¿Por qué la mayoría de los aviones comerciales usan sistemas hidráulicos en lugar de motores eléctricos/servomotores?

Estoy seguro de que es posible usar servomotores para obtener un control preciso de los alerones, los elevadores o el timón.

No, no lo es. Los actuadores de control de vuelo primarios requieren fuerzas bastante altas y un tiempo de respuesta rápido. Los motores eléctricos pueden proporcionar cualquiera de los dos, pero ambos al mismo tiempo son un problema. La hidráulica es aún mejor para esa combinación.

Tenga en cuenta que otros actuadores que no requieren un tiempo de respuesta rápido (como los flaps, el engranaje o el plano delantero del estabilizador horizontal (compensación del elevador)) son eléctricos en algunas aeronaves.

Como ya se mencionó, los sistemas hidráulicos son rápidos y potentes, pero también debe considerar cuán extremadamente eficientes y simples son. La reducción de la complejidad reduce los costos de mantenimiento, lo cual es un factor importante. Los flaps, los dispositivos de compensación y las puertas del tren de aterrizaje son los únicos buenos lugares para usar motores.

Creo que el ejemplo específico que está buscando fue el accidente de Sioux City DC 10 en los años 80 ( https://en.wikipedia.org/wiki/United_Airlines_Flight_232 ). El DC10 tenía un talón de Aquiles en el sentido de que todas las líneas hidráulicas corrían paralelas entre sí en una sección de la cola. Cuando el motor de cola sufrió una falla catastrófica, un aspa del ventilador atravesó las 3 (?) líneas hidráulicas, lo que provocó una pérdida total del sistema hidráulico. Desde entonces, los aviones se han diseñado con las líneas hidráulicas funcionando en lugares separados y más separados (es decir, diferentes lados del timón) para evitar una falla total del sistema de control de vuelo.

Relación peso-potencia de los actuadores, pero las cosas están cambiando rápidamente.

La principal ventaja de la actuación hidráulica frente a la eléctrica de los controles de vuelo es la forma fácil de distribuir la potencia hidráulica. Se puede montar una bomba grande en un motor o motor y generar energía para múltiples actuadores hidráulicos pequeños y livianos.

Los sistemas hidráulicos tienen la desventaja de que un daño a las tuberías hidráulicas puede provocar la pérdida de control.

Cierto, sin embargo, esto es más un problema asociado con la arquitectura central/distribuida. En los aviones existentes, la electricidad también se genera mediante generadores conectados al motor y luego se distribuye a través de líneas eléctricas de 400 Hz.

¿Cuáles son los problemas con el uso de motores eléctricos? Si se usa, ¿cuáles son los problemas de seguridad? En términos de seguridad, ¿qué tan diferentes son de la hidráulica?

• Los actuadores eléctricos siguen siendo más pesados ​​que los hidráulicos: requieren campos magnéticos y metal para convertir la energía eléctrica en mecánica, mientras que el actuador hidráulico solo requiere una superficie sobre la que empujar el aceite. Pero las relaciones potencia-peso de los actuadores eléctricos están aumentando rápidamente.
• Las preocupaciones de seguridad: hay menos para el accionamiento eléctrico, ya que es pasivo ante fallas. Un actuador hidráulico puede fallar gravemente si la servoválvula se atasca y lleva al actuador a uno de sus extremos.

Tenga en cuenta que el movimiento del simulador solía realizarse con actuadores hidráulicos. Los actuadores hidráulicos tendrían un silbido audible y requisitos de mantenimiento para evitar fugas de aceite. El fluido hidráulico en estos sistemas era a base de petróleo, el de las aeronaves es sintético, que no es inflamable pero sí muy corrosivo, lo que requiere medidas antiinflamables específicas en las aeronaves.

Se sabe que todos los ingenieros y técnicos que han trabajado con accionamiento hidráulico y eléctrico se han alegrado una vez que se produjo la transición hidráulica => eléctrica, mucho más fácil de manejar, ajustar y mantener.

Los aviones usan sistemas hidráulicos debido a las inmensas presiones sobre las superficies de control durante el vuelo. Los sistemas hidráulicos pueden manejar cargas más altas que los motores de tamaño similar. Un motor eléctrico puede "atascarse" cuando encuentra una carga que es mayor de lo que puede mover, lo que posiblemente provoque un accidente si ocurriera en un avión.

De hecho, los actuadores electromecánicos (EM) pueden reemplazar a los actuadores hidráulicos convencionales. También hay un actuador intermedio, el electrohidráulico (EHA), que consta de una bomba eléctrica local y un actuador de pistón. El control se logra accionando el motor en lugar de una servoválvula hidráulica. EHA utilizados como parte de todas las superficies primarias en el Airbus A380 y A350.

El Boeing 787 utiliza actuadores EM para la moldura estabilizadora y los alerones intermedios.

En un artículo de Airbus sobre la arquitectura electrohidráulica del A380, señalan que su principal preocupación con los actuadores electromecánicos es la transmisión mecánica entre el motor y la superficie.

En particular, señalan que los actuadores EM requieren transmisiones por engranajes que son difíciles de evaluar por el riesgo de atascos y fallas. También les preocupa que cuando el tren de engranajes se desgaste, se afloje, lo que puede conducir a oscilaciones de ciclo límite. Finalmente, dicen que con los EHA, se pueden hacer funcionar como un amortiguador para las operaciones en modo de espera y de falla, lo que facilita la integración con los sistemas hidráulicos existentes.

Los actuadores electromecánicos son capaces de actuar como accionamiento de control de vuelo primario. La densidad de potencia BLDC y la electrónica de potencia del controlador moderno pueden ser muy adecuadas para el papel, pero la actuación hidráulica tiene una ventaja significativa en la herencia. Estoy al tanto de un experimento hace un par de décadas que reemplazó los actuadores hidráulicos en la mitad de un F-18 para evaluar solo esta pregunta:

https://www.nasa.gov/centers/dryden/pdf/88699main_H-2425.pdf

A medida que las aeronaves avanzan hacia arquitecturas "más eléctricas", puede haber un mayor impulso hacia los EMA en todo momento para minimizar la plomería, el mantenimiento y el peso del sistema requeridos de los sistemas hidráulicos o EHA. Dicho esto, los constructores de aviones suelen ser bastante conservadores...