航空发动机燃油与控制系统的研究与展望_张绍基
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图 2 发动机燃油与控制系统的质量分布
5 FADEC 技术的发展
目前 FADEC 技术的新发展表现在以下方面。 ( 1) 传感器和执行机构 传感器数量的不断增加带来发动机电缆和配线 质量的不断增加, 传感器和执行机构的质量在发动 机燃油与控制系统中占有很大的比例, 如图 2 所示。 目前传感器的发展方向是研制新型的光纤传感器和 智能传感器, 以适应未来光纤通讯和分布式控制系 统在航空发动机上的应用。液压机械式执行机构趋 向简单、可靠和通用化, 大大减小了体积和质量。 ( 2) 微处理机和数据通讯 微电子技术的飞速发展促进了 FADEC 系统的 电子硬件的不断更新和小型化, 集成度的增加则提 高了其可靠性。飞机通讯系统趋于用 1 条总线的结
高性能、高推比发动机的发展对加力燃油泵提 出了大流量、高转速、高压比、耐高温、抗振和工作可 靠性高等要求。用于各类航空发动机的加力燃油泵 有柱塞泵、离心泵 和汽心泵。俄罗 斯的 P29- 300 发动机加力燃油系统采用两泵三用的设计方案, 即 主泵( 柱塞泵) 提供主系统及小加力燃油, 加力泵( 离 心泵) 提供小加力以上的燃油; 当主泵出现故障时, 主系统及加力燃油系统共用加力离心泵, 这样既解 决了离心泵的小流量温升高、压力摆动大的问题, 也 增加了主系统的余度, 并且简化了结构, 增强了系统
目前世界各国研制的航空发动机燃油增压泵普 遍采用离心式, 多数为独立传动, 也有少数与主泵组 合在一个壳体里。增压能力一般为 0. 3~ 0. 8MPa, 其 稳定工作流量范围从发动机起动流量至最大需用流 量, 最大流量设计值一般选在发动机最大需用流量 的 1. 2~ 1. 5 倍。 21112 主燃油泵
二元收扩 喷管
( 2D/ CD)
F 100- PW 2 29 ( F15 - ACT IVE)
轴对称矢 量喷管
( P/ YBBN)
推力角
矢量角 控制速率
作动筒个数 及控制方式
? 20b
20b( 360b 范围内)
6 个电液 伺服阀, 控 制 6 个作动筒, 组成 3 个独立 的驱 动系 统 ( 收 敛 部 分, 上、下 扩 散板)
3 个 液压 作 动筒 控 制扩散段, 3 个空 气作 动筒控制收敛段
F 110- GE 1 29
( F16)
轴对称矢 量喷管
( AVEN)
- 31 ( Å- 37)
轴对称矢 量喷管, 俯仰运动
17b~ 20b ( 360b范 围内)
? 15b
60b/ s
3 个 液压 作 动筒 调 节扩散 段 A 9, 4 个 液 压作动 筒调 节收 敛
4 喷管控制系统日趋复杂
411 喷管油源泵的研究 发动机尾喷管控制通常选用液压油、滑油或燃
油作为工作介质。由于液压油和滑油的黏度大、润 滑性能好, 因此容易泵压到较高的压力水平, 以驱动 高气动负荷的尾喷管。液压油源通常借用飞机液压 系统的液压油, 这种方案的好处是发动机无需设立 独立的油源系统, 缺点是由于发动机与飞机共用液 压油源, 会对飞机操纵系统的动态特性产生不利影 响和污染飞机的液压系统。英国斯贝发动机尾喷管 采用独立的滑油系统, 能够较好地完成喷管的控制 任务。但是由于增加了油源系统( 油箱、油泵、油滤 等) , 使系统和结构更加复杂。目前多数发动机喷管 控制系统采用燃油作为工作介质, 喷管油源泵多选 用高压柱塞泵, 如 - 31发动机的喷管油源泵 最大出口压力为 22M Pa, 最大流量为 3600L / h, 并且 已研制出在泵质量( 8. 5kg ) 不变情况下, 流量提高到 4800L / h, 首翻期由 300h 提高到 1000h 的喷管油源 泵。 4. 2 喷管控制系统的研究
2003 年第 29 卷第 3 期
航 空发 动机
1
航空发动机燃油与控制系统的 研究与展望
张绍基 ( 沈阳发动机设计研究所, 沈阳 110015)
摘要: 归纳和分析了国内外军用航空发动机燃油与控制系统的 研制现状 和今后的发 展方向, 简要介 绍和评述 了主燃油控制、加力燃 油控制、尾喷口控制、防 喘控制、发动 机状态 监视, 特别 是 FA DEC 系 统的技 术特点、方 案选择和研究动向。从中可以看出, 这些方面的技术进步推动了航空发动机的发展。 关键词: 航空发动机 燃油 控制系统
在航空发动机工作参数已达到很高水平的情况 下, 进一步提高动力装置性能的重要途径之一是实现 动力装置与飞机各系统的综合控制。20 世纪 80 年
4
航 空发 动机
2003 年第 29 卷第 3 期
代以来, 美、俄等航空技术先进国家在多状态飞机动 力装置的综合控制方面进行了深入的研究。可以预 测, 实现飞/ 发综合控制可以充分发挥发动机的潜能, 大大提高飞机在各种状态下的飞行推力和飞行机动 性[ 14~ 16] 。图 4 为飞/ 发综合控制系统结构简图。
随着飞机和发动机性能的不断提高, 使得对发 动机尾喷管的控制日趋复杂, 已由控制简单的收敛 喷管发展到控制收扩喷管的喉道面积( A 8) 和扩散 段面积( A 9) 。随着推力矢量喷管技术的发展, 又由 只控制喷管面积发展到既控制喷管面积又控制喷管 的转向( 俯仰喷管的上下摆动和轴对称喷管的 360b 的转向控制) [ 4, 5] 。
因此, 有必要对 21 世纪国外军用航空发动机燃 油与控制系统的研究和发展作一综合介绍和评述, 希望能对我国航空发动机的燃油与控制系统的发展 起到参考和借鉴作用。
2 主燃油百度文库制系统的现状和发展
主燃油控制系统是发动机控制系统的核心, 其 性能和可靠性决定了整个控制系统的优劣和发动机 的可靠性。
211 燃油泵的发展 21111 燃油增压泵
现代航空发动机的主控制系统主要用来控制主 燃烧室的供油量, 以调整发动机的推力。
目前应用的发动机控制系统的主要特性是采用 F ADEC 系统, 所有控制规律的实现、余度技术的管 理以及输入输出信号的处理均由 FADEC 系统来完 成, 如图 1 所示。未来的发动机控制系统将是由多 余度数字处理机管理的分布式控制系统。分布式控 制系统是由中央微处理机通过高速数据总线把各个 分系统( 含有智能传感器和智能执行机构) 组 合起 来, 完成各项发动机控制任务的先进控制系统。
为了适应系统结构简单、质量轻、温升少( 由于 泵的效率而引起的燃油温升) 以及可靠性高等要求,
2
航 空发 动机
2003 年第 29 卷第 3 期
泵油系统目前研究的方向趋于用质量较轻的离心泵 作为发动机的主燃油泵。离心泵不论是设计还是控 制都很简单, 只是在小流量工况下性能较差, 这在发 动机的起动过程中表现得特别明显, 主要的解决办 法就是单独配置 1 个起动泵, 另外一种较简单、省力 的解决办法是使用转速和流量可变的容积式泵, 这 是来来发动机燃油系统的研究方向。 212 主控制系统的发展
Abstract: T he r esearch and development of the aeroeng ine fuel and control systems, especially the FADEC technology, ar e r eview ed. I t w ill be seen from t his that these prog ressive technolog ies have been promoting the mo dern aeroengine development. Key words: aeroengine; fuel; control systems
Recent Research and Development of the Fuel and Control Systems in an Aeroengine
Zhang Shaoji ( Shenyang Aeroengine Research Inst it ut e, Shenyang 110015, China)
图 1 航空发动机控制装置的发展趋势
3 加力燃油控制系统的现状和发展
高性能战斗机的发动机加力燃油控制系统的性 能十分重要。发动机数字技术的发展以及新型复合 材料的应用, 使加力控制系统逐步向数字电子化、小 型化和一体化方向发展, 大大改善了军用航空发动 机的性能[ 3] 。 311 加力燃油泵的研究
1 引言
随着航空发动机技术的不断进步和性能的不断 提高, 燃油与控制系统也由简单到复杂, 并由液压机 械控制发展到全权限数字电子控制 ( FADEC) 。过 去, 军用航空发动机燃油与控制系统主要具备主、加 力燃油供油控制和发动机各种可变几何控制功能。 近年来, 由于 FADEC 技术的引入, 发动机状态监视 和故障诊断系统归入发动机控制系统。另外, 防喘 控制也越来越被航空发动机控制专家们所关注。
推力矢量技术目前已进入实用阶段, 推力矢量 喷管偏转角度指标在 15b~ 20b之间, 转向速度一般 为( 45b~ 60b) / s。各国典型推力矢量喷管及控制系 统的简况见表 1。
表 1 各国典型推力矢量喷管及控制系统的简况
发动机 ( 飞机)
矢量喷管 类型
F 100- PW 2 20 ( F15 STOL / M TD) F 119( F22)
推力矢量喷管的控制应由飞机控制系统和发动
张绍基: 航空发动机燃油与控制系统的研究与 展望
3
机控制系统的高度综合来实现, 此时发动机喷管控 制由 1 个自由度控制发展到 2 个或 3 个自由度的控 制。推力矢量喷管的控制指令由飞控系统下达, 发 动机控制系统由 FADEC 系统 ( 或液压机械 式喷管 调节器) 通过传统的收敛喉部面积作动系统( 1 组电 液伺服阀和作动筒) 和 1 套可以独立操纵喷管扩张 鳞片的作动系统( 3 组电液伺服阀和作动筒) 实现收 敛喉道面积和扩散段面积的位置控制, 满足飞机推 力矢量要求。
段, 改进了 FADEC 完 成上述控制
2 对 液压 作 动筒 控 制矢 量 喷 管 的 转 向, 原来的 16 个燃油作动 筒仍控制 A 8; 飞控 系 统( FCS) 直 接给 出 矢 量喷管转向的指令
构, 发动机控制器作为总线上的 1 个节点, 不再采用 点到点的串行通讯, 而是通过带余度的高速光纤数 据总线把发动机上的新型智能传感器和执行机构联 结起来, 大大地减少了电缆的数量和质量, 并提高了 系统的可靠性, 如图 3 所示。
目前世界各国研制的航空发动机的主燃油泵普 遍采用齿轮泵, 其优点是流量大、体积小、可靠性高。 另外, 高压柱塞泵作为主燃油泵也是一种合理的选 择, 例如英国斯贝发动机的主燃油泵就采用了变排 量的高压柱塞泵。最近俄罗斯研制了一种高压燃油 柱塞泵 - 85, 最大出口压力为 22M Pa, 最大流量 为 10000kg/ h, 既 可 作喷 口 油源 泵 又可 作 主燃 油 泵[ 1, 2] 。
图 3 目前和未来的发动机控制系统的联结
未来的发动机不仅有燃油控制、可变几何控制 功能, 还要有防喘控制、推力矢量喷管控制等功能。 同时发动机控 制系统要与发动机状态 监视系统综 合, 还要与飞控系统、火控系统综合。FADEC 系统 可以使发动机 在全包线范围内实现不 同的控制模 式、实施复杂的控制计划, 探索自适应控制、性能寻 优控制等各种先进的控制规律和算法, 同时也将大 大加快发动机综合控制系统的发展[ 6~ 13] 。
的可靠性。- 31发动机的加力燃油系统也采 用了上述设计方法, 并使主系统与加力系统功能的 相互转换日趋成熟。 3. 2 加力燃油计量装置的发展
FADEC 的优势已被世界各国航空界所关注, 但 液压机械式加力燃油计量装置以其特定的功能仍是 加力数控系统中必不可少的部分。为减轻质量, 俄 罗斯的 - 31发动机和法国的 M88 发动机的 加力燃油计量装置都选用了表面硬质阳极化的铝活 门和衬套, 而 - 31发动机主燃油调节器则大 量采用经热处理的硬度高、加工粗糙度要求高、形位 公差要求严的精密偶件。为减小体积, M88 发动机 的加力计量活门采用型面活门, 而俄罗斯的加力计 量装置则大量采用单凸台活门, 既减轻了质量, 又避 免了液动力等附加力的影响。
5 FADEC 技术的发展
目前 FADEC 技术的新发展表现在以下方面。 ( 1) 传感器和执行机构 传感器数量的不断增加带来发动机电缆和配线 质量的不断增加, 传感器和执行机构的质量在发动 机燃油与控制系统中占有很大的比例, 如图 2 所示。 目前传感器的发展方向是研制新型的光纤传感器和 智能传感器, 以适应未来光纤通讯和分布式控制系 统在航空发动机上的应用。液压机械式执行机构趋 向简单、可靠和通用化, 大大减小了体积和质量。 ( 2) 微处理机和数据通讯 微电子技术的飞速发展促进了 FADEC 系统的 电子硬件的不断更新和小型化, 集成度的增加则提 高了其可靠性。飞机通讯系统趋于用 1 条总线的结
高性能、高推比发动机的发展对加力燃油泵提 出了大流量、高转速、高压比、耐高温、抗振和工作可 靠性高等要求。用于各类航空发动机的加力燃油泵 有柱塞泵、离心泵 和汽心泵。俄罗 斯的 P29- 300 发动机加力燃油系统采用两泵三用的设计方案, 即 主泵( 柱塞泵) 提供主系统及小加力燃油, 加力泵( 离 心泵) 提供小加力以上的燃油; 当主泵出现故障时, 主系统及加力燃油系统共用加力离心泵, 这样既解 决了离心泵的小流量温升高、压力摆动大的问题, 也 增加了主系统的余度, 并且简化了结构, 增强了系统
目前世界各国研制的航空发动机燃油增压泵普 遍采用离心式, 多数为独立传动, 也有少数与主泵组 合在一个壳体里。增压能力一般为 0. 3~ 0. 8MPa, 其 稳定工作流量范围从发动机起动流量至最大需用流 量, 最大流量设计值一般选在发动机最大需用流量 的 1. 2~ 1. 5 倍。 21112 主燃油泵
二元收扩 喷管
( 2D/ CD)
F 100- PW 2 29 ( F15 - ACT IVE)
轴对称矢 量喷管
( P/ YBBN)
推力角
矢量角 控制速率
作动筒个数 及控制方式
? 20b
20b( 360b 范围内)
6 个电液 伺服阀, 控 制 6 个作动筒, 组成 3 个独立 的驱 动系 统 ( 收 敛 部 分, 上、下 扩 散板)
3 个 液压 作 动筒 控 制扩散段, 3 个空 气作 动筒控制收敛段
F 110- GE 1 29
( F16)
轴对称矢 量喷管
( AVEN)
- 31 ( Å- 37)
轴对称矢 量喷管, 俯仰运动
17b~ 20b ( 360b范 围内)
? 15b
60b/ s
3 个 液压 作 动筒 调 节扩散 段 A 9, 4 个 液 压作动 筒调 节收 敛
4 喷管控制系统日趋复杂
411 喷管油源泵的研究 发动机尾喷管控制通常选用液压油、滑油或燃
油作为工作介质。由于液压油和滑油的黏度大、润 滑性能好, 因此容易泵压到较高的压力水平, 以驱动 高气动负荷的尾喷管。液压油源通常借用飞机液压 系统的液压油, 这种方案的好处是发动机无需设立 独立的油源系统, 缺点是由于发动机与飞机共用液 压油源, 会对飞机操纵系统的动态特性产生不利影 响和污染飞机的液压系统。英国斯贝发动机尾喷管 采用独立的滑油系统, 能够较好地完成喷管的控制 任务。但是由于增加了油源系统( 油箱、油泵、油滤 等) , 使系统和结构更加复杂。目前多数发动机喷管 控制系统采用燃油作为工作介质, 喷管油源泵多选 用高压柱塞泵, 如 - 31发动机的喷管油源泵 最大出口压力为 22M Pa, 最大流量为 3600L / h, 并且 已研制出在泵质量( 8. 5kg ) 不变情况下, 流量提高到 4800L / h, 首翻期由 300h 提高到 1000h 的喷管油源 泵。 4. 2 喷管控制系统的研究
2003 年第 29 卷第 3 期
航 空发 动机
1
航空发动机燃油与控制系统的 研究与展望
张绍基 ( 沈阳发动机设计研究所, 沈阳 110015)
摘要: 归纳和分析了国内外军用航空发动机燃油与控制系统的 研制现状 和今后的发 展方向, 简要介 绍和评述 了主燃油控制、加力燃 油控制、尾喷口控制、防 喘控制、发动 机状态 监视, 特别 是 FA DEC 系 统的技 术特点、方 案选择和研究动向。从中可以看出, 这些方面的技术进步推动了航空发动机的发展。 关键词: 航空发动机 燃油 控制系统
在航空发动机工作参数已达到很高水平的情况 下, 进一步提高动力装置性能的重要途径之一是实现 动力装置与飞机各系统的综合控制。20 世纪 80 年
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航 空发 动机
2003 年第 29 卷第 3 期
代以来, 美、俄等航空技术先进国家在多状态飞机动 力装置的综合控制方面进行了深入的研究。可以预 测, 实现飞/ 发综合控制可以充分发挥发动机的潜能, 大大提高飞机在各种状态下的飞行推力和飞行机动 性[ 14~ 16] 。图 4 为飞/ 发综合控制系统结构简图。
随着飞机和发动机性能的不断提高, 使得对发 动机尾喷管的控制日趋复杂, 已由控制简单的收敛 喷管发展到控制收扩喷管的喉道面积( A 8) 和扩散 段面积( A 9) 。随着推力矢量喷管技术的发展, 又由 只控制喷管面积发展到既控制喷管面积又控制喷管 的转向( 俯仰喷管的上下摆动和轴对称喷管的 360b 的转向控制) [ 4, 5] 。
因此, 有必要对 21 世纪国外军用航空发动机燃 油与控制系统的研究和发展作一综合介绍和评述, 希望能对我国航空发动机的燃油与控制系统的发展 起到参考和借鉴作用。
2 主燃油百度文库制系统的现状和发展
主燃油控制系统是发动机控制系统的核心, 其 性能和可靠性决定了整个控制系统的优劣和发动机 的可靠性。
211 燃油泵的发展 21111 燃油增压泵
现代航空发动机的主控制系统主要用来控制主 燃烧室的供油量, 以调整发动机的推力。
目前应用的发动机控制系统的主要特性是采用 F ADEC 系统, 所有控制规律的实现、余度技术的管 理以及输入输出信号的处理均由 FADEC 系统来完 成, 如图 1 所示。未来的发动机控制系统将是由多 余度数字处理机管理的分布式控制系统。分布式控 制系统是由中央微处理机通过高速数据总线把各个 分系统( 含有智能传感器和智能执行机构) 组 合起 来, 完成各项发动机控制任务的先进控制系统。
为了适应系统结构简单、质量轻、温升少( 由于 泵的效率而引起的燃油温升) 以及可靠性高等要求,
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航 空发 动机
2003 年第 29 卷第 3 期
泵油系统目前研究的方向趋于用质量较轻的离心泵 作为发动机的主燃油泵。离心泵不论是设计还是控 制都很简单, 只是在小流量工况下性能较差, 这在发 动机的起动过程中表现得特别明显, 主要的解决办 法就是单独配置 1 个起动泵, 另外一种较简单、省力 的解决办法是使用转速和流量可变的容积式泵, 这 是来来发动机燃油系统的研究方向。 212 主控制系统的发展
Abstract: T he r esearch and development of the aeroeng ine fuel and control systems, especially the FADEC technology, ar e r eview ed. I t w ill be seen from t his that these prog ressive technolog ies have been promoting the mo dern aeroengine development. Key words: aeroengine; fuel; control systems
Recent Research and Development of the Fuel and Control Systems in an Aeroengine
Zhang Shaoji ( Shenyang Aeroengine Research Inst it ut e, Shenyang 110015, China)
图 1 航空发动机控制装置的发展趋势
3 加力燃油控制系统的现状和发展
高性能战斗机的发动机加力燃油控制系统的性 能十分重要。发动机数字技术的发展以及新型复合 材料的应用, 使加力控制系统逐步向数字电子化、小 型化和一体化方向发展, 大大改善了军用航空发动 机的性能[ 3] 。 311 加力燃油泵的研究
1 引言
随着航空发动机技术的不断进步和性能的不断 提高, 燃油与控制系统也由简单到复杂, 并由液压机 械控制发展到全权限数字电子控制 ( FADEC) 。过 去, 军用航空发动机燃油与控制系统主要具备主、加 力燃油供油控制和发动机各种可变几何控制功能。 近年来, 由于 FADEC 技术的引入, 发动机状态监视 和故障诊断系统归入发动机控制系统。另外, 防喘 控制也越来越被航空发动机控制专家们所关注。
推力矢量技术目前已进入实用阶段, 推力矢量 喷管偏转角度指标在 15b~ 20b之间, 转向速度一般 为( 45b~ 60b) / s。各国典型推力矢量喷管及控制系 统的简况见表 1。
表 1 各国典型推力矢量喷管及控制系统的简况
发动机 ( 飞机)
矢量喷管 类型
F 100- PW 2 20 ( F15 STOL / M TD) F 119( F22)
推力矢量喷管的控制应由飞机控制系统和发动
张绍基: 航空发动机燃油与控制系统的研究与 展望
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机控制系统的高度综合来实现, 此时发动机喷管控 制由 1 个自由度控制发展到 2 个或 3 个自由度的控 制。推力矢量喷管的控制指令由飞控系统下达, 发 动机控制系统由 FADEC 系统 ( 或液压机械 式喷管 调节器) 通过传统的收敛喉部面积作动系统( 1 组电 液伺服阀和作动筒) 和 1 套可以独立操纵喷管扩张 鳞片的作动系统( 3 组电液伺服阀和作动筒) 实现收 敛喉道面积和扩散段面积的位置控制, 满足飞机推 力矢量要求。
段, 改进了 FADEC 完 成上述控制
2 对 液压 作 动筒 控 制矢 量 喷 管 的 转 向, 原来的 16 个燃油作动 筒仍控制 A 8; 飞控 系 统( FCS) 直 接给 出 矢 量喷管转向的指令
构, 发动机控制器作为总线上的 1 个节点, 不再采用 点到点的串行通讯, 而是通过带余度的高速光纤数 据总线把发动机上的新型智能传感器和执行机构联 结起来, 大大地减少了电缆的数量和质量, 并提高了 系统的可靠性, 如图 3 所示。
目前世界各国研制的航空发动机的主燃油泵普 遍采用齿轮泵, 其优点是流量大、体积小、可靠性高。 另外, 高压柱塞泵作为主燃油泵也是一种合理的选 择, 例如英国斯贝发动机的主燃油泵就采用了变排 量的高压柱塞泵。最近俄罗斯研制了一种高压燃油 柱塞泵 - 85, 最大出口压力为 22M Pa, 最大流量 为 10000kg/ h, 既 可 作喷 口 油源 泵 又可 作 主燃 油 泵[ 1, 2] 。
图 3 目前和未来的发动机控制系统的联结
未来的发动机不仅有燃油控制、可变几何控制 功能, 还要有防喘控制、推力矢量喷管控制等功能。 同时发动机控 制系统要与发动机状态 监视系统综 合, 还要与飞控系统、火控系统综合。FADEC 系统 可以使发动机 在全包线范围内实现不 同的控制模 式、实施复杂的控制计划, 探索自适应控制、性能寻 优控制等各种先进的控制规律和算法, 同时也将大 大加快发动机综合控制系统的发展[ 6~ 13] 。
的可靠性。- 31发动机的加力燃油系统也采 用了上述设计方法, 并使主系统与加力系统功能的 相互转换日趋成熟。 3. 2 加力燃油计量装置的发展
FADEC 的优势已被世界各国航空界所关注, 但 液压机械式加力燃油计量装置以其特定的功能仍是 加力数控系统中必不可少的部分。为减轻质量, 俄 罗斯的 - 31发动机和法国的 M88 发动机的 加力燃油计量装置都选用了表面硬质阳极化的铝活 门和衬套, 而 - 31发动机主燃油调节器则大 量采用经热处理的硬度高、加工粗糙度要求高、形位 公差要求严的精密偶件。为减小体积, M88 发动机 的加力计量活门采用型面活门, 而俄罗斯的加力计 量装置则大量采用单凸台活门, 既减轻了质量, 又避 免了液动力等附加力的影响。