滕利強(qiáng)

(航空工業(yè)慶安集團(tuán)有限公司,西安,710077)

從1923年誕生的第一架DH-4B加油機(jī)[1]算起，空中加油機(jī)已擁有近百年的發(fā)展歷程，到如今形成了兩種截然不同的空中加油方式：軟管-錐套式(簡(jiǎn)稱(chēng)軟式)空中加油[2]和伸縮套管式(簡(jiǎn)稱(chēng)硬式)空中加油[3]。兩種空中加油方式相比，硬式空中加油的速率通常是軟式空中加油速率的3倍，可以達(dá)到4 500 L/min左右，能夠極大地縮短加油時(shí)長(zhǎng)，并具有抗氣流擾動(dòng)能力強(qiáng)和方便加油對(duì)接等優(yōu)勢(shì)。

當(dāng)前，包括我國(guó)在內(nèi)的主要航空強(qiáng)國(guó)都能夠研制軟式空中加油機(jī)，而能夠研制硬式空中加油機(jī)的只有美國(guó)和法國(guó)，相關(guān)的硬式空中加油系統(tǒng)則是其中的關(guān)鍵制約因素，因此，國(guó)內(nèi)外眾多學(xué)者針對(duì)該系統(tǒng)從不同方面展開(kāi)了研究工作。國(guó)外文獻(xiàn)[4-6]對(duì)KC-135加油機(jī)的硬式空中加油伸縮套管動(dòng)態(tài)特性進(jìn)行了建模仿真研究；文獻(xiàn)[7]介紹了KC-10加油機(jī)硬式空中加油作動(dòng)系統(tǒng)的控制特點(diǎn)和試驗(yàn)驗(yàn)證方法；文獻(xiàn)[8]針對(duì)A330MRTT加油機(jī)的硬式空中加油作動(dòng)系統(tǒng)組成進(jìn)行了介紹，并提出了一種電力供給方案；文獻(xiàn)[9]從建模、傳感器、控制策略、仿真與試驗(yàn)測(cè)試等方面進(jìn)行分析，總結(jié)了硬式空中加油系統(tǒng)的未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)；文獻(xiàn)[10]對(duì)硬式空中加油系統(tǒng)的協(xié)調(diào)控制進(jìn)行了建模仿真研究。國(guó)內(nèi)文獻(xiàn)[1]在20世紀(jì)90年代對(duì)國(guó)外加油機(jī)的發(fā)展歷程和空中加油設(shè)備行了簡(jiǎn)單介紹，并提出了后續(xù)尚待解決的問(wèn)題；文獻(xiàn)[11]針對(duì)KC-135加油機(jī)硬式空中加油作動(dòng)系統(tǒng)的組成進(jìn)行了簡(jiǎn)單介紹，著重對(duì)控制系統(tǒng)進(jìn)行了分析研究；文獻(xiàn)[12]對(duì)多型加油機(jī)的軟式和硬式空中加油設(shè)備進(jìn)行了對(duì)比分析，但僅涉及到兩型硬式空中加油設(shè)備且較為籠統(tǒng)；文獻(xiàn)[13]對(duì)國(guó)內(nèi)外硬式空中加油系統(tǒng)的建模與仿真研究情況進(jìn)行了總結(jié)分析，但沒(méi)有涉及硬式空中加油作動(dòng)系統(tǒng)的具體組成和技術(shù)特點(diǎn)；文獻(xiàn)[14]在對(duì)比國(guó)內(nèi)外空中加油機(jī)現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上，分析了我國(guó)加油機(jī)和空中加油系統(tǒng)的后續(xù)發(fā)展可能；文獻(xiàn)[15～16]在簡(jiǎn)單介紹硬式空中加油裝置基本組成的基礎(chǔ)上，從操縱品質(zhì)和動(dòng)力學(xué)建模方面進(jìn)行了仿真分析研究。綜上，可以看出國(guó)內(nèi)外學(xué)者針對(duì)硬式空中加油系統(tǒng)或作動(dòng)系統(tǒng)的理論研究較多，但是鮮見(jiàn)系統(tǒng)地研究硬式空中加油作動(dòng)系統(tǒng)方面的文章。本文將從該視角對(duì)比分析現(xiàn)役主要加油機(jī)硬式空中加油作動(dòng)系統(tǒng)的組成與技術(shù)特點(diǎn)，總結(jié)關(guān)鍵技術(shù)，并結(jié)合國(guó)內(nèi)技術(shù)現(xiàn)狀，對(duì)研制硬式空中加油作動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行探討，以期為該系統(tǒng)的國(guó)產(chǎn)化研制提供有益探索。

1 研制硬式空中加油作動(dòng)系統(tǒng)的主要影響因素

硬式空中加油作動(dòng)系統(tǒng)作為實(shí)現(xiàn)硬式空中加油的關(guān)鍵系統(tǒng)，能夠控制加油伸縮套管進(jìn)行收放、伸縮、俯仰和偏航運(yùn)動(dòng)，研制該系統(tǒng)主要涉及以下3方面的因素。

1.1 機(jī)械因素

受限于載機(jī)平臺(tái)的總體布局影響，硬式空中加油伸縮套管的結(jié)構(gòu)類(lèi)似一根單端鉸約束的薄壁細(xì)長(zhǎng)桿。狹長(zhǎng)的結(jié)構(gòu)中不但布置有大口徑的加油傳輸管，還需布置大行程的伸縮傳動(dòng)裝置、姿態(tài)調(diào)節(jié)作動(dòng)器、信號(hào)與能量傳輸線纜或管路等零部件。因此，對(duì)相關(guān)裝置和零部件的結(jié)構(gòu)提出了結(jié)構(gòu)小和重量輕的設(shè)計(jì)要求。在加油對(duì)接時(shí)，伸縮套管的長(zhǎng)度通?？梢赃_(dá)到15 m左右，與普通戰(zhàn)斗機(jī)的長(zhǎng)度相當(dāng)，但長(zhǎng)徑比卻大于17，在自身重力和氣動(dòng)載荷的作用下存在著彈性變形，需要通過(guò)特殊的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)或機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)來(lái)保證其內(nèi)部機(jī)械傳動(dòng)裝置的平穩(wěn)性與可靠性。

1.2 控制因素

硬式空中加油伸縮套管安裝于機(jī)尾的紊流區(qū)域，加油對(duì)接時(shí)，伸縮套管除受紊流影響外，還會(huì)受到陣風(fēng)影響，所受氣動(dòng)力復(fù)雜。而伸縮套管本身又為薄壁細(xì)長(zhǎng)桿，剛度較弱，在復(fù)雜氣動(dòng)力的影響下會(huì)加劇伸縮套管加油管嘴端的振蕩，操控稍有不慎就會(huì)損傷受油機(jī)。加油對(duì)接后，加油管嘴處還會(huì)產(chǎn)生對(duì)接應(yīng)力，過(guò)大的應(yīng)力除易造成相關(guān)機(jī)械結(jié)構(gòu)磨損或結(jié)構(gòu)破壞外，加油脫離時(shí)還易造成甩鞭現(xiàn)象，危及加/受油機(jī)的安全。因此，對(duì)加油員的操控技能或系統(tǒng)控制的魯棒性提出了較高的要求。

1.3 安全因素

硬式空中加油作動(dòng)系統(tǒng)所控制的伸縮套管安裝于機(jī)尾下部，具有結(jié)構(gòu)長(zhǎng)和重量大的特點(diǎn)，若控制功能失效，伸縮套管會(huì)在自身重力作用下下垂，大幅超過(guò)加油機(jī)的外廓尺寸，極易危及加/受油機(jī)的裝備安全或人員安全。因此，在系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)必須有針對(duì)性的對(duì)控制伸縮套管在不同自由度運(yùn)動(dòng)的子系統(tǒng)進(jìn)行充分的失效危害性評(píng)估，通過(guò)合理的系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)、故障監(jiān)控設(shè)計(jì)或故障-安全設(shè)計(jì)等方法來(lái)保證系統(tǒng)的安全性。

2 主要硬式空中加油作動(dòng)系統(tǒng)組成與特點(diǎn)

從20世紀(jì)50年代，波音公司以B-29轟戰(zhàn)機(jī)為平臺(tái)而研制的具有硬式空中加油作動(dòng)系統(tǒng)的KB-29P加油機(jī)算起，包含硬式空中加油作動(dòng)系統(tǒng)的加油機(jī)及其系統(tǒng)主要經(jīng)歷了如圖1所示的四個(gè)發(fā)展階段。

前兩個(gè)階段受限于機(jī)身平臺(tái)，加油員以趴姿目視操作，硬式空中加油作動(dòng)系統(tǒng)采用機(jī)械液壓作動(dòng)技術(shù)；到KC-10加油機(jī)，機(jī)身平臺(tái)開(kāi)始采用空間更大的寬體客機(jī)，加油員以坐姿目視操作，而硬式空中加油作動(dòng)系統(tǒng)則開(kāi)始利用電傳操縱技術(shù)；發(fā)展到當(dāng)前最先進(jìn)的KC-46A和A330MARTT加油機(jī)，加油員采用遠(yuǎn)程視頻影像系統(tǒng)進(jìn)行操作，后者不僅實(shí)現(xiàn)了全自動(dòng)硬式空中加油，硬式空中加油作動(dòng)系統(tǒng)也已全面采用功率電傳技術(shù)。下面將對(duì)當(dāng)前現(xiàn)役主要加油機(jī)的硬式空中加油作動(dòng)系統(tǒng)組成和技術(shù)特點(diǎn)進(jìn)行梳理分析。

圖1 硬式空中加油機(jī)及其硬式空中加油作動(dòng)系統(tǒng)發(fā)展趨勢(shì)

2.1 KC-135加油機(jī)

該型加油機(jī)是波音公司于20世紀(jì)50年代以C-135軍用運(yùn)輸機(jī)為平臺(tái)而研制的一款具有硬式空中加油系統(tǒng)的專(zhuān)用空中加油機(jī)，當(dāng)前仍是全球服役數(shù)量最多的空中加油機(jī)[17-20]。該機(jī)的硬式空中加油作動(dòng)系統(tǒng)架構(gòu)如圖2所示，系統(tǒng)的組成與技術(shù)特點(diǎn)如下所述，作動(dòng)所需功率源來(lái)自于機(jī)上的21 MPa液壓系統(tǒng)。

圖2 KC-135加油機(jī)硬式空中加油作動(dòng)系統(tǒng)架構(gòu)

2.1.1 收放作動(dòng)子系統(tǒng)

該系統(tǒng)主要由收放閥控模塊和收放作動(dòng)器等組成，可在收放開(kāi)關(guān)的作用下對(duì)伸縮套管進(jìn)行收放控制。加油對(duì)接前，伸縮套管在該系統(tǒng)的控制下被提前下放到距離飛機(jī)尾部水平夾角30°的位置，后由伸縮和姿態(tài)調(diào)節(jié)子系統(tǒng)進(jìn)行控制。

2.1.2 伸縮作動(dòng)子系統(tǒng)

該系統(tǒng)主要由伸縮閥控模塊和伸縮作動(dòng)器等組成，可通過(guò)伸縮手柄對(duì)內(nèi)管進(jìn)行伸縮控制。系統(tǒng)所控制的伸縮套管外管長(zhǎng)約8.5 m，內(nèi)管長(zhǎng)約5.6 m，全部伸出時(shí)套管總長(zhǎng)約14.3 m。加油對(duì)接后內(nèi)管可隨對(duì)接軸向力隨動(dòng)，并且為保證設(shè)備安全，內(nèi)管在伸出與收進(jìn)極限位置處設(shè)計(jì)有彈簧阻尼緩沖裝置。

2.1.3 姿態(tài)調(diào)節(jié)作動(dòng)子系統(tǒng)

該系統(tǒng)所驅(qū)動(dòng)的舵面為兩塊組合成“V”型[21]的方向升降舵，利用舵面的同向或異向偏轉(zhuǎn)對(duì)伸縮套管進(jìn)行俯仰和偏航控制，舵面由液壓助力器驅(qū)動(dòng)。系統(tǒng)可通過(guò)姿態(tài)手柄控制伸縮套管在俯仰-10°～10°、偏航-15°～15°的包線范圍內(nèi)進(jìn)行姿態(tài)調(diào)節(jié)，此時(shí)伸縮套管類(lèi)似一個(gè)飛行器，具有飛行器的空氣動(dòng)力學(xué)特性。

KC-135是美軍現(xiàn)役最老型號(hào)的空中加油機(jī)，機(jī)上的硬式空中加油作動(dòng)系統(tǒng)主要采用機(jī)械技術(shù)和液壓機(jī)械技術(shù)實(shí)現(xiàn)控制信號(hào)傳遞和能量轉(zhuǎn)換，因此導(dǎo)致系統(tǒng)的零部件數(shù)量較多，降低了系統(tǒng)的可靠性與維護(hù)性。

該型加油機(jī)采用“V”型舵面對(duì)伸縮套管進(jìn)行俯仰和偏航控制，以減少姿態(tài)調(diào)節(jié)所需舵面、助力器和機(jī)械傳動(dòng)線系的零部件數(shù)量，從而減輕伸縮套管的總重量。而為了保證系統(tǒng)機(jī)械傳輸?shù)姆€(wěn)定性和可靠性，以及各個(gè)子系統(tǒng)的傳輸精度、傳輸距離、傳輸載荷和安裝空間等不同設(shè)計(jì)需求，該機(jī)的收放作動(dòng)子系統(tǒng)通過(guò)鋼絲繩卷筒傳動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)距離機(jī)械傳輸，伸縮作動(dòng)子系統(tǒng)通過(guò)齒輪鏈條傳動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)伸縮套管的防打滑機(jī)械傳輸，姿態(tài)調(diào)節(jié)作動(dòng)子系統(tǒng)則通過(guò)鋼絲繩索傳動(dòng)來(lái)保證控制信號(hào)的傳遞精度，且后兩個(gè)子系統(tǒng)均根據(jù)自身特點(diǎn)設(shè)計(jì)有機(jī)械自動(dòng)張緊裝置，以保證機(jī)械傳動(dòng)線系能夠自動(dòng)適應(yīng)伸縮套管的彈性變形，并可防止傳動(dòng)線系松弛。

加油對(duì)接操作時(shí)，驅(qū)動(dòng)舵面偏轉(zhuǎn)的液壓助力器是通過(guò)鋼絲繩索進(jìn)行控制信號(hào)的傳遞。長(zhǎng)期使用會(huì)因機(jī)械摩損而增大控制環(huán)節(jié)的死區(qū)，影響控制精度，并易引發(fā)控制突變，加之伸縮套管的低剛度特性，故該型加油機(jī)對(duì)加油員的操作技能要求較高。在強(qiáng)干擾氣流環(huán)境下操作稍有不慎就會(huì)損傷受油機(jī)的涂層或蒙皮，這從公開(kāi)報(bào)道的圖片或視頻中可出看出，但該缺陷對(duì)于常規(guī)戰(zhàn)機(jī)來(lái)說(shuō)是能夠容忍的。加油對(duì)接后，管嘴處所產(chǎn)生的對(duì)接應(yīng)力則是利用機(jī)械方法進(jìn)行被動(dòng)消除，通過(guò)管嘴后端的關(guān)節(jié)軸承結(jié)構(gòu)進(jìn)行有限角度范圍的消除。

由于該型加油機(jī)研制于20世紀(jì)50年代，受限于傳感技術(shù)、控制技術(shù)和系統(tǒng)安全性設(shè)計(jì)理念等因素的影響，硬式空中加油作動(dòng)系統(tǒng)中的重要功率單元——收放作動(dòng)器和伸縮作動(dòng)器僅采用單液壓馬達(dá)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，該方式無(wú)法保證系統(tǒng)的收放功能和伸縮功能具有較高的安全性，控制功能失效后容易造成伸縮套管的自由下落。

2.2 KC-10加油機(jī)

該型加油機(jī)是美軍為彌補(bǔ)KC-135的不足而采購(gòu)的麥道公司(后并入波音公司)產(chǎn)品。該機(jī)是麥道公司于20世紀(jì)70年代末以DC-10寬體客機(jī)為平臺(tái)而研發(fā)的一款具有硬式空中加油系統(tǒng)并兼有運(yùn)輸功能的空中加油機(jī)[22-23]。

機(jī)上的硬式空中加油作動(dòng)系統(tǒng)首次采用了硬桿控制計(jì)算機(jī)(boom control computer，BCC)和電傳操縱技術(shù)，所有的控制指令都以電信號(hào)形式傳輸。該系統(tǒng)的架構(gòu)如圖3所示，系統(tǒng)的組成與技術(shù)特點(diǎn)如下所述，其中各子系統(tǒng)的主要功能與KC-135相同，作動(dòng)所需功率源同樣來(lái)自于機(jī)上21 MPa液壓系統(tǒng)。

圖3 KC-10加油機(jī)硬式空中加油作動(dòng)系統(tǒng)架構(gòu)

2.2.1 收放作動(dòng)子系統(tǒng)

該系統(tǒng)主要由閥控液壓馬達(dá)模塊、機(jī)電作動(dòng)模塊、機(jī)械雙輸入單輸出動(dòng)力綜合模塊、鋼絲繩卷筒模塊、張緊液壓馬達(dá)和BCC中的相應(yīng)電子控制單元等組成，對(duì)接前的下放角度與KC-135相同。

2.2.2 伸縮作動(dòng)子系統(tǒng)

該系統(tǒng)主要由電氣兩余度的伺服閥控液壓馬達(dá)模塊、齒輪鏈繩傳動(dòng)模塊和BCC中的相應(yīng)電子控制單元等組成。系統(tǒng)所控制的伸縮套管外管長(zhǎng)約11 m，內(nèi)管長(zhǎng)約7 m，全部伸出時(shí)套管總長(zhǎng)約17.7 m，比KC-135的伸縮套管更長(zhǎng)，增加了加/受油機(jī)間的對(duì)接距離，提高了加油對(duì)接時(shí)的安全系數(shù)。

2.2.3 姿態(tài)調(diào)節(jié)作動(dòng)子系統(tǒng)

該系統(tǒng)所驅(qū)動(dòng)的舵面構(gòu)型類(lèi)似“H”型[20]，即由一塊兩端帶有方向舵的升降舵組合體構(gòu)成，舵面由電液伺服作動(dòng)器驅(qū)動(dòng)。與KC-135相比，該型舵面對(duì)伸縮套管的俯仰和偏航運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)了解耦控制，而且偏航角度控制范圍也增大到了-25°～25°，這些改變?cè)黾恿思佑蛯?duì)接操作的便利性。

與KC-135相比，由于該型加油機(jī)的硬式空中加油作動(dòng)系統(tǒng)采用了電傳操縱技術(shù)，因此消除了因控制信號(hào)傳輸而大量使用的機(jī)械和液壓機(jī)械零部件數(shù)量。故該型加油機(jī)上的“H”型舵面，雖然增加了舵面和作動(dòng)器的數(shù)量，但沒(méi)有因此增加伸縮套管的總重量。根據(jù)系統(tǒng)的傳輸特點(diǎn)，伸縮和收放的作動(dòng)部分仍采用機(jī)械傳輸，其中收放作動(dòng)系統(tǒng)的機(jī)械傳輸方式與KC-135相同；而伸縮作動(dòng)系統(tǒng)由于工作行程的增加，采用全鏈條傳輸會(huì)帶來(lái)增重問(wèn)題，該機(jī)采用鏈繩結(jié)合的方式解決該問(wèn)題，保留動(dòng)力輸出端的鏈條傳輸仍可保證伸縮套管運(yùn)動(dòng)的平穩(wěn)性，避免全鋼絲繩傳動(dòng)所可能引發(fā)的打滑問(wèn)題。

得益于電傳操縱技術(shù)和BCC的使用，以及控制技術(shù)和傳感技術(shù)的進(jìn)步。該機(jī)通過(guò)合理設(shè)置位置傳感器和加速度傳感器來(lái)檢測(cè)伸縮套管的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，并將反饋信號(hào)引入BCC的增穩(wěn)或控制增穩(wěn)系統(tǒng)，通過(guò)控制環(huán)節(jié)來(lái)提高伸姿態(tài)調(diào)節(jié)作動(dòng)系統(tǒng)抵抗外部干擾的能力，保證加油對(duì)接控制精度。而為了減小加油對(duì)接應(yīng)力，該機(jī)通過(guò)自動(dòng)負(fù)荷緩解系統(tǒng)(automatic load alleviation system，ALRS)來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)接應(yīng)力的主動(dòng)調(diào)節(jié)，該系統(tǒng)通過(guò)加油管嘴處的力傳感器感應(yīng)對(duì)接后的管嘴徑向力，反饋信號(hào)輸?shù)紹CC中與加油管嘴對(duì)應(yīng)軸向的閾值進(jìn)行比較，若超過(guò)門(mén)限則通過(guò)控制相應(yīng)的舵面偏轉(zhuǎn)，降低該軸向的徑向力，使其維持在設(shè)定的范圍，同時(shí)也因此消除了加油管嘴斷開(kāi)瞬間所產(chǎn)生的甩鞭現(xiàn)象[22]。

KC-10為了保證硬式空中加油作動(dòng)系統(tǒng)電傳化后的安全性，系統(tǒng)整體采用電氣兩余度架構(gòu)，具有一次故障-工作，兩次故障-安全的容錯(cuò)能力[23]。系統(tǒng)的控制部分通過(guò)完善的故障監(jiān)控設(shè)計(jì)和重要功能的飛行前測(cè)試，保證發(fā)出非受控指令的故障概率小于10-9/飛行小時(shí)[7]。而系統(tǒng)中的收放作動(dòng)器則采用液壓與電力組成的雙作動(dòng)功率輸入，保證收放作動(dòng)功能的失效概率與控制部分相當(dāng)。系統(tǒng)為了確保加油對(duì)接時(shí)的姿態(tài)調(diào)節(jié)安全，所涉及的舵面作動(dòng)器利用兩個(gè)液壓串聯(lián)的電液伺服閥進(jìn)行液壓控制和監(jiān)控，保證控制部分能夠及時(shí)得到作動(dòng)器的故障狀態(tài)并做出故障隔離或故障-安全處理，避免姿態(tài)調(diào)節(jié)時(shí)出現(xiàn)非期望運(yùn)動(dòng)損傷加油設(shè)備或受油機(jī)。

2.3 KC-46A加油機(jī)

上述兩型加油機(jī)的分別研制于20世紀(jì)50年代和70年代末，特別是KC-135所采用的技術(shù)較為落后，長(zhǎng)期、高頻的使用也加速了兩型加油機(jī)的老化，增加了維護(hù)費(fèi)用。為替換上述兩型加油機(jī)，美軍于2019年開(kāi)始采購(gòu)波音公司以B767-2C寬體客機(jī)為平臺(tái)而研制的一款具有硬式空中加油系統(tǒng)的KC-46A多用途空中加油機(jī)[24]。

由于該型加油機(jī)采用了許多新技術(shù)，且存在著交付趕進(jìn)度方面的問(wèn)題，由此帶來(lái)了許多技術(shù)問(wèn)題。在美軍的裝備使用中發(fā)現(xiàn)，該機(jī)不但存在機(jī)身平臺(tái)方面的技術(shù)問(wèn)題，而且硬式加油作動(dòng)系統(tǒng)也存在著控制抖動(dòng)問(wèn)題，嚴(yán)重影響了空中加油對(duì)接操作。雖然該型加油機(jī)采用了許多新技術(shù)，但相關(guān)的硬式空中加油作動(dòng)系統(tǒng)則是延用了已在KC-10上成熟應(yīng)用的電傳操縱技術(shù)，系統(tǒng)架構(gòu)和組成也與KC-10相似[25]，故不再贅述。

2.4 A330MRTT加油機(jī)

該型加油機(jī)是空客公司以A330-200寬體客機(jī)為平臺(tái)而研發(fā)的一款具有硬式空中加油系統(tǒng)的多用途空中加油運(yùn)輸機(jī)。從公開(kāi)報(bào)道可知，該機(jī)的整體性能優(yōu)于KC-46A，相關(guān)的硬式空中加油作動(dòng)系統(tǒng)已在A310MRTT加油測(cè)試機(jī)上完成了全球首次全自動(dòng)硬式空中加油飛行測(cè)試[26-27]。

機(jī)上的硬式空中加油作動(dòng)系統(tǒng)與KC-10和KC-46A一樣，都采用了專(zhuān)用BCC和電傳操縱技術(shù)，但作動(dòng)部分則全面采用了電功率作動(dòng)，功率來(lái)自于機(jī)上兩路115 V/400 Hz交流電源，該系統(tǒng)的架構(gòu)如圖4所示，系統(tǒng)組成與技術(shù)特點(diǎn)如下所述。

圖4 A330MRTT加油機(jī)硬式空中加油作動(dòng)系統(tǒng)架構(gòu)

2.4.1 收放作動(dòng)子系統(tǒng)

該系統(tǒng)主要由帶電磁制動(dòng)器的270 V直流永磁無(wú)刷電機(jī)、機(jī)械雙輸入單輸出動(dòng)力綜合模塊、鋼絲繩卷筒模塊和相應(yīng)電子控制單元等組成。加油對(duì)接時(shí)系統(tǒng)的下放角度與上述加油機(jī)相同。系統(tǒng)根據(jù)使用狀態(tài)分為3種工作模態(tài)。把持模態(tài)：此時(shí)系統(tǒng)的電子控制單元(electronic control unit, ECU)處于供電，電機(jī)和電磁制動(dòng)器處于斷電把持狀態(tài)；正常工作模態(tài)：系統(tǒng)ECU可根據(jù)BCC的速度指令控制電機(jī)對(duì)伸縮套管實(shí)現(xiàn)收放控制；地面維護(hù)模態(tài)：用于該系統(tǒng)的地面手動(dòng)操作。

2.4.2 伸縮作動(dòng)子系統(tǒng)

該系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)電機(jī)類(lèi)型與上述子系統(tǒng)相同，在相應(yīng)電子單元的控制下由機(jī)械雙輸入單輸出齒輪鏈繩傳動(dòng)模塊進(jìn)行動(dòng)力綜合與輸出，所控制的伸縮套管在內(nèi)管全部伸出時(shí)長(zhǎng)約17 m。該系統(tǒng)具有4種工作模態(tài)。把持模態(tài)和地面維護(hù)模態(tài)的功能同上；正常工作模態(tài)：該模態(tài)下ECU可根據(jù)BCC的速度指令對(duì)伸縮套管的內(nèi)管進(jìn)行運(yùn)動(dòng)快慢控制；對(duì)接隨動(dòng)模態(tài)：當(dāng)伸縮套管與受油機(jī)對(duì)接后，系統(tǒng)可跟隨對(duì)接后的軸向載荷實(shí)現(xiàn)被動(dòng)伸出、收進(jìn)或把持。

2.4.3 姿態(tài)調(diào)節(jié)作動(dòng)子系統(tǒng)

該系統(tǒng)所驅(qū)動(dòng)的舵面構(gòu)型與KC-135的“V”型相同，舵面作動(dòng)器的類(lèi)型與上述兩個(gè)子系統(tǒng)相同。系統(tǒng)3種工作模態(tài)中的把持模態(tài)和地面維護(hù)模態(tài)功能同上，正常工作模態(tài)非對(duì)接狀態(tài)下，系統(tǒng)根據(jù)BCC的控制指令驅(qū)動(dòng)舵面，對(duì)接后系統(tǒng)在ALRS的作用下動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)舵面。

與上述兩型加油機(jī)相比，A330MRTT的硬式空中加油作動(dòng)系統(tǒng)也采用了電傳操縱技術(shù)，但作動(dòng)部分則已經(jīng)完全實(shí)現(xiàn)了電功率作動(dòng)，消除了因液壓作動(dòng)而需使用的液壓管路和液壓機(jī)械零部件。根據(jù)目前的技術(shù)，雖然相同功率的機(jī)電作動(dòng)器比電液伺服作動(dòng)器重，但是由于該型加油機(jī)的伸縮套管采用了“V”型舵面，與“H”型舵面相比，減少了舵面和作動(dòng)器的數(shù)量。綜合來(lái)看，硬式空中加油姿態(tài)調(diào)節(jié)作動(dòng)子系統(tǒng)并沒(méi)有因?yàn)椴捎秒姽β首鲃?dòng)而增加伸縮套管的重量。剩余伸縮和收放作動(dòng)子系統(tǒng)所必需的機(jī)械傳輸部分，由于沒(méi)有發(fā)生革命性的技術(shù)變化，故這兩個(gè)子系統(tǒng)的機(jī)械傳輸部分與KC-10和KC-46A相似。與美軍硬式空中加油作動(dòng)系統(tǒng)的集中式架構(gòu)相比，該機(jī)首次采用了分布式架構(gòu)，將與各作動(dòng)子系統(tǒng)緊密相關(guān)的電子控制部分從BCC中獨(dú)立出來(lái)，置于外場(chǎng)可更換單元ECU中，而ECU與作動(dòng)器采用一體化或就近安裝，與BCC通過(guò)A429總線進(jìn)行通信，不僅減少了作動(dòng)與控制單元間的導(dǎo)線使用量，而且也減輕了伸縮套管中的導(dǎo)線重量，降低了所占空間，這對(duì)于空間狹小的伸縮套管尤為重要。

對(duì)于作動(dòng)控制部分，該機(jī)同樣采用合理布置傳感器來(lái)檢測(cè)伸縮套管的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)和受力狀態(tài)信息，通過(guò)控制律設(shè)計(jì)來(lái)保證系統(tǒng)的魯棒性并緩解加油對(duì)接應(yīng)力。但不同的是將與各作動(dòng)子系統(tǒng)密切相關(guān)的伺服控制、功率驅(qū)動(dòng)、故障監(jiān)控和余度管理等功能單元置于ECU中，將ALRS、增穩(wěn)或控制增穩(wěn)系統(tǒng)以及外部狀態(tài)感知傳感器的信號(hào)處理單元等則置于BCC中，由BCC根據(jù)操縱指令產(chǎn)生各子系統(tǒng)的控制信號(hào)。這種分布式的控制方式不僅降低了BCC的功耗發(fā)熱量，提高了BCC的可靠性，而且還優(yōu)化了系統(tǒng)的控制律和控制電路，方便系統(tǒng)根據(jù)需要只對(duì)相關(guān)的部分軟件或硬件進(jìn)行升級(jí)，提高了系統(tǒng)的保障性。例如，該機(jī)所最新具備的自動(dòng)硬式空中加油能力，就是通過(guò)擴(kuò)展BCC而實(shí)現(xiàn)的，BCC根據(jù)激光與紅外融合精確感知系統(tǒng)和增強(qiáng)視頻影像系統(tǒng)等[27-28]的反饋信號(hào)，實(shí)時(shí)獲取受油機(jī)與外部環(huán)境的狀態(tài)，自動(dòng)規(guī)劃硬式空中加油作動(dòng)系統(tǒng)的動(dòng)作路徑，并將路徑轉(zhuǎn)換成系統(tǒng)進(jìn)行收放、伸縮、偏航與俯仰運(yùn)動(dòng)的控制指令，過(guò)程中自動(dòng)調(diào)節(jié)參數(shù)，以確保整個(gè)空中加油的作動(dòng)控制精度。

該機(jī)為了保證硬式空中加油作動(dòng)系統(tǒng)的安全性，系統(tǒng)整體也采用了電氣兩余度架構(gòu)，電氣容錯(cuò)能力與KC-10和KC-46A相同，其中的作動(dòng)器均采用雙電機(jī)和雙電力供給的方式來(lái)保證收放功能、伸縮功能和姿態(tài)調(diào)節(jié)功能的失效概率與控制部分相當(dāng)。由于采用了電功率作動(dòng)技術(shù)，故導(dǎo)致控制部分的驅(qū)動(dòng)電路比電液伺服驅(qū)動(dòng)電路復(fù)雜，降低了控制單元的可靠性，但仍能夠保證控制部分發(fā)出非受控指令的故障概率滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求，達(dá)到小于10-8/飛行小時(shí)。當(dāng)該系統(tǒng)的某個(gè)子系統(tǒng)全部控制功能或作動(dòng)功能失效后，可通過(guò)作動(dòng)器上的電磁制動(dòng)器將作動(dòng)器鎖定在故障位置，避免故障系統(tǒng)不受控而影響加油作業(yè)安全。

3 硬式空中加油作動(dòng)系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)

對(duì)第2節(jié)所述機(jī)型的硬式空中加油作動(dòng)系統(tǒng)按表1進(jìn)行歸納，并結(jié)合相關(guān)系統(tǒng)的技術(shù)特點(diǎn)，提煉出該系統(tǒng)主要具有以下關(guān)鍵技術(shù)。

表1 典型加油機(jī)硬式空中加油作動(dòng)系統(tǒng)主要指標(biāo)對(duì)比

3.1 高功重比的作動(dòng)設(shè)計(jì)技術(shù)

從上述主要機(jī)型的硬式空中加油作動(dòng)系統(tǒng)技術(shù)發(fā)展特點(diǎn)可知，該系統(tǒng)雖然已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了電傳操縱，并呈現(xiàn)出全電作動(dòng)和靈巧作動(dòng)的發(fā)展趨勢(shì)，減少了機(jī)械零部件的數(shù)量，甚至消除了液壓零部件的使用，但在結(jié)構(gòu)狹長(zhǎng)的伸縮套管中仍需要集成安裝伸縮傳動(dòng)裝置、ECU、姿態(tài)調(diào)節(jié)作動(dòng)器和相關(guān)附件。因此，為了優(yōu)化伸縮套管的內(nèi)部空間，減輕伸縮套管的總重量，應(yīng)充分利用當(dāng)前成熟的輕質(zhì)高強(qiáng)度材料、高功率密度電磁驅(qū)動(dòng)技術(shù)、結(jié)構(gòu)一體化成型技術(shù)、總線傳輸技術(shù)和高集成控制技術(shù)等新材料與新技術(shù)，在滿(mǎn)足作動(dòng)功能、性能、安全性和可靠性需求的前提下，對(duì)硬式空中加油作動(dòng)系統(tǒng)，特別是伸縮套管內(nèi)的作動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行小型化、輕量化和一體化設(shè)計(jì)，以提高作動(dòng)系統(tǒng)的功重比。

3.2 多干擾因素作用下的魯棒控制技術(shù)

硬式空中加油作動(dòng)系統(tǒng)的電傳化操縱，雖然避免了機(jī)械操縱所帶來(lái)的非線性、重量大、尺寸大、力反傳和控制精度低等弊端，但是伸縮套管的細(xì)長(zhǎng)結(jié)構(gòu)特性，極易在飛行中產(chǎn)生彈性振蕩，影響加油對(duì)接作業(yè)，而振蕩的主要誘因有：紊流與突風(fēng)環(huán)境、姿態(tài)運(yùn)動(dòng)和內(nèi)管伸縮等。對(duì)接后，伸縮套管還會(huì)受到對(duì)接應(yīng)力和燃油傳輸?shù)纫蛩氐挠绊?。上述因素不僅動(dòng)態(tài)變化，且彼此耦合，增加了系統(tǒng)控制律的設(shè)計(jì)難度。為了保證系統(tǒng)控制的魯棒性，應(yīng)充分分析被控對(duì)象的低阻尼、彈性振蕩和作業(yè)環(huán)境影響等因素，有針對(duì)性的進(jìn)行控制律設(shè)計(jì)，并通過(guò)建模仿真、半物理仿真試驗(yàn)和飛行試驗(yàn)等方法迭代驗(yàn)證。

3.3 高可靠的故障監(jiān)控與余度管理技術(shù)

由于硬式空中加油作動(dòng)系統(tǒng)屬于機(jī)上的任務(wù)系統(tǒng)，且從系統(tǒng)重量、體積、成本和影響飛機(jī)安全等因素考慮，電傳化的硬式空中加油作動(dòng)系統(tǒng)通常采用電氣兩余度架構(gòu)。而為了保證系統(tǒng)的安全性和電氣部分的可靠性，并具有一次故障-工作，二次故障-安全的電氣容錯(cuò)能力，需要系統(tǒng)具有高可靠的故障監(jiān)控和完善的余度管理能力。當(dāng)前，電傳化系統(tǒng)主要依靠監(jiān)控元件、監(jiān)控電路和監(jiān)控軟件等方法實(shí)現(xiàn)故障監(jiān)控，并據(jù)此進(jìn)行余度管理?？梢钥闯觯艨刂葡到y(tǒng)本無(wú)故障，而是由于監(jiān)控單元發(fā)生虛警也會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)余度降級(jí)，這對(duì)于只有電氣兩余度的加油作動(dòng)系統(tǒng)來(lái)說(shuō)會(huì)極大地降低系統(tǒng)的任務(wù)可靠性。因此，為了提高系統(tǒng)的故障監(jiān)控能力，降低虛警率，在進(jìn)行監(jiān)控單元設(shè)計(jì)時(shí)，除了選擇成熟的監(jiān)控技術(shù)和監(jiān)控器件外，還應(yīng)考慮系統(tǒng)所處的復(fù)雜機(jī)械環(huán)境、電磁環(huán)境和自然環(huán)境影響，并通過(guò)充分的試驗(yàn)驗(yàn)證優(yōu)化故障監(jiān)控設(shè)計(jì)，保證系統(tǒng)的任務(wù)可靠性。

4 研制國(guó)產(chǎn)硬式空中加油作動(dòng)系統(tǒng)的探討

4.1 作動(dòng)技術(shù)的選擇

從國(guó)外硬式空中加油作動(dòng)技術(shù)的發(fā)展歷程來(lái)看，均采用了當(dāng)時(shí)已在型號(hào)飛機(jī)機(jī)載作動(dòng)系統(tǒng)中成熟應(yīng)用的作動(dòng)技術(shù)。如20世紀(jì)50年代研制的KC-135加油機(jī)，硬式空中加油作動(dòng)系統(tǒng)采用了機(jī)械液壓作動(dòng)技術(shù)；到20世紀(jì)80年代研制的KC-10加油機(jī)，硬式空中加油作動(dòng)系統(tǒng)則采用了信號(hào)電傳液壓作動(dòng)技術(shù)；發(fā)展到當(dāng)前的A330MRTT加油機(jī)，硬式空中加油作動(dòng)系統(tǒng)已全面采用了功率電傳作動(dòng)技術(shù)?？梢钥闯鰢?guó)外研制硬式空中加油作動(dòng)系統(tǒng)所采用的作動(dòng)技術(shù)路線清晰，沒(méi)有先于同時(shí)期的機(jī)載作動(dòng)系統(tǒng)而率先采用新型作動(dòng)技術(shù)，以保證硬式加油作動(dòng)系統(tǒng)的可靠性和加油對(duì)接的安全性。綜合分析當(dāng)前我國(guó)航空機(jī)載作動(dòng)系統(tǒng)領(lǐng)域的技術(shù)現(xiàn)狀，并結(jié)合國(guó)外硬式空中加油作動(dòng)系統(tǒng)的研制歷程，我國(guó)在研制該系統(tǒng)時(shí)可優(yōu)先采用電液伺服作動(dòng)技術(shù)，同時(shí)擇機(jī)開(kāi)展大功率(不小于25 kW)機(jī)電作動(dòng)技術(shù)的儲(chǔ)備研究，待技術(shù)成熟后，再拓展應(yīng)用到硬式空中加油作動(dòng)系統(tǒng)。

4.2 控制方式的選擇

波音和空客所研制加油機(jī)的硬式空中加油作動(dòng)系統(tǒng)均采用了當(dāng)時(shí)的成熟控制技術(shù)。如KC-135加油機(jī)，其硬式空中加油作動(dòng)系統(tǒng)主要采用機(jī)械液壓控制技術(shù)；到KC-10加油機(jī)，硬式空中加油作動(dòng)系統(tǒng)開(kāi)始采用專(zhuān)用計(jì)算機(jī)和電傳操縱技術(shù)；再到A330MRTT加油機(jī)，硬式空中加油作動(dòng)系統(tǒng)已能根據(jù)外部傳感系統(tǒng)的反饋信號(hào)，在先進(jìn)算法的控制下實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)硬式加油對(duì)接作動(dòng)，并呈現(xiàn)出智能化的發(fā)展趨勢(shì)。

波音作為全球最先研發(fā)和使用硬式空中加油作動(dòng)系統(tǒng)的公司，從KC-135算起已擁有近70年的加油機(jī)研制經(jīng)驗(yàn)，但其最新研制的KC-46A加油機(jī)仍面臨著許多問(wèn)題，如硬式空中加油作動(dòng)系統(tǒng)在遠(yuǎn)程視頻影像環(huán)境下存在控制抖動(dòng)，逆光環(huán)境下無(wú)法準(zhǔn)確操控，以及全自動(dòng)硬式空中加油尚未工程化等?？湛妥鳛楹髞?lái)者，雖然研制歷程不及波音，但從2005年開(kāi)始就以A310MRTT加油測(cè)試機(jī)對(duì)硬式空中加油作動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行充分的裝機(jī)飛行測(cè)試，包括后續(xù)的全自動(dòng)硬式空中加油，都是在相關(guān)技術(shù)成熟后才應(yīng)用到A330MRTT加油機(jī)上。我國(guó)作為硬式空中加油的入門(mén)探索者，無(wú)論是在研制經(jīng)驗(yàn)方面，還是在基礎(chǔ)技術(shù)方面，均不及波音和空客。因此，在控制方式的選擇上可結(jié)合國(guó)內(nèi)技術(shù)現(xiàn)狀，秉承“技術(shù)成熟，充分驗(yàn)證”的原則，并充分借鑒A330MRTT加油機(jī)硬式空中加油作動(dòng)系統(tǒng)的研制經(jīng)驗(yàn)，先采用常規(guī)電傳操縱技術(shù)保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性與可靠性，后逐步實(shí)現(xiàn)新技術(shù)與作動(dòng)系統(tǒng)的拓展融合。

4.3 系統(tǒng)架構(gòu)的選擇

早期KC-135加油機(jī)的硬式空中加油作動(dòng)系統(tǒng)主要采用液壓機(jī)械控制技術(shù)，系統(tǒng)架構(gòu)沒(méi)有采用余度設(shè)計(jì)；到了后期的KC-10加油機(jī)，硬式空中加油作動(dòng)系統(tǒng)采用了信號(hào)電傳操縱技術(shù)，系統(tǒng)設(shè)計(jì)為集中式、電氣兩余度架構(gòu)；發(fā)展到A330MRTT加油機(jī)，硬式空中加油作動(dòng)系統(tǒng)則采用了功率電傳操縱技術(shù)，系統(tǒng)設(shè)計(jì)為分布式、電氣兩余度架構(gòu)，電功率驅(qū)動(dòng)部分和BCC也都采用了物理獨(dú)立的兩余度設(shè)計(jì)，系統(tǒng)的架構(gòu)設(shè)計(jì)更加完善。

可以看出，在硬式空中加油作動(dòng)系統(tǒng)開(kāi)始采用電傳操縱技術(shù)以來(lái)，并隨著安全性設(shè)計(jì)理念的深入，系統(tǒng)主要采用余度設(shè)計(jì)的方法來(lái)保證安全性。因此，我國(guó)在研制硬式空中加油作動(dòng)系統(tǒng)時(shí)，可以借鑒相關(guān)產(chǎn)品的研制經(jīng)驗(yàn)，以及相似產(chǎn)品的研制成果。系統(tǒng)采用分布式、電氣兩余度架構(gòu)，用比較監(jiān)控技術(shù)提高故障監(jiān)控覆蓋率，即系統(tǒng)控制部分的余度架構(gòu)為2×2，兩個(gè)獨(dú)立的控制通道中都設(shè)計(jì)有一個(gè)指令支路和一個(gè)監(jiān)控支路，兩個(gè)支路比較一致后輸出控制指令，該技術(shù)可保證系統(tǒng)的故障監(jiān)控覆蓋率大于95%，能夠有效提升系統(tǒng)的安全性。采用上述電液作動(dòng)技術(shù)和余度配置的硬式空中加油作動(dòng)系統(tǒng)架構(gòu)如圖5所示。

圖5 提議的硬式空中加油作動(dòng)系統(tǒng)架構(gòu)

5 結(jié)語(yǔ)

當(dāng)前，波音公司與空客公司均已研制出了各自包含硬式空中加油系統(tǒng)的新型加油機(jī)KC-46A和A330MRTT，這兩型加油機(jī)的硬式空中加油作動(dòng)系統(tǒng)都呈現(xiàn)出了載機(jī)平臺(tái)寬體客機(jī)化、控制自動(dòng)化/智能化、功率電傳化和作動(dòng)靈巧化的發(fā)展特點(diǎn)。目前，我國(guó)在研制硬式空中加油作動(dòng)系統(tǒng)時(shí)，所面臨的關(guān)鍵技術(shù)和研制基礎(chǔ)，與歐、美這樣的航空強(qiáng)國(guó)還存在著一定的差距。因此，研制時(shí)應(yīng)根據(jù)國(guó)內(nèi)相關(guān)技術(shù)現(xiàn)狀，循序漸進(jìn)、迭代更新，在保證系統(tǒng)安全性與可靠性的基礎(chǔ)上逐步拓展應(yīng)用先進(jìn)技術(shù)，從而能夠早日為我國(guó)的空中加油方式提供技術(shù)多選項(xiàng)，助力空軍戰(zhàn)略轉(zhuǎn)型。