环球视点！【趣聊航空】飞行员如何操纵上百吨的飞机？“四两拨千斤”的液压系统了解下

【趣聊航空】

早期飞机由于重量较轻，飞行速度也不快，飞行员靠自身的力量去操纵驾驶杆、踩踏脚蹬就能够拉的动钢索或传动杆，进而带动飞机上升降舵等舵面的偏转，改变飞行姿态。

(相关资料图)

但在两次世界大战的刺激和推动下，航空技术空前发展，飞行速度和飞机的重量急速提升，飞行速度从16Km/h，提高到了近800Km/h，重量也由最初的340Kg增加到了几十乃至上百吨，这时，舵面的操纵力矩也由几十公斤增长到了上百公斤，再单纯依靠飞行员一膀子力气已无法克服舵面的操纵力矩，飞机液压系统也就应运而生了。

飞机液压系统就是通过液体压力来传递力和运动，实现对飞行员操纵力的放大，从而达到“四两拨千斤”的效果。

那么，飞机液压系统为什么能“四两拨千斤”呢？

要弄清楚这个问题就必须要明白：什么是液体压力？液压是如何传递力和运动的？又是如何实现对力的放大的？

液体压力是由于液体自身重力和施加在液体上的外部压力综合作用的结果。液压的单位Pa，表示的是作用在单位面积液体上力的大小（N/m2），这里的压力在物理学上实际是压强的概念，在液压工程中，我们一般提到压力不是指力的大小而是指压强的概念。

我们来看这样一个水箱，根据中学物理知识，液体中某一点的压力p=p0+ρgh，p0指的是液面上的外压力，ρ是指液体的密度，g是重力加速度，h是这一点距液面的高度。

此时，如果我们在液面上加一个不计重量、底面积为S的活塞，并在活塞上施加大小为F的力，此时，P点的压力变为F/S+ρgh，如果水箱的液面不高或者外力很大，也就是当F/S>>ρgh时，ρgh可以忽略，此时液体压力p=F/S，并且，忽略了ρgh之后，我们可以认为液体中的压力处处相等，这实际就是液压传动的基础——“帕斯卡原理”。

实际上，早在17世纪，法国科学家帕斯卡在研究水压机时就总结出这一原理：“液体在一个密闭容器中，如果对液体的某一部分施加压力，液体就可以把这个压力不变地传到容器的每一点。”

此时，如果把水箱横过来，将管底也换成与面积同为S的活塞，那么，活塞②也会受到大小为p的压强，就好像将活塞①产生的压强传递给了活塞②一样，由于两个活塞的面积同为S，所以活塞②也受到大小为F的力。

此时，如果将活塞②的面积增大为原来的n倍，则输出的力F’=p*nS=nF，也就是将输入力放大了，这就起到了“四两拨千斤”的神奇功效了。

但是，飞机上寸土寸金，空间极其有限，因此不能无限增大输出活塞的面积，那还能通过什么方式提高输出力呢？

同学们可能已经想到了，还可以通过提高系统压力来提高系统做功能力。事实上，为了压缩液压系统的体积和重量，飞机液压系统已经从一代机的21MPa，发展到了苏-27等三代机使用的28MPa，而目前，液压系统压力还在朝着更高的压力水平迈进。

讲了这么多，飞机液压系统到底有哪些用途呢？

液压系统对飞机而言至关重要，它就像人体的供血系统一样，通过遍布飞机的“血管”驱动肌肉组织（也就是作动筒）的运动，这样就能很轻松的实现收放起落架、操纵前轮转弯、操纵舵面偏转等很多人力难以完成的动作。

审核：郁大照（海军航空大学）

撰稿：宋山松

策划：吴玉良 周坚毅 宋雅娟 肖春芳

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出品：中国科协科普部 海军航空大学 光明网