摘 要：由于我國(guó)在大型民用飛機(jī)液壓系統(tǒng)研制方面起步較晚，當(dāng)前從液壓元附件級(jí)到整個(gè)液壓系統(tǒng)級(jí)的供應(yīng)商基本均為國(guó)外供應(yīng)商的狀態(tài)下，如要自主開(kāi)發(fā)可靠的大型民用飛機(jī)液壓系統(tǒng)和進(jìn)行飛機(jī)級(jí)的集成則有必要進(jìn)行民用飛機(jī)液壓系統(tǒng)的發(fā)展趨勢(shì)的分析探討。

關(guān)鍵詞：民用飛機(jī)；液壓系統(tǒng)；發(fā)展趨勢(shì)

1 民用飛機(jī)液壓系統(tǒng)現(xiàn)狀

1.1 國(guó)外民機(jī)液壓系統(tǒng)現(xiàn)狀

當(dāng)前民用航空市場(chǎng)，主流機(jī)型為空客公司A320與波音公司B737，作為150座級(jí)雙發(fā)單通道干線客機(jī)，其液壓系統(tǒng)各有特點(diǎn)。

空客A320系列，其液壓系統(tǒng)由3套閉式獨(dú)立的液壓源組成，分別用綠、黃、藍(lán)來(lái)表示，其架構(gòu)設(shè)計(jì)可保證2個(gè)液壓系統(tǒng)失效情況下飛機(jī)的安全操作。綠、黃兩套系統(tǒng)中發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)泵（EDP）和藍(lán)系統(tǒng)中的電動(dòng)泵（EMP）在正常情況下作為系統(tǒng)主泵，三個(gè)系統(tǒng)主泵通常設(shè)置為開(kāi)機(jī)自動(dòng)啟動(dòng)，黃系統(tǒng)中的電動(dòng)泵（EMP）只在大流量或主泵故障時(shí)啟動(dòng)。藍(lán)系統(tǒng)作為備份系統(tǒng)，通過(guò)與沖壓空氣渦輪（RAT）聯(lián)結(jié)的液壓泵為藍(lán)系統(tǒng)提供應(yīng)急壓力；當(dāng)綠、黃兩套系統(tǒng)一個(gè)EDP失壓后，動(dòng)力轉(zhuǎn)換單元（PTU）可自動(dòng)啟動(dòng)，由一套為另一套故障系統(tǒng)提供壓力；系統(tǒng)中設(shè)置有優(yōu)先閥，用于在系統(tǒng)低壓情況下，優(yōu)先向優(yōu)先級(jí)液壓用戶提供壓力。

波音B737系列，同樣有3套獨(dú)立的液壓系統(tǒng)組成，分別為A、B系統(tǒng)和備用系統(tǒng)。A、B系統(tǒng)是主液壓系統(tǒng)，其配置為一個(gè)EDP與一個(gè)EMP組成，正常壓力由EDP提供，當(dāng)EDP失效時(shí)，由EMP補(bǔ)充壓力；備用系統(tǒng)由EMP為飛機(jī)提供動(dòng)力；與A320不同的是，B737的PTU為單向動(dòng)力傳遞，當(dāng)B系統(tǒng)壓力低于系統(tǒng)預(yù)設(shè)值時(shí)，PTU啟動(dòng)，將A系統(tǒng)的動(dòng)力通過(guò)機(jī)械傳遞方式給B系統(tǒng)。

除以上兩款傳統(tǒng)機(jī)型外，最新投入市場(chǎng)的空客公司A380與波音公司B787，則代表了新型客機(jī)的最新技術(shù)，其液壓系統(tǒng)體現(xiàn)了未來(lái)民用飛機(jī)的發(fā)展方向。

空客A380，是空客公司的四發(fā)、遠(yuǎn)程、超大型寬體客機(jī)，率先在大型客機(jī)上應(yīng)用5000psi（35MPa壓力等級(jí)）的高壓液壓系統(tǒng)技術(shù)。同時(shí)，以EHA/EBHA系統(tǒng)來(lái)控制主飛行控制舵面，從而減少了一套液壓系統(tǒng)，由于EHA/EBHA布置在執(zhí)行器的附近，因而使驅(qū)動(dòng)舵面的反應(yīng)速度更快，結(jié)合分散式電液能源系統(tǒng)LEHGS等新型技術(shù)，以多電、多控制技術(shù)代替?zhèn)鹘y(tǒng)的液壓伺服控制系統(tǒng)，使得系統(tǒng)設(shè)計(jì)從傳統(tǒng)分配式模式向分布式模式轉(zhuǎn)變，簡(jiǎn)化了液壓管路的布置，減少了液壓元件與管路的使用，降低了飛機(jī)重量，并提高了用戶系統(tǒng)的響應(yīng)速度。A380采用了液壓系統(tǒng)加電系統(tǒng)的雙體系結(jié)構(gòu)的飛行控制系統(tǒng)。2套液壓系統(tǒng)和2套電系統(tǒng)共四套系統(tǒng)均是相互獨(dú)立的，結(jié)構(gòu)布局為2H/2E。其中2H為傳統(tǒng)的液壓動(dòng)力作動(dòng)系統(tǒng)，由8臺(tái)液壓驅(qū)動(dòng)泵（EDP）和4臺(tái)帶電控及電保護(hù)的電動(dòng)泵（EMP）組成兩主液壓系統(tǒng)的液壓能源，為飛機(jī)液壓系統(tǒng)的飛控系統(tǒng)、起落架系統(tǒng)等用戶提供液壓能源。所有EDP通過(guò)離合器與發(fā)動(dòng)機(jī)相連，單獨(dú)關(guān)閉任何一個(gè)EDP都不會(huì)影響其他EDP工作及系統(tǒng)級(jí)性能，即便有一個(gè)不工作，飛機(jī)仍可被放行。2E為電控的分布式電液作動(dòng)器系統(tǒng)，由電液作動(dòng)器與備用電液作動(dòng)器組成。2H/2E共4套系統(tǒng)中的任一系統(tǒng)均可對(duì)飛機(jī)進(jìn)行單獨(dú)控制，進(jìn)一步提高了A380液壓系統(tǒng)的獨(dú)立性、冗余度和可靠性。

B787是波音公司的雙發(fā)、200～300座級(jí)、中型寬體客機(jī)，同樣采用高壓液壓系統(tǒng)（系統(tǒng)工作壓力5000psi）來(lái)降低液壓系統(tǒng)的系統(tǒng)重量。同時(shí)液壓泵具有兩級(jí)轉(zhuǎn)速，具有智能液壓泵源的特點(diǎn)。其液壓系統(tǒng)仍由左、中、右三套獨(dú)立系統(tǒng)構(gòu)成，其中左、右液壓系統(tǒng)各由兩臺(tái)液壓泵（一臺(tái)EDP和一臺(tái)EMP）來(lái)提供系統(tǒng)壓力，其中EDP在飛行時(shí)全程工作，EMP僅在起飛和著陸時(shí)工作，中系統(tǒng)由兩臺(tái)EMP和一臺(tái)渦輪沖壓泵（RAT）來(lái)提供壓力。B787液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)體現(xiàn)了未來(lái)多電飛機(jī)的發(fā)展趨勢(shì)，與B737相比，由于B787采用電機(jī)械（EMA）技術(shù)來(lái)控制部分飛行控制舵面，因此其液壓系統(tǒng)用戶相對(duì)減少。此外，B787采用電剎車系統(tǒng)來(lái)替代傳統(tǒng)的液壓剎車系統(tǒng)，剎車系統(tǒng)減少了液壓管路及相關(guān)油液泄漏保護(hù)裝置的設(shè)計(jì)，使系統(tǒng)得到大大簡(jiǎn)化，系統(tǒng)可靠性得到了提高；同時(shí)由于沒(méi)有液壓管路，降低了維修成本。總的來(lái)說(shuō)，B787飛機(jī)是由傳統(tǒng)的飛機(jī)系統(tǒng)概念向多電系統(tǒng)概念發(fā)展的創(chuàng)新機(jī)型。

1.2 國(guó)內(nèi)民機(jī)液壓系統(tǒng)現(xiàn)狀

近年來(lái)國(guó)內(nèi)在航空液壓技術(shù)方面取得的進(jìn)展主要有以下幾方面。

1.2.1 在高壓液壓系統(tǒng)研制方面，我國(guó)對(duì)4000psi液壓系統(tǒng)的管路動(dòng)態(tài)特性、高壓液壓元件的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與分析、計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)與仿真、智能泵源與變壓力泵源等，進(jìn)行了廣泛深入的研究，并取得了重要成果；當(dāng)前已經(jīng)研制了兩級(jí)壓力體制的液壓泵，并完成了臺(tái)架試驗(yàn)。

1.2.2 在新型作動(dòng)器的研制方面，我國(guó)在直接驅(qū)動(dòng)式作動(dòng)器的研究上取得了一定的突破，完成了地面原理樣機(jī)的研制，并開(kāi)始在部分機(jī)型上裝機(jī)試用。對(duì)包括機(jī)電作動(dòng)器和電靜液作動(dòng)器在內(nèi)的功率電傳作動(dòng)器進(jìn)行了一系列原理性研究及原理樣機(jī)研制，取得了一定的成果，并且研制出了地面使用的小功率原理樣機(jī)。

1.2.3 在民用飛機(jī)液壓系統(tǒng)的系統(tǒng)集成上，中國(guó)商飛公司的ARJ21-700支線飛機(jī)的液壓系統(tǒng)采用3000psi的系統(tǒng)液壓壓力，并應(yīng)用了自增壓油箱技術(shù)，目前已經(jīng)過(guò)一系列地面和飛行試驗(yàn)驗(yàn)證，并即將取得CAAC頒發(fā)的適航合格證，是我國(guó)首款完全按照FAA/CAAC適航要求設(shè)計(jì)取證的飛機(jī)；中國(guó)商飛公司的C919大型干線客機(jī)，系統(tǒng)架構(gòu)與ARJ21-700飛機(jī)類似，但其采用了更先進(jìn)的可變頻調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速的交流電動(dòng)泵和油箱自動(dòng)排氣功能等新技術(shù)，目前正處于詳細(xì)設(shè)計(jì)及驗(yàn)證階段。

2 民用飛機(jī)液壓系統(tǒng)的發(fā)展趨勢(shì)

民用飛機(jī)液壓系統(tǒng)是支持飛機(jī)安全飛行、引導(dǎo)和進(jìn)近的重要的動(dòng)力系統(tǒng)，是飛機(jī)先進(jìn)程度的一個(gè)重要標(biāo)志，極大地影響到飛機(jī)的安全性、經(jīng)濟(jì)性。以未來(lái)先進(jìn)機(jī)型的發(fā)展趨勢(shì)來(lái)看，多電技術(shù)的應(yīng)用日益增多，機(jī)載液壓系統(tǒng)要求有更高功率/重量比和多能源協(xié)同優(yōu)化，使得機(jī)型的經(jīng)濟(jì)性大大提高；分布式液壓系統(tǒng)及功率電傳作動(dòng)系統(tǒng)，為民用飛機(jī)提供了更高的余度配置，進(jìn)一步提高了安全性和可靠性。

隨著多電技術(shù)、材料技術(shù)、制造技術(shù)與控制技術(shù)的迅速發(fā)展，液壓系統(tǒng)的發(fā)展總的趨勢(shì)是：低重量、小體積、高壓化、分布式架構(gòu)、主動(dòng)維護(hù)的故障診斷與健康管理、智能泵源系統(tǒng)，并且系統(tǒng)及其設(shè)備的地面維護(hù)更加容易。具體而言，有如下特點(diǎn)。

2.1 高壓化、低壓力脈動(dòng)

液壓系統(tǒng)的壓力級(jí)別是系統(tǒng)最基本參數(shù)之一，是液壓系統(tǒng)和液壓附件設(shè)計(jì)的最重要的依據(jù)。傳統(tǒng)主流飛機(jī)都采用3000psi（21MPa）液壓壓力級(jí)別，并已保持了40余年之久。目前最先進(jìn)的波音B787以及空客A380的工作壓力都由3000psi增加到5000psi。高壓化將有利縮小動(dòng)力元件尺寸、減輕液壓系統(tǒng)重量、提升飛機(jī)承載能力，但同時(shí)高壓化A380應(yīng)用5000psi高壓液壓系統(tǒng)技術(shù)后，為A380飛機(jī)減重1.4噸，同時(shí)提高了飛控系統(tǒng)的響應(yīng)速度。

另外，由于泵源出口的壓力脈動(dòng)引起的管路振動(dòng)可使得整個(gè)液壓系統(tǒng)最終導(dǎo)致失效。因此在對(duì)飛機(jī)液壓系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，必須進(jìn)一步優(yōu)化液壓泵及泵源管路的設(shè)計(jì)將系統(tǒng)壓力脈動(dòng)及管路振動(dòng)限制在允許的范圍內(nèi)。

2.2 分布式架構(gòu)

多電飛機(jī)是未來(lái)民用飛機(jī)的重要特征。通過(guò)電液作動(dòng)器將液壓系統(tǒng)與其用戶集成于同一部件內(nèi)，從而將飛機(jī)上的各小功率作動(dòng)子系統(tǒng)進(jìn)行分散。分散式的電液能源系統(tǒng)則通過(guò)微型泵技術(shù)為大功率用戶提供動(dòng)力，并對(duì)負(fù)載用戶進(jìn)行控制。

A380的飛行控制系統(tǒng)雙體系結(jié)構(gòu)中的分布式電液作動(dòng)器系統(tǒng)，用于取代早期空客機(jī)型的備份系統(tǒng)，其任何一套都可以對(duì)飛機(jī)進(jìn)行單獨(dú)控制，大大減少了液壓元件與液壓管路，降低了飛機(jī)重量，減少能量消耗，提高了飛機(jī)的維護(hù)性，并使液壓系統(tǒng)的獨(dú)立性、冗余度和可靠性達(dá)到新的高度。

值得注意的是，現(xiàn)役的其他空客機(jī)型的電傳作動(dòng)系統(tǒng)至今仍然是以主動(dòng)/備用作動(dòng)器布局為基礎(chǔ)。為A380選擇的多電結(jié)構(gòu)也堅(jiān)持這個(gè)原則，只是它使用的備用作動(dòng)器是EHA，但是主動(dòng)作動(dòng)器仍然是常規(guī)的液壓伺服控制。

2.3 主動(dòng)維護(hù)的故障診斷與健康管理

目前事故的很大部分是由人的因素造成的，所以進(jìn)行維護(hù)的故障診斷與健康管理，是解決飛行安全的方向之一。

應(yīng)用電子技術(shù)和軟件技術(shù)對(duì)液壓系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)測(cè)、故障診斷和管理，故障診斷與健康管理實(shí)現(xiàn)了從基于傳感器的反應(yīng)式事后維修到基于智能系統(tǒng)的先導(dǎo)式視情維修轉(zhuǎn)變，通過(guò)對(duì)系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)和管理實(shí)現(xiàn)對(duì)故障的預(yù)測(cè)，進(jìn)而提高工作效率，降低故障發(fā)生率等。

要實(shí)現(xiàn)主動(dòng)維護(hù)技術(shù)，主要難點(diǎn)是如何在有限傳感器基礎(chǔ)上對(duì)所檢測(cè)的液壓系統(tǒng)狀況進(jìn)行智能判別，必須要加強(qiáng)液壓系統(tǒng)故障專家診斷方法的研究，如研究多傳感器信息融合故障檢測(cè)和健康診斷算法等。

目前，龐巴迪正在為其C系列飛機(jī)研發(fā)中央維護(hù)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，該系統(tǒng)將提供整機(jī)的實(shí)時(shí)信息，以此確保獲得增強(qiáng)的診斷和預(yù)報(bào)消息。該系統(tǒng)的作用在于降低C系列飛機(jī)的直接維修成本。龐巴迪預(yù)計(jì)，該110/130座的C系列飛機(jī)在維修成本方面將比在產(chǎn)中的競(jìng)爭(zhēng)型號(hào)（空客A319，波音737-600和Embraer的E195）低28%。同時(shí)，龐巴迪承諾，其C系列將配備的實(shí)時(shí)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，該系統(tǒng)將用以向飛行中的飛機(jī)傳輸或者接收數(shù)據(jù)。

2.4 智能泵源系統(tǒng)

目前飛機(jī)液壓系統(tǒng)中的EDP和EMP大多為恒壓變量柱塞泵，系統(tǒng)壓力設(shè)定為負(fù)載的最大值；柱塞泵不能根據(jù)飛行負(fù)載變化輸出不同壓力值，由此帶來(lái)了能量的浪費(fèi)。通過(guò)采用可實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)負(fù)載狀態(tài)的智能泵源系統(tǒng)，調(diào)節(jié)液壓系統(tǒng)不同工況下的系統(tǒng)壓力及流量，從而降低系統(tǒng)的損耗功率，進(jìn)一步減小恒壓變量泵液壓系統(tǒng)的溫升問(wèn)題，提高飛機(jī)液壓系統(tǒng)的工作可靠性和減少故障發(fā)生率等。其關(guān)鍵技術(shù)主要涉及變壓力/變流量技術(shù)、負(fù)載敏感技術(shù)、智能控制技術(shù)等。

2.5 油箱自增壓技術(shù)

傳統(tǒng)大多數(shù)飛機(jī)如A320/B737等，均是通過(guò)來(lái)自發(fā)動(dòng)機(jī)的壓縮空氣對(duì)液壓系統(tǒng)的油箱進(jìn)行增壓；油箱內(nèi)壓力油與空氣間沒(méi)有隔膜，多余氣體自動(dòng)經(jīng)溢流閥排氣。這種油箱需要大量的引氣管路、水分離器以及油箱增壓組件，導(dǎo)致系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，增加系統(tǒng)重量。自增壓式油箱通過(guò)油箱結(jié)構(gòu)的創(chuàng)新設(shè)計(jì)避免了油箱引氣增壓系統(tǒng)帶來(lái)的系統(tǒng)復(fù)雜，管路繁多的缺點(diǎn)，使得油箱增壓系統(tǒng)得以簡(jiǎn)化。目前波音B787及我國(guó)自主研發(fā)的ARJ21飛機(jī)上都應(yīng)用了自增壓油箱技術(shù)。

3 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)分析當(dāng)今歐美現(xiàn)役和國(guó)內(nèi)在研的民用飛機(jī)的技術(shù)現(xiàn)狀，飛機(jī)液壓系統(tǒng)要想獲得更進(jìn)一步的發(fā)展，必須在高壓化、低壓力脈動(dòng)、智能化泵源、分布式架構(gòu)、故障診斷及健康管理技術(shù)等方面展開(kāi)更深入的研究。

作者簡(jiǎn)介：馮軼博，工程師，主要從事飛機(jī)液壓系統(tǒng)和起落架控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)工作。