландский инженер Симон Стевин смог определить величину гидростатического давления на плоскую поверхность и описал ее как "гидростатический парадокс". Из-за того, что язык, на котором Стевин описал данный парадокс, был малоизвестен, Блез Паскаль описал его повторно^[4].

Общепринято основа гидравлики существует на принципе Паскаля (законе Паскаля). Закон был открыт в 1653 году и опубликован Блезом Паскалем в 1663. 

Формулировка закона Паскаля: Давление, производимое внешними силами на жидкость (газ), находящуюся в состоянии покоя, передаётся веществом во все стороны без изменения к любой точке жидкости (газа) и стенкам сосуда^[5].

Давление, используемое на поршне, приводит к равному увеличению давления на втором поршне в системе, так как оно равно приложенной силе, делённой на площадь поверхности, на которую и действует сила.

Паскаль создал гидравлический пресс после высказывания своей идеи о использования гидропровода в машинах.

рис. 4. Схематичное изображение работы принципа паскаля в работе гидравлического пресса

2.3.2. Первые применения гидравлической системы в авиации

Гидравлические приводы появились на самолётах в конце 1930-х годов (спустя почти 30 лет после полёта первого в мире самолёта "Флайер-1", созданного братьями Орвилом и Уилбуром в США в 1903 году). В СССР в 1935 году первый пассажирский самолёт, в котором находилась гидросистема, стал ПС-84 (лицензионная версия американского самолёта Douglas DS-3). В нём гидросистема использовалась для привода посадочных щитков, уборки и выпуска шасси, торможения колёс шасси, работы агрегатов автопилота. В качестве жидкости использовалось масло МВП (нефтяное масло серно-кислотной очисти). 

рис. 5. Пассажирский самолёт ПС-84

Во времена Великой Отечественной Войны на боевых самолётах гидравлический привод применялся ограниченно. Основная масса лёгких самолётов оборудовалась пневматическим приводом (например, Ил-2, Як, МиГ-3). На более тяжёлых самолётах, например на Ту-2, была смонтирована гидросистема для посадочных щитков, привода стоек шасси и створок бомбового отсека, управления тормозами колёс шасси. В качестве жидкости использовалась смесь из глицерина и этилового спирта.

В послевоенное время развитие самолётов и их усложнение ускорилось. На самолёты стали устанавливать бустеры - гидроусилители в системе управления полётом. Чтобы они функционировали, на борту монтировалась вторая независимая основная гидросистема. Также для повышения функционирования стали устанавливать в самолёты две одинаковые гидросистемы, работающих на общий исполнительный агрегат, либо применяли разделение групп потребителей по разным системам (например, такое построение гидросистемы было на Ил-62 и Ту-16)^[6].

рис. 6. Авиалайнер Ил-62

2.3.3. Гидравлическая система в наши дни

На современных самолётах широко распространено использование многоканальности, когда параллельно работают несколько одинаковых гидросистем. Так, на Ил-76 две системы, где первая отвечает за работу передних основных опор, аварийный выпуск задних основных опор и аварийное закрытие их створок, торможение колёс, управление механизацией крыла и так далее, а вторая за аварийный выпуск передних основных опор и аварийное закрытие их створок, поворот колёс носовой опоры и так далее.

рис. 8. Военно-транспортный самолёт Ил-76

В качестве примера самолёта с тремя гидросистемами возьмём Airbus A320. В нормальном режиме работы самолёта используются две гидросистемы - "зелёная" и "жёлтая" (см. рис. 3). Все три системы работают независимо друг от друга, поэтому в случае отказа насоса в "жёлтой" гидросистеме давление восстановиться за счёт PTU (блока передачи энергии) от системы "зелёной". Если откажут оба двигателя и/или будет полностью обесточена электросеть, то самолёт будет уже работать от синей гидросистемы, которая работает от аварийной турбины и управляет рулями высоты и направления, а также спойлерами на верхней части крыла.

2.3.4. Авиакатастрофы, одна из причин которых стала неисправная работа гидросистемы

Катастрофа Ил-62 в Кёнигс-Вустерхаузене произошла 14 августа в 1972 году. Самолёт начал выполнять свой рейс из Берлина в Бургас в 16:29. Через несколько минут после взлёта на высоте 8900 метров экипаж заметил возникшие проблемы со стабилизатором и связался с берлинским аэропортом, чтобы доложить о намерении вернуться. В 16:51 с борта стали сливать лишнее топливо для облегчения самолёта и его центровки, а в 16:54 Ил-76 начал снижение. В 16:59 экипаж объявил сигнал бедствия после отказов рулей высоты и обнаружения задымления в хвостовой части самолёта. У Ил-76 отделился вертикальный стабилизатор, после чего самолёт потерял устойчивость и перешёл в крутое пике. Из-за возникших аэродинамических перегрузок у самолёта оторвало хвостовую часть и примерно в 17:01 авиалайнер врезался в лесной массив в Бранденбурге. На борту находилось 156 человек, все погибли.

Причиной катастрофы Ил-62 стала утечка жидкости в системе охлаждения двигателей, поэтому горячий воздух температурой 300°С начал разрушать изоляцию проводов, что привело к искрению и к проблемам с управлением хвостовой части. Возникла утечка рабочей жидкости, которая после попадания искр вызвала воспламенение на борту. Температура выросла до 2000°С, повредив тяги управления. Когда огонь дошёл до четвёртого багажного отсека, он уже разрушал конструкцию самолёта. К этому времени отказали рули высоты, что привело к неконтролируемому падению^[7]. 

рис. 7. Обломки Ил-62 после катастрофы

Катастрофа, схожая по обстоятельствам на предыдущую, Boeing 747 под Токио произошла 12 августа в 1985 году. В 18:12 самолёт вылетел из Токио и взял курс на Осаку. На высоте 7200 метров в 18:24 произошёл отрыв вертикального хвостового стабилизатора из-за разрушения гермошпангоута, что привело к нарушению герметичности трубопроводов всех четырёх гидросистем. Давление на борту начало резкое падение. Командир принял решение лечь на обратный курс, второй пилот повернул штурвал вправо, но из-за сильного падения во всех гидравлических системах Boeing 747 стал неуправляемым. Пилоты всеми силами предпринимали всё, чтобы повернуть самолёт на обратный курс. Из-за отрыва стабилизатора авиалайнер раскачивался по всем трём осям. Дифференцируя тягу левых и правых двигателей, экипажу удалось повернуть самолёт на благоприятный для посадки курс в аэропорту Ханэда. Пилоты попытались повести Boeing 747 на снижение, когда поравнялись с горой Фудзияма, но скорость самолёта резко возросла, поэтому пилотам пришлось аварийно выпустить шасси. В 18:41 на высоте 6600 метров самолёт полностью потерял управление и сделал круг радиусом 4 километра. Экипаж использовал всю мощность двигателей, чтобы набрать высоту и не врезаться в впереди находившуюся гору. Самолёт начал кабрировать и стремительно падать. После нескольких минут борьбы пилотов за управление правое полукрыло самолёта задело верхушки деревьев и оторвалось. Boeing 747 врезался в гору Оцутака. Из 524 человек выжили 4, при этом ещё несколько десятков пассажиров также выжили в катастрофе, но из-за ранений и долгого ожидания спасательных служб они погибли^[8].

В истории авиации известна катастрофа DC-10 в Су-Сити, причинами которой были неудачное расположение  трубок гидравлической системы в хвостовой части самолёта и отсутствие в конструкции самолёта самозапирающихся клапанов, предотвращающих утечку гидравлической жидкости при разрушении трубопровод. 19 июля в 1989 году авиалайнер вылетел из Денвера в 14:09 и после набора высоты 11 300 метров в 15:16 внезапно разрушился ротор двигателя в хвостовой части самолёта и разлетелся на осколки, которые пробили плоскости обоих горизонтальных стабилизаторов и повредили трубки высокого давления всех трёх гидравлических систем. Была полностью потеряна гидравлическая жидкость и экипаж потерял возможность управлять всеми рулевыми поверхностями самолёта. В момент аварии двигатели, расположенные на крыльях, были единственными управляемыми элементами самолёта. Повреждённое хвостовое оперение постоянно стремилось развернуть самолёт вправо и у экипажа не было возможности совершать повороты влево для прямолинейного направления. Единственным возможным способом для направления самолёта в аэропорт для вынужденной посадки было выполнение серии правых разворотов. Экипажу удалось направить авиалайнер в аэропорт Су-Сити. После сброса топлива экипаж полностью убавил тягу двигателя №1 и дал взлётный режим двигателю №3, что позволило совершить необходимый левый поворот. В 15:49 были выпущены шасси. Перед самой посадкой самолёт начал уклоняться вправо из-за действия порывов ветра. В 16:00 самолёт коснулся ВПП колёсами правой стойки шасси, при этом правое крыло зацепило землю и оторвалось. Двигатель №3 загорелся, оторвалась хвостовая часть и после оторвалась носовая. Начался сильный пожар как снаружи, так и внутри обломков борта. Ликвидация огня продолжалась 2 часа. 111 человек погибли; 185 человек, включая всех пилотов, выжили.

После катастрофы стали обязательными гидрозамки в гидравлической системе, исключающие её полный отказ. Была изменена процедура экспертизы двигателей самолётов. Были внесены изменения в программу обучения пилотов^[9].

рис. 8. Место катастрофы DC-10

Одной из недавних аварий, которая могла завершиться авиакатастрофой, стала авария A320 под Новосибирском, произошедшая 12 сентября в 2023 году. В 01:14 Airbus А320-214 авиакомпании Уральские авиалинии вылетел из Сочи и взял курс на Омск. Во время этапа захода на посадку на ВПП № 7, на высоте 600 метров пилоты прервала заход. Из записи переговоров экипажа ясно, что произошла техническая неисправность в гидравлической системе авиалайнера. Была объявлена аварийная ситуация, и самолёт направился в аэропорт Толмачёво в Новосибирской области. Риск аварии был равен почти нулю за счёт большей длины ВПП в аэропорту Толмачёво, чем в омском аэропорту. Но из-за сильного встречного ветра расход горючего самолёта стал высоким. За 200 километров до Новосибирска экипаж понял, что до аэропорта долететь не удастся. Поэтому пилоты приняли решение производить посадку на пшеничном поле недалеко от деревни Каменка. В 09:44 Airbus А320-214 совершил успешную посадку в поле без пострадавших^[10].

рис. 9. Место экстренной посадки Airbus А320-214

3. Заключение

Мы поняли, что представляет из себя гидравлическая система самолёта, принцип и роль её работы. Мы узнали зарождение гидравлики, её первые применения в самолётах, важность работы гидросистем в авиалайнерах в наши дни.

Мы рассмотрели авиакатастрофы в истории авиации, которые произошли по большой причине того, что после отказа гидравлических систем воздушные судна на фоне других неблагоприятных факторов не смогли выполнить посадку с меньшим количеством жертв. Также мы рассмотрели недавно произошедшую аварию, которая случилась из-за утечки гидравлической жидкости. 

Поставленная гипотеза оказалась наполовину верной в ходе создания данной исследовательской работы. Гидравлическая система действительно играет невероятно важную роль в работе самолётов, но управлять авиалайнером после отказа всех гидросистем возможно с помощью увеличения или снижения тяг двигателей. При отказе одной из гидросистем совершить посадку самолёта возможно с огромной вероятностью без пострадавших в случае благоприятных условий.

Мы предполагаем, что гидравлическая система в самолётах будет развиваться ещё больше с появлением искусственного интеллекта. Для обеспечения безопасности полёта и долгосрочной жизнеспособности оборудования гидравлическая система должна быть более "умелой", поэтому мы рассматриваем вариант работы искусственного интеллекта в самолёте в будущем.

4. Список использования источников литературы

1. Aviation Safety Network, Accident investigation: [Электронный ресурс] // URL: https://aviation-safety.net/wikibase/345450 (Дата обращения: 11.12.2023)
2. А. В. Стрекалов. Математические модели гидравлических систем для управления системами поддержания пластового давления. Тюмень, 2007. ОАО Тюменский дом печати. 664 с.
3. В. М. Корнеев. Самолёт Ан-124 «Руслан». Особенности конструкции и лётной эксплуатации. Раздел «Гидравлический комплекс».
4. Р.Р. Чугаев. «Гидравлика» 1982 г. изд. 2005 г.
5. Википедия:  [Электронный ресурс] // URL: https://ru.wikipedia.org/wiki/Закон_Паскаля#cite_note-1 (Дата обращения: 11.12.2023)
6. Википедия:  [Электронный ресурс] // URL: https://ru.wikipedia.org/wiki/Конструкция_самолёта#Гидравлическая_система_самолёта (Дата обращения: 11.12.2023)
7. DM-SEA: [Электронный ресурс] // URL: http://www.interflug.biz/DM-SEA.htm  (Дата обращения: 11.12.2023)
8. Aviation Safety Network, Accident investigation:  [Электронный ресурс] // URL: http://aviation-safety.net/database/record.php?id=19850812-1 (Дата обращения: 11.12.2023)
9. Aviation Safety Network, Accident investigation:  [Электронный ресурс] // URL: http://aviation-safety.net/database/record.php?id=19890719-1 (Дата обращения: 11.12.2023)
10. Aviation Safety Network, Accident investigation:  [Электронный ресурс] // URL: https://aviation-safety.net/wikibase/345450 (Дата обращения: 11.12.2023)