飞机系统

飞机系统本章讨论小飞机上见到的主要系统。

这些系统包括发动机，螺旋桨，和进气系统，以及点火，燃油，润滑，制冷，电路，起落架，自动飞行，和环境控制系统。

本章的末尾对燃气涡轮发动机进行了详细的介绍。

动力装置飞机的发动机和螺旋桨通常称为一个发动装置，它们配合起来产生推力。

动力装置推动飞机，还驱动各种支持飞机运行的系统。

往复式发动机大多数小飞机设计有往复式发动机。

名字是来源于活塞的前后往复运动。

就是这个运动才产生了有效的机械能量。

往复式发动机的两种常用分类方法是：1. 根据气缸排列和曲轴的位置关系-辐射式，直排式，V型，或者对置式2. 根据制冷方法-液冷或者气冷辐射式发动机在二次世界大战期间被广泛应用，很多在今天还发挥作用。

对于这些引擎，一排或者多拍气缸围绕曲轴布置。

辐射式引擎的主要优势是其良好的推重比(power-to-weight)。

直排式发动机有相对较小的最大截面，但是它们的推重比相对较低。

另外，气冷式直排发动机的最后面的气缸受到很少的制冷气流，因此这些发动机受限于4个或者6个气缸。

V型发动机比直排式发动机提供了更多的马力，仍然保留了小的最大截面。

发动机设计的进一步改进导致开发出水平对置发动机。

对置式发动机是用于小型飞机上的最流行的往复式发动机。

这些发动机总是有偶数个气缸，因为曲轴箱一边的气缸和另一侧的气缸对立。

这些发动机大多数是气冷式的，当安装于固定翼飞机时，通常安装在水平位置。

对置式发动机的推重比高，因为它们有相对小的轻型的曲轴箱。

其次，紧凑的气缸排列降低了发动机的最大截面，流线型安装使气动阻力降到最低。

往复式发动机的主要部分包括气缸，曲轴箱，和附件壳。

进气/排气阀，火花塞，和活塞位于气缸内部。

曲轴和曲轴连杆位于曲轴箱内部。

如图5-1,磁电机通常位于发动机附件壳内部。

往复式发动机的原理是燃油的化学能转化为机械能。

这通过一个称为四冲程的循环发生在气缸中。

这些冲程称为进气，压缩，燃烧，排气。

如图5-21．进气冲程从活塞向下行程开始。

开始时，进气阀门打开，燃油空气混合物被吸入气缸。

2．压缩冲程从进气阀门关闭，活塞往回朝气缸顶部移动开始。

在循环的这个阶段，用于从点燃的油气混合气体获得大得多的动力输出。

3．燃烧冲程从油气混合气体被点燃开始。

这导致气缸压力极大的增加，迫使活塞离开气缸头向下运动，产生了旋转曲轴的动力。

4．排气冲程是用于清除气缸中燃烧过的气体。

这个冲程发生在排气阀门打开，活塞再次开始朝气缸顶部移动开始。

即使当发动机运行在相对低的速度时，四冲程循环也要每分钟发生几百次。

在一个四缸发动机中，每个气缸运行在不同的冲程。

曲轴的连续旋转是由每个气缸的燃烧冲程的精确定时来维持的。

发动机的连续运行依赖于辅助系统的同时作用，包含进气系统，点火系统，燃油，润滑，制冷和排气系统。

螺旋桨螺旋桨是一个旋转的翼面，适用于任何机翼的诱导阻力，失速和其他空气动力学原理也都对螺旋桨适用。

它提供必要的推力有时也是拉力使飞机在空气中移动。

发动机的动力是用于旋转螺旋桨的，它进而产生的推力非常类似于机翼产生升力的方式。

产生的升力大小依赖于桨叶的形态，螺旋桨页迎角和发动机的转速。

螺旋桨叶本身是扭转的，因此桨叶角从毂轴到叶尖是变化的。

最大安装角或者最大节距在毂轴处，而最小节距在叶尖。

如图5-3扭转的原因是为了从毂轴到叶尖产生一致的升力。

当桨叶旋转时，桨叶的不同部分有不同的实际速度。

桨叶尖部旋转的比靠近毂轴部位的要快，因为相同时间内叶尖要旋转的距离比毂轴附近要长。

从毂轴到叶尖安装角的变化和相应变化就能够在桨叶长度上产生一致的升力。

如果螺旋桨叶设计成在整个长度上它的安装角相同，那么会低效，因为随着空速的增加，靠近毂轴附近的部分将会有负迎角，而叶尖会失速。

如图5-4小飞机会装配两种螺旋桨中的一种。

一种是固定节距的，另一种是可调节距的。

固定节距螺旋桨这种螺旋桨的节距是制造商设定的，不能被改变。

对于这种螺旋桨，只在一定的空速和转速组合下才能获得最好的效率。

固定节距螺旋桨还有两种类型-爬升螺旋桨和巡航螺旋桨。

无论飞机是安装了爬升还是巡航螺旋桨，都依赖于它的预期用途：1：爬升螺旋桨有小的节距，因此阻力更少。

阻力较低导致转速更高，和更多的功率能力，在起飞和爬升时这增加了性能，但是在巡航飞行时降低了性能。

2：巡航螺旋桨有高节距，因此阻力更多。

更多阻力导致较低转速，和较低的功率能力，它降低了起飞和爬升性能，但是增加了巡航飞行效率。

螺旋桨通常安装在轴上，这个轴可能是发动机曲轴的延伸。

这种情况下，螺旋桨转速就和曲轴的转速相同了。

某些其他发动机，螺旋桨是安装在和发动机曲轴经齿轮传动的轴上。

这时，曲轴的转速就和螺旋桨的转速不同了。

对于固定节距螺旋桨，转速计是发动机功率的指示器。

如图5-5转速计的刻度以100转每分钟为单位，直接指示出发动机和螺旋桨的转速。

这个仪表被标记了色标，绿色弧线表示最大连续运行转速。

一些转速计还有额外的记号来表示发动机或者螺旋桨的限制。

所以制造商的建议应该是任何对仪表记号误解的纠正标准。

每分钟的转数是通过油门(throttle)来调节的，它控制流到发动机的油气混合气流。

在一个给定的高度，转速计读数越高，发动机输出功率越大。

当运行高度增加时，发动机可能不会显示出正常的输出功率。

例如，2300转速在5000英尺高度时产生的马力比在海平面时2300转速产生的马力要少。

这是因为功率输出和空气密度有关。

空气密度随高度增加而降低。

因此，空气密度的降低(较高的密度高度)导致了发动机输出功率的降低。

当高度变化时，必须要改变油门的位置才能维持相同的转速。

当高度增加时，油门必须打开更多，以维持和低高度时相同的转速。

可变节距螺旋桨尽管一些较旧的可调节距螺旋桨只能在地面调节，而大多数现代可调节距螺旋桨被设计成可以在飞行中调节螺旋桨的节距。

第一代可调节距螺旋桨只提供两个节距设定-低节距设定和高节距设定。

然而，今天，几乎所有可调节距螺旋桨系统可以在一个范围内调节节距。

恒速螺旋桨是最常见的可调节距螺旋桨类型。

恒速螺旋桨的主要优点是它在大的空速和转速组合范围内把制动马力的大部分转换成推进马力。

恒速螺旋桨比其他螺旋桨更有效率是因为它能够在特定条件下选择最有效率的发动机转速。

装配恒速螺旋桨的飞机有两项控制-油门控制和螺旋桨控制。

油门控制功率输出，螺旋桨控制调节发动机转速，进而调节螺旋桨转速，转速读数在转速计上。

一旦选择了一个特定的转速，一个调节器会自动的调节必要的螺旋桨桨叶角以保持选择的转速。

例如巡航飞行期间设定了需要的转速之后，空速的增加或者螺旋桨载荷的降低将会导致螺旋桨为维持选择的转速而增加桨叶角。

空速降低或者螺旋桨载荷增加会导致螺旋桨桨叶角降低。

恒速螺旋桨可能的桨叶角范围由螺旋桨的恒速范围和高低节距止位来确定。

只要螺旋桨桨叶角位于恒速范围内，而不超出任何一个节距止位，发动机转速就能维持恒定。

然而，一旦螺旋桨桨叶到达止位，发动机转速将随空速和螺旋桨载荷的变化而适当的增加或者降低。

例如，选择了一个特定的转速，飞机速度降低到足够使螺旋桨桨叶旋转直到到达低节距止位，只要空速再次降低将会导致发动机转速降低，就像安装了固定节距螺旋桨一样。

当恒速螺旋桨的飞机加速到较快的速度时还会发生相同的情况。

随着飞机加速，螺旋桨桨叶角增加以维持选定的转速直到到达高节距止位。

一旦达到止位，桨叶角就不能再增加，发动机转速降低。

在装配恒速螺旋桨的飞机上，功率输出由油门控制，用进气压力表指示。

这个仪表测量进气道歧管中油气混合气的绝对压力，更正确的说法是测量歧管绝对压力(MAP)。

在恒定转速和高度，产生功率的大小直接和流到燃烧室的油气混合流有关。

当你增加油门设定时，流到发动机的油气就越多，因此，歧管绝对压力增加。

当发动机不运行时，歧管压力表指示周围空气压力(例如29.92英寸汞柱)。

当发动机气动后，歧管压力指示将会降低到一个低于周围空气压力的值。

对应的，发动机故障或者功率损失时，歧管压力表会指示在发生故障时的高度上周围空气压力位置上。

如图5-6歧管压力表(同进气压力表)用色标来指示发动机的运行范围。

歧管压力表盘上有一个绿色弧线表示正常运行范围，红色径向线表示歧管压力的上限。

对于任何给定的转速，都有一个不能超过的歧管压力。

如果对应转速下的歧管压力过大，气缸内部的压力就会过量，因此就会到气缸施加过大的应力。

如果频繁的重复，这个应力将会使气缸组件变松，最终导致发动机故障。

你可以通过时刻注意转速而避免气缸过应力的状况，特别是增加歧管压力时。

遵守特定发动机的制造商建议设定，这样歧管压力和转速之间就可以维持合适的关系。

当歧管压力和转速都需要改变时，正确的功率调节顺序可以避免发动机的过应力：1．当功率设定被降低后，降低转速前降低歧管压力。

如果转速是在歧管压力之前降低，歧管压力会自动增加，可能超出制造商设计的容限【歧管压力的设计值允许有一定的超过，例如可能是5%-10%，工业产品的重承受数值基本都会设计一个容限值，是工程设计的基本原则之一。

】。

2．当功率设定增加后，顺序则相反-首先增加转速，然后是歧管压力。

3．为避免损坏辐射式发动机，最大转速和歧管压力的运行时间必须保持最短，必须避免运行在最大转速和低歧管压力状态。

在正常运行条件下，高性能往复式发动机的最严重磨损，疲劳，和损坏发生在高转速和低歧管压力状态下。

进气系统进气系统把外部空气和燃油混合，然后把油气混合物送到发生燃烧的气缸。

外部空气从引擎罩前部的进气口进入进气系统。

这个进气口通常包含一个阻止灰尘和其他外部物体进入的空气过滤器。

由于过滤器有时候会被阻塞，必须有一个备用的空气来源。

一般的，备用空气来自引擎罩内部，那里绕过阻塞的过滤器。

一些备用空气源自动起作用，另一些则需要手工操作。

小飞机的发动机通常使用了两种类型的进气系统：1. 汽化器系统，在燃油和空气进入进气歧管之前它把燃油和空气在汽化器中混合起来2. 燃油喷射系统，燃油和空气就在进入每个气缸之前被混合汽化器系统汽化器系统分为浮动式和压力式。

小飞机上通常没有压力式汽化器。

压力式汽化器和浮动式汽化器的基本区别是压力式汽化器通过油泵的压力来输送燃油。

浮动式汽化器系统工作时，外部空气首先经过一个空气过滤器，通常位于引擎罩前部的空气进气口。

过滤过的空气流经汽化器，通过文氏管-它是汽化器中的一个喉管。

当空气流经文氏管时，产生了一个低压区域，它迫使燃油流经位于喉管处的一个主燃油喷射口。

燃油然后流入气流中，在这里燃油和空气混合。

如图5-7油气混合物又经过进气歧管被吸入燃烧室，在这里它被点燃。

浮动式汽化器的名字源于浮力，它使燃油处于浮子室内。

一个指针连到浮子室的开口，并且关闭汽化器浮子室的底部开口。

这依赖于浮子的位置来测量进入汽化器的正确燃油量，它由浮子式的油位来控制。

当油位迫使浮子上升，指针阀门就关闭燃油开口，切断流进汽化器的燃油。