¿Por qué los aviones usan hidráulica en lugar de neumática?

La gran desventaja aquí es la pérdida de precisión debido a la alta compresibilidad del gas en comparación con el líquido. Debido a que los gases son altamente comprimibles, proporcionan un amortiguador a los cambios de presión ordenados por el operador para mover el pistón en el cilindro. Eso plantea dos problemas; primero, significa que el cilindro neumático no responde instantáneamente a los diferenciales de presión, porque el diferencial primero debe superar la fricción estática de la junta del cilindro. En segundo lugar, significa que el movimiento del cilindro se opone más fácilmente siempre que cualquier fuerza que se oponga a la presión del gas pueda superar dicha presión sin hacer que falle lo que sea que esté controlando el sistema neumático.

Para superar estas deficiencias, la mayoría de los sistemas neumáticos funcionan a presiones muy altas, de modo que el diferencial de presión entre las dos mitades del cilindro supere fácilmente la fricción estática y cualquier otra fuerza opuesta. Sin embargo, eso crea otro problema de precisión; los cilindros neumáticos de alta presión son esencialmente sistemas de dos estados; el pistón o actuador está típicamente en uno u otro de sus extremos de movimiento, y las transiciones entre ellos muy rápidamente a medida que se aplica presión de gas a un lado u otro del cilindro.

Ninguno de estos comportamientos es deseable para los controles de aeronaves; los instructores trabajan a diario para enseñar a sus alumnos a no manipular los controles, sino que utilizan un poco de delicadeza para que el avión haga lo que quieren de una manera suave y controlada. Entonces, ¿por qué querrías deshacer toda esa delicadeza con un sistema de control que solo puede mover la superficie hasta los extremos de su recorrido?

La hidráulica, por el contrario, permite un grado de delicadeza mucho mayor. Debido a que los líquidos no cambian fácilmente de densidad, los cambios de presión dentro de un cilindro hidráulico requieren mucha más fuerza para oponerse, pero de la misma manera, a medida que cambia el volumen, la presión en el lado que recibe el fluido disminuye rápidamente. Esto permite colocar un cilindro hidráulico con mucha más precisión, independientemente de las fuerzas externas que actúen sobre el sistema. La desventaja es transportar un líquido bastante pesado en el aire y tener solo una capacidad limitada para reemplazarlo si se filtra algo.

Los actuadores eléctricos son una solución común a esa desventaja, especialmente en aviones ligeros. Los actuadores eléctricos utilizan un motor eléctrico o un servo para proporcionar la acción mecánica. Estos actuadores se pueden controlar con un alto grado de precisión, y su "sistema de suministro" es solo un circuito eléctrico, sin tuberías ni cilindros hidráulicos pesados ​​​​y complejos. Sus desventajas son una compensación entre la velocidad de movimiento y la fuerza máxima aplicada mientras se mueve; puede hacer un actuador que se mueva muy rápido o un actuador que se mueva sin importar cuánta fuerza se oponga al movimiento, pero realmente no puede hacer ambas cosas. Todavía son útiles en aviones ligeros para controlar los flaps (con un sistema de cable que se usa para las superficies principales), porque permiten cantidades precisas de extensión o retracción, y no

Hay algo en el horizonte que podría hacer factible la neumática para los aviones. Los sistemas hidráulicos se mejoraron recientemente con el desarrollo de la servoválvula electrohidráulica. Este sistema utiliza un potencial eléctrico variable (voltaje) para mover un cilindro hidráulico en una cantidad prescrita proporcional al voltaje aplicado. Los servos eléctricos puros han existido durante décadas, pero la cantidad máxima de fuerza disponible de un servo es insuficiente para aviones grandes, mientras que para aviones más pequeños, el peso relativamente alto del servomotor en comparación con los controles de cable simples es una desventaja. El concepto de servoválvula electrohidráulica se utiliza en aeronaves grandes más nuevas para reemplazar los sistemas de control híbridos hidráulicos/de cable o hidráulicos puros. porque el sistema hidráulico ahora puede ser controlado por un circuito eléctrico en lugar de líneas hidráulicas o cables tensados ​​acoplados a la columna de control. Esto permite aviones "fly-by-wire", como la mayoría de los aviones de pasajeros de Airbus, así como la mayoría de los diseños de aviones de combate de los últimos 40 años.

Se está desarrollando un concepto similar para la neumática, que permite la colocación precisa de un actuador utilizando gas presurizado en respuesta a un voltaje eléctrico. Esto proporcionaría todas las ventajas de un sistema electrohidráulico, con un peso considerablemente más ligero y una respuesta más rápida, pero aún con la desventaja de que una fuerza opuesta significativa podría impedir el movimiento del actuador, especialmente cuando se acerca a la posición deseada. Queda por ver si eso será un problema en un avión grande, y el ahorro de peso de perder el fluido hidráulico podría no valer la pena, pero si la compensación es aceptable, aumentaría aún más el alcance o la carga útil de la próxima generación de pasajeros. aeronave,

Una de las primeras razones que viene a la mente es el volumen de aire. Recuerde que un avión puede estar sentado en el suelo en un día de 80 °F (27 °C), y despegar y ascender a 35 000 pies donde pueden haber temperaturas de -50 °F (-46 °C). El aire en el sistema perdería volumen a medida que se enfriara y alteraría la posición de la superficie de control (digamos aletas) sin ninguna entrada de control. Los fluidos son menos susceptibles a este problema. De acuerdo, esto podría controlarse, pero aún requeriría un sistema de regulación.

Las fugas también pueden ser más fáciles de encontrar en un sistema hidráulico ya que puede

1. ver fluido saliendo
2. Poner aditivos que se puedan iluminar bajo ciertas luces.

Las fugas neumáticas a menudo se encuentran frotando agua jabonosa en una junta y observando si hay burbujas (al menos así es como las encuentro). A veces pueden ser difíciles de rastrear si están en lugares incómodos.

Sí, por supuesto (por cierto, soy usuario 12000: D) los neumáticos son rápidos, baratos y livianos, pero no tienen buena precisión y debe llevar tanques presurizados llamados depósitos (eso significa que necesita espacio) y necesita llenar su depósito (eso significa que necesita un compresor, significa espacio nuevamente). Cuando comprimes aire, se calienta (significa un sistema más frío, lo que significa espacio nuevamente). Puedes volver a usarlo si no lo usas con frecuencia y lo quieres barato y ligero. Los sistemas hidráulicos son pesados, costosos, pueden usar mucha fuerza y ​​tienen buena precisión. No necesita usar un compresor porque usa fluido, necesita una bomba. Las bombas son más pequeñas que los compresores y producen menos calor. También necesita un depósito pequeño (se necesita un depósito hidráulico para proteger el sistema del estrés por expansión del fluido debido al calentamiento del sistema o viceversa).

Sí, ¿cuál es el problema de hecho. Se ha hecho, sin ningún problema, con todas las ventajas que mencionas y sin tu citada desventaja de baja presión. Este artículo analiza el diseño totalmente neumático de los modelos F27 y F227. El aire a 3,350 PSI tiene una acción poderosa y rápida, además tiene un poder de actuación almacenado que un sistema hidráulico no tiene. El sistema hidráulico puede entregar una alta presión a una tasa baja: la tasa de bombeo. Los acumuladores hidráulicos almacenan un poco de aceite presurizado adicional para que el sistema pueda exceder brevemente la velocidad de la bomba, aunque solo brevemente, y el acumulador también es necesario para amortiguar la ondulación. El aire a alta presión se puede suministrar a gran velocidad durante mucho más tiempo.

El F27 tiene controles de vuelo accionados manualmente: un avión de este tamaño puede controlarse completamente con estos. Para aeronaves más grandes, la fuerza requerida para desviar la superficie de control puede generarse mediante un actuador que funcione a 228 bar, ya sea de operación hidráulica o neumática.

He hablado con algunos de los diseñadores de sistemas neumáticos cuando trabajaba en la fábrica que fabricaba estos aviones. La única dificultad real que experimentaron durante la fase de diseño e implementación fue el diseño de los controladores, una servoválvula para un sistema hidráulico da menos dolor de cabeza que una para un sistema neumático. Solo un problema de ingeniería adicional que se resolverá con un circuito de retroalimentación apropiado.

Y ahora podemos diseñar para los controladores menos problemáticos de todos, para motores y accionamientos eléctricos.

Sí, la precisión sería el factor decisivo. Esta es la razón por la que las excavadoras, por ejemplo, utilizan sistemas hidráulicos, ya que se puede generar mucha potencia con movimientos muy pequeños. Los buenos operadores podrían recoger una moneda de veinticinco centavos y luego derribar un árbol. Entonces, durante el vuelo, las superficies de control están sujetas a enormes libras de presión de aire, pero deben moverse solo unas pocas pulgadas y con un tiempo de respuesta rápido. Un líquido tendrá la viscosidad para movimientos más "fluidos" que es más susceptible a respuestas instantáneas. Verá muchos sistemas neumáticos en plantas para aplicaciones de válvulas que estarán completamente abiertas o completamente cerradas. Debido a que el aire es tan ligero, simplemente no puede ofrecer la misma potencia y precisión.

Además, volar por cable hace que cualquiera de estas charlas sea bastante obsoleta. Puede obtener toda la energía eléctrica que necesita para actuadores de HP/torque extremadamente altos que entregarán la misma fuerza con aún más precisión y mayor tiempo de respuesta.

No estoy seguro, pero no dudaría que el sistema de frenado de las ruedas sea neumático, como los vehículos de 18 ruedas. De lo contrario, el único aire presurizado que verá en un avión comercial será la presión de la cabina y el suministro de oxígeno.

Los arneses especiales incluyen partes mecánicas, hidráulicas, neumáticas y electromecánicas. Generalmente, el alerón, el elevador y los flaps están controlados por servos hidráulicos porque los hidráulicos tienen ventajas en precisión y pérdida de potencia, pero en el tren de aterrizaje, las puertas están controladas por neumática (no por servos) porque no necesita ninguna retroalimentación de posición, solo quiere saber que las puertas están abiertas. O no.

Esta discusión sobre los frenos es antigua, pero no veo ninguna respuesta que indique que el 787 tiene frenos eléctricos. (Pero vea el quinto párrafo de la respuesta de KeithS con respecto a los aviones pequeños). De la sección 15 del 787 FCOM:

Sistema de freno eléctrico

El sistema de frenos está alimentado por cuatro unidades de suministro de energía de freno eléctrico. Los pedales de freno proporcionan un control independiente de los frenos izquierdo y derecho. Se proporcionan cuatro actuadores de freno eléctrico (EBA) en cada freno de rueda del tren de aterrizaje principal para controlar la aplicación de la fuerza de frenado al disco de carbono. Los EBA están controlados por un controlador de actuador de freno eléctrico (EBAC). Hay cuatro EBAC que controlan los ocho frenos de las ruedas principales, y cada EBAC controla la fuerza de frenado de un par de ruedas delanteras y traseras.

Fuente: Número de documento D615Z003-TBC 31 de octubre de 2007 Número de revisión: 4 Fecha de revisión: 15 de febrero de 2010

Por supuesto, Boeing habla sobre los sistemas eléctricos del 787. Esto es lo que dicen sobre los frenos:

Una aplicación innovadora de la arquitectura de sistemas más eléctricos en el 787 es el cambio de frenos accionados hidráulicamente a eléctricos. Los frenos eléctricos reducen significativamente la complejidad mecánica del sistema de frenado y eliminan la posibilidad de demoras asociadas con fugas de líquido hidráulico de frenos, fugas de válvulas y otras fallas hidráulicas. Debido a que sus sistemas de frenos eléctricos son modulares (cuatro actuadores de freno independientes por rueda), el 787 podrá despacharse con un actuador de freno eléctrico (EBA) inoperativo por rueda y tendrá penalizaciones de rendimiento significativamente reducidas en comparación con el envío de un sistema de frenos hidráulicos con un fracaso presente. El EBA es reemplazable en línea, lo que permite el mantenimiento in situ de los frenos.

En general, los sistemas eléctricos son mucho más fáciles de monitorear para la salud y el estado del sistema que los sistemas hidráulicos o neumáticos; los frenos aprovechan al máximo esto. El monitoreo continuo a bordo de los frenos brinda a las aerolíneas una serie de ventajas, tales como:

Detección y aislamiento de fallas Monitoreo eléctrico del desgaste de los frenos Capacidad para eliminar las inspecciones visuales programadas del desgaste de los frenos Tiempos de estacionamiento extendidos Debido a que los frenos del 787 pueden monitorear la fuerza de frenado aplicada incluso mientras está estacionado, los frenos eléctricos permiten tiempos de freno de estacionamiento extendidos al monitorear y ajustar automáticamente sus frenos de estacionamiento mientras los frenos se enfrían.

¿Cómo trabajan? Aquí hay una pista de Pprune:

Los motores suministran torque a través de conjuntos de engranajes a los actuadores, que son arietes accionados por un tornillo nivelador. Hay un mecanismo de enganche para limitar la rotación excesiva y el retroceso, lo que minimiza los requisitos de corriente para los motores del actuador EBS.