Почему в большинстве коммерческих самолетов используется гидравлика вместо электродвигателей/серводвигателей?

Я уверен, что можно использовать серводвигатели для точного управления элеронами, рулем высоты или рулем направления.

Нет, это не так. Приводы первичных органов управления полетом требуют как достаточно больших усилий, так и быстрого отклика. Электродвигатели могут обеспечить и то и другое, но и то, и другое одновременно является проблемой. Гидравлика по-прежнему лучше для этой комбинации.

Обратите внимание, что другие приводы, которым не требуется быстрое время отклика (например, закрылки, шасси или носовая часть горизонтального стабилизатора (триммер руля высоты)) на некоторых самолетах являются электрическими.

Как уже упоминалось, гидравлические системы быстрые и мощные, но вы также должны учитывать, насколько они чрезвычайно эффективны и просты. Снижение сложности снижает затраты на техническое обслуживание, что является важным фактором. Закрылки, триммеры и створки шасси — единственные подходящие места для использования двигателей.

Я считаю, что конкретным примером, который вы ищете, была авария Sioux City DC 10 в 80-х годах ( https://en.wikipedia.org/wiki/United_Airlines_Flight_232 ). Ахиллесова пята DC10 заключалась в том, что все гидравлические линии проходили параллельно друг другу в одной части хвостовой части. Когда хвостовой двигатель потерпел катастрофический отказ, лопасти вентилятора пробили все 3 (?) гидролинии, что привело к полному выходу из строя гидросистемы. С тех пор самолеты разрабатывались с гидравлическими линиями, проложенными в разных местах и ​​дальше друг от друга (т. е. с разных сторон руля направления), чтобы предотвратить полный отказ системы управления полетом.

Соотношение веса и мощности приводов, но все быстро меняется.

Основным преимуществом гидравлического управления полетом по сравнению с электрическим является простой способ распределения мощности гидравлики. Один большой насос может быть установлен на двигатель или двигатель и генерировать энергию для нескольких небольших и легких гидравлических приводов.

У гидравлики есть недостаток, заключающийся в том, что повреждение гидравлических труб может привести к потере управления.

Верно, однако это скорее проблема, связанная с центральной/распределенной архитектурой. В существующих самолетах электричество также вырабатывается генераторами, подключенными к двигателю, а затем распределяется по линиям электропередач с частотой 400 Гц.

Какие проблемы с использованием электродвигателей? Если используется, каковы проблемы безопасности? С точки зрения безопасности, насколько они отличаются от гидравлики?

• Электрические приводы по-прежнему тяжелее гидравлических: им требуются магнитные поля и металл, чтобы преобразовать электрическую энергию в механическую, в то время как гидравлическому приводу требуется только поверхность, на которую масло может проталкиваться. Но отношение мощности к весу электрических приводов быстро растет.
• Соображения безопасности: меньше для электрического срабатывания, так как оно пассивно. Гидравлический привод может выйти из строя, если сервоклапан застрянет, приводя привод в крайнее положение.

Обратите внимание, что движение симулятора раньше выполнялось с помощью гидравлических приводов. Гидравлические приводы будут издавать слышимое шипение и требовать обслуживания для предотвращения утечек масла. Гидравлическая жидкость в этих системах была на нефтяной основе, а для самолетов - на синтетической, не горючей, но очень коррозионной, требующей специальных мер защиты в самолетах.

Каждый инженер и техник знает, кто работал как с гидравлическим, так и с электрическим приводом, и ликовал, когда произошел переход гидравлический => электрический, что намного проще в обращении, настройке и обслуживании.

В самолетах используется гидравлика из-за огромного давления на поверхности управления во время полета. Гидравлические системы могут выдерживать более высокие нагрузки, чем двигатели аналогичного размера. Электродвигатель может «застрять», когда он сталкивается с нагрузкой, превышающей его возможности перемещения, что может привести к аварии, если это произойдет в самолете.

Электромеханические (ЭМ) приводы действительно могут заменить обычные гидравлические приводы. Существует также промежуточный электрогидравлический привод (ЭГА), который состоит из местного электронасоса и поршневого привода. Управление осуществляется с помощью серводвигателя, а не гидравлического сервоклапана. EHA используются как часть всех основных поверхностей самолетов Airbus A380 и A350.

Боинг 787 использует приводы EM для отделки стабилизатора и спойлеров среднего борта.

В документе Airbus об электрогидравлической архитектуре A380 они указывают, что их основные проблемы с электромеханическими приводами связаны с механической передачей между двигателем и поверхностью.

В частности, они отмечают, что приводы EM требуют зубчатых передач, которые трудно оценить на предмет риска заедания и отказа. Они также обеспокоены тем, что когда зубчатая передача изнашивается, она будет иметь провисание, что может привести к колебаниям предельного цикла. Наконец, они говорят, что с помощью EHA их можно заставить работать в качестве демпфера в режиме ожидания и в режиме отказа, что упрощает интеграцию с существующими гидравлическими системами.

Электромеханические приводы могут выполнять функции основного управления полетом. Плотность мощности BLDC и современная силовая электроника контроллера могут хорошо подходить для этой роли, но гидравлический привод имеет значительное преимущество в наследии. Я знаю об эксперименте пару десятилетий назад, когда на половине F-18 заменили гидравлические приводы, чтобы ответить только на этот вопрос:

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

По мере того, как самолеты движутся к «более электрической» архитектуре, может быть больше стремления к EMA во всем, чтобы минимизировать требуемую сантехнику, техническое обслуживание и вес системы гидравлики или EHA. Тем не менее, авиастроители, как правило, довольно консервативны...