陳寶琦

摘 要：目前民用飛機(jī)液壓系統(tǒng)為保障安全性和操作性，在設(shè)計(jì)時(shí)通常會(huì)采用冗余和備份技術(shù)，但同時(shí)也會(huì)帶來成本、重量和復(fù)雜性的問題。該文通過對波音和空客多款機(jī)型機(jī)載液壓系統(tǒng)的研究，重點(diǎn)分析泵源、余度配置、替換邏輯與系統(tǒng)布局方案，總結(jié)了其液壓系統(tǒng)體結(jié)構(gòu)、冗余備份等方面的技術(shù)現(xiàn)狀，指出未來民機(jī)液壓系統(tǒng)應(yīng)具有單源系統(tǒng)向多源系統(tǒng)發(fā)展、系統(tǒng)獨(dú)立性提升、多電化和分布式、控制技術(shù)和健康監(jiān)測技術(shù)的應(yīng)用以及高壓化低壓力脈動(dòng)的發(fā)展趨勢。

關(guān)鍵詞：民用飛機(jī) 液壓系統(tǒng) 布局分析 發(fā)展趨勢

中圖分類號：V22 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1672-3791（2015）07（a）-0069-03

隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和社會(huì)的繁榮，我國民航產(chǎn)業(yè)每年都以超過10%的增速快速增長，現(xiàn)已成為世界第二大民用航空市場。但作為航空大國，我國在大型民用飛機(jī)液壓系統(tǒng)的研制方面卻是剛剛起步，從元件級到系統(tǒng)級基本由國外供應(yīng)商壟斷，國內(nèi)市場的供給量與巨大的需求極不匹配。

研制高效可靠的大型民用飛機(jī)液壓系統(tǒng)，不僅可以在產(chǎn)品層級上為飛機(jī)減輕重量，提高安全性和效率，還可帶動(dòng)諸如新材料、電子、能源、精密制造等一系列相關(guān)的高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，關(guān)系到整個(gè)國家航空系統(tǒng)集成能力的提高。

1 液壓系統(tǒng)的定義及組成

按照ATA100（航空產(chǎn)品技術(shù)資料編寫規(guī)范）的定義，民機(jī)液壓系統(tǒng)是指使液壓油在壓力下供至公共點(diǎn)以便再行分配到其它規(guī)定系統(tǒng)的部件和零件。民用飛機(jī)液壓系統(tǒng)按功能可分為液壓能源系統(tǒng)和工作回路兩個(gè)部分。液壓能源系統(tǒng)為飛機(jī)上所有使用液壓驅(qū)動(dòng)的活動(dòng)部位提供液壓能源，并保證卸荷與散熱等方面的要求。液壓能源系統(tǒng)主要由泵源、能量轉(zhuǎn)換裝置、油箱、控制閥、管路及指示系統(tǒng)等組成。

2 典型民機(jī)液壓系統(tǒng)技術(shù)現(xiàn)狀

波音和空客是目前世界民航市場上兩大巨頭，均有多款產(chǎn)品在市場上獲得巨大成功，具有極高的研究價(jià)值。

2.1 波音飛機(jī)液壓系統(tǒng)的特點(diǎn)

波音公司的發(fā)展基本涵蓋了整個(gè)民航發(fā)展歷史，期間推出的多款機(jī)型均可代表不同時(shí)期民機(jī)液壓系統(tǒng)的設(shè)計(jì)理念和先進(jìn)技術(shù)。表1展示了波音各機(jī)型液壓系統(tǒng)泵源配置的變化歷程。該文選取其主流機(jī)型波音737和先進(jìn)機(jī)型波音787進(jìn)行詳細(xì)分析。

2.1.1 波音737液壓系統(tǒng)

波音737是波音公司研制的中短程客機(jī)，是世界航空史上最成功的民航客機(jī)。B737飛機(jī)擁有A、B和備份3套獨(dú)立的液壓系統(tǒng)，工作壓力為3000psi。其中A、B系統(tǒng)為常規(guī)系統(tǒng)，在飛行過程中總是處于工作狀態(tài)，為飛控、襟/縫翼、起落架和機(jī)輪剎車等提供動(dòng)力，備用系統(tǒng)只在必要時(shí)才啟用，僅為方向舵、反推和前緣裝置提供動(dòng)力。

早期型號B737-100/200的A系統(tǒng)有兩臺發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)泵EDP，B系統(tǒng)有兩臺電動(dòng)泵EMP，備用系統(tǒng)為一臺EMP，且沒有動(dòng)力轉(zhuǎn)換裝置PTU，B系統(tǒng)可通過互聯(lián)閥直接向A系統(tǒng)單向增壓。油箱增壓系統(tǒng)使用發(fā)動(dòng)機(jī)引氣增壓，氣壓進(jìn)入A系統(tǒng)油箱后，三個(gè)系統(tǒng)油箱通過壓力平衡管串聯(lián)從而達(dá)到全部增壓的目的。

后續(xù)型號B737-300/400/500及NG系列中，對系統(tǒng)的泵源配置做出了改進(jìn)，A、B系統(tǒng)各有一臺EDP和一臺EMP，備用系統(tǒng)為一臺EMP，可有效避免共因故障，提高了可靠性；另外A、B系統(tǒng)間配置了PTU，可利用A系統(tǒng)對B系統(tǒng)部分增壓，實(shí)現(xiàn)對襟/縫翼的供能；油箱采用兩套獨(dú)立的油箱增壓系統(tǒng)，A系統(tǒng)油箱獨(dú)立，B系統(tǒng)油箱與備用油箱通過平衡管連通，并采用氣壓集成回路代替部分分離式元件充氣回路。

2.1.2 波音787液壓系統(tǒng)

波音787是波音系列首次采用5000psi壓力級別液壓系統(tǒng)的機(jī)型，它有相互獨(dú)立的左、中、右3套液壓系統(tǒng)，為飛行控制系統(tǒng)、發(fā)動(dòng)機(jī)反推、起落架及轉(zhuǎn)彎系統(tǒng)等提供動(dòng)力。其中左、右系統(tǒng)均由一臺EDP和一臺EMP組成，EDP為系統(tǒng)主泵，電動(dòng)泵為備用泵，可為系統(tǒng)提供應(yīng)急能源。與之前型號相比，左、右系統(tǒng)中的EMP額定流量大大提高，上升到了與EDP相當(dāng)?shù)乃?。中央液壓系統(tǒng)由兩臺EMP和一臺沖壓空氣渦輪泵RAT組成。兩臺EMP完全相同，可輪流做為主泵和備用泵；RAT可為飛機(jī)提供應(yīng)急能源。B787上還應(yīng)用了較多的多電技術(shù)，采用了全電剎車取代了傳統(tǒng)的液壓剎車，同時(shí)可用電力驅(qū)動(dòng)起落架的收放?？偟膩碚f，B787飛機(jī)是將傳統(tǒng)飛機(jī)系統(tǒng)概念向多電系統(tǒng)概念發(fā)展的探索機(jī)型。

2.2 空客飛機(jī)液壓系統(tǒng)特點(diǎn)

空客公司發(fā)展比波音較晚，但其型號上率先使用電傳控制、多電化等新技術(shù)，同樣取得了巨大的成功。表2展示了空客各機(jī)型液壓系統(tǒng)泵源配置的變化歷程。該文選取主流機(jī)型A320和先進(jìn)機(jī)型A380進(jìn)行詳細(xì)分析。

2.2.1 空客A320液壓系統(tǒng)

A320是空客為打破波音壟斷壟斷客機(jī)市場局面而研制的，是史上僅次于B737第二暢銷的噴氣式客機(jī)。A320的液壓系統(tǒng)由三個(gè)子系統(tǒng)組成：綠、黃、藍(lán)液壓系統(tǒng)，額定工作壓力為3000psi。三套液壓系統(tǒng)相互獨(dú)立，其中黃、綠系統(tǒng)為主系統(tǒng)，藍(lán)系統(tǒng)為輔助系統(tǒng)。

綠系統(tǒng)使用一臺EDP作為系統(tǒng)主泵，另裝有一臺手動(dòng)泵用于地面維護(hù)。黃系統(tǒng)由一臺EDP、一臺EMP組成，EDP為系統(tǒng)主泵， EMP為輔助泵，共兩級功率，僅在飛大流量工況及主泵故障時(shí)啟動(dòng)，系統(tǒng)中同樣裝有一臺手動(dòng)泵，用于貨艙門的打開。黃綠系統(tǒng)之間還安裝有雙向PTU，當(dāng)黃、綠系統(tǒng)的壓差達(dá)到500psi時(shí)即可自動(dòng)啟動(dòng)，為低壓一端提供能源。藍(lán)系統(tǒng)中有一臺EMP和RAT， RAT僅在飛機(jī)失去電源或者全部發(fā)動(dòng)機(jī)故障時(shí)開啟，提供液壓動(dòng)力的同時(shí)也可以驅(qū)動(dòng)恒速發(fā)達(dá)/發(fā)電機(jī)，為飛機(jī)提供電能源。

2.2.2 空客A380液壓系統(tǒng)

A380率先在大型客機(jī)上應(yīng)用了5000psi的高壓液壓系統(tǒng)技術(shù)和電動(dòng)靜液作動(dòng)器（EHA）等多種新技術(shù)。A380飛機(jī)采用了雙體系結(jié)構(gòu)的飛行控制系統(tǒng)，這是一種混合的飛行控制作動(dòng)電源分配系統(tǒng)，即把用于備份系統(tǒng)的分布式電作動(dòng)器與主動(dòng)控制的常規(guī)電傳液壓伺服控制（包括電液伺服閥）結(jié)合起來，形成4套獨(dú)立的主飛行控制系統(tǒng)。其中2套系統(tǒng)采用傳統(tǒng)的以液壓為動(dòng)力的作動(dòng)系統(tǒng)，另外2套以電為動(dòng)力，通過分布式電液作動(dòng)器系統(tǒng)操縱舵面。這種體系結(jié)構(gòu)也稱為2H/2E結(jié)構(gòu)布局。理論上，這4套系統(tǒng)中的任何一套都可以用來對飛機(jī)進(jìn)行控制，這使A380飛機(jī)的飛行控制在系統(tǒng)獨(dú)立性和余度上達(dá)到了前所未有的水平。

A380液壓系統(tǒng)采用綠、黃兩套液壓系統(tǒng)，加上E1、E2兩套電系統(tǒng)，用來代替?zhèn)鹘y(tǒng)的第三套液壓系統(tǒng)。兩套液壓動(dòng)力系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)常規(guī)的伺服控制作動(dòng)器；兩套以電為動(dòng)力的回路驅(qū)動(dòng)非常規(guī)的作動(dòng)器，即電動(dòng)靜液作動(dòng)器（EHA），這兩套系統(tǒng)實(shí)際上是作為備份使用，稱為功率電傳系統(tǒng)。A380飛機(jī)的液壓能源系統(tǒng)包括了8臺EDP，使用脫開式離合器，任意一臺泵發(fā)生故障均可與系統(tǒng)脫離。

3 民機(jī)液壓系統(tǒng)發(fā)展趨勢

民用飛機(jī)液壓系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，從發(fā)展歷程看，具有如下發(fā)展趨勢：

（1）能源系統(tǒng)由單源系統(tǒng)向多源系統(tǒng)發(fā)展。

這一趨勢在波音飛機(jī)的發(fā)展過程中最為明顯。早期的B707飛機(jī)，液壓系統(tǒng)劃分為功能系統(tǒng)和備用系統(tǒng)，系統(tǒng)之間存在存在明顯的優(yōu)先級區(qū)分，屬于一主兩備的結(jié)構(gòu)；這樣的配置，到B727的時(shí)候變成了A-B-備用系統(tǒng)的劃分， A、B系統(tǒng)之間的重要性差別變小，但仍有一定的差別，形成了重要-主要-備份的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，并延續(xù)到了B737的早期型號，在波音737-300及以后的型號中，A、B系統(tǒng)的差距逐漸消失；從B757之后的飛機(jī)，則形成了左-中-右三套系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，共同承擔(dān)重要的用戶，系統(tǒng)之間的重要程度已趨于平均，這樣的結(jié)構(gòu)一直沿用至今。而波音747這樣的超大型遠(yuǎn)程寬體客機(jī)，則開始采用四套液壓系統(tǒng)。

空客系列的飛機(jī)由于研制較晚，避免了早期設(shè)計(jì)中的各種缺陷，系統(tǒng)從開始就采用了綠-黃-藍(lán)三套液壓系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)。在最新的A380中，采用2H/2E布局的飛行控制系統(tǒng)，引入了兩套電系統(tǒng)取代藍(lán)系統(tǒng)充當(dāng)備份作用，綠系統(tǒng)和黃系統(tǒng)繼續(xù)沿用下來。

截至目前，三套系統(tǒng)主-主-備的結(jié)構(gòu)，仍然是現(xiàn)有民用客機(jī)的主流設(shè)計(jì)思路。

（2）系統(tǒng)獨(dú)立性提升。

早期飛機(jī)的液壓系統(tǒng)各子系統(tǒng)通常不是獨(dú)立的，相互之間存在一定的交聯(lián)，這樣的交聯(lián)體現(xiàn)在油箱和用戶管路兩部分上。波音公司的早期系列中，三套油箱是通過平衡管連接的，通過向A系統(tǒng)（或公共系統(tǒng)）注油，就能注滿另外兩個(gè)系統(tǒng)的油箱，復(fù)雜程度較高，使油源的安全性受到影響。隨后的B747以后機(jī)型上，各子系統(tǒng)的油箱相互獨(dú)立，提高了可靠性。早期飛機(jī)的液壓管路并不獨(dú)立，幾套子系統(tǒng)之間是可以實(shí)現(xiàn)互聯(lián)的。B707上方向舵和剎車系統(tǒng)的管路為共用管路，且1#備用系統(tǒng)可通過互聯(lián)閥與公用系統(tǒng)相連。B727的液壓系統(tǒng)獨(dú)立性有了較大改善，引入了功率轉(zhuǎn)換單元PTU，避免了油液交換。在B747以后的機(jī)型上，系統(tǒng)互聯(lián)閥就基本消失了，系統(tǒng)之間相互備份提供動(dòng)力全部通過PTU實(shí)現(xiàn)，系統(tǒng)之間相互隔離互不影響，有效的提高了安全性。

空客系列飛機(jī)的液壓系統(tǒng)開始就使用了獨(dú)立油箱，且各子系統(tǒng)之間沒有油液交換，功率轉(zhuǎn)換使用PTU等進(jìn)行傳遞。

（3）多電化和分布式。

多電化和分布式在軍用飛機(jī)上的應(yīng)用已經(jīng)較為廣泛，隨著電作動(dòng)器等部件的發(fā)展和成熟，民用飛機(jī)也逐漸體現(xiàn)出了多電化和分布式的發(fā)展趨勢。這點(diǎn)在最新型的波音B787和空客A380上尤為明顯。A380使用兩套功率電傳系統(tǒng)取代了藍(lán)系統(tǒng)。B787則使用了EMA來控制部分舵面，同時(shí)使用電剎車替代了傳統(tǒng)的液壓剎車。

除了系統(tǒng)級別的改變外，EMP在新機(jī)型中的重要性得到了進(jìn)一步的提升，早期的飛機(jī)中EMP僅作為備份，使用和性能受到一系列的限制，而在最新的B787中，EMP的功率則提升到了和EDP相當(dāng)?shù)乃?，并可?shí)現(xiàn)兩級功率的輸出，有效的降低了無效能耗。

（4）控制技術(shù)和健康監(jiān)測技術(shù)的應(yīng)用。

早期飛機(jī)采用機(jī)械傳動(dòng)控制，隨得電力電子和計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，復(fù)雜的邏輯控制方法引入液壓系統(tǒng)備用泵的啟?？刂浦校行У亟档土孙w行員的操作負(fù)荷，提高了飛行的安全性。同時(shí)，隨著傳感器技術(shù)的發(fā)展，對系統(tǒng)狀態(tài)參數(shù)和健康情況的監(jiān)視也不斷完善，有助于飛行員作出反應(yīng)，還能夠作為系統(tǒng)自動(dòng)控制和故障重構(gòu)的輸入條件。

（5）高壓化、低壓力脈動(dòng)。

液壓系統(tǒng)的壓力級別是系統(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液壓壓力級別，并已保持了半個(gè)世紀(jì)。目前最先進(jìn)的B787以及A380的工作壓力都由3000psi增加到5000psi。高壓化有利縮小動(dòng)力元件尺寸、減輕重量，同時(shí)提高飛控系統(tǒng)的響應(yīng)速度。另外，壓力脈動(dòng)引起的管路振動(dòng)是液壓系統(tǒng)失效的主要原因，隨著飛機(jī)液壓系統(tǒng)向高壓、大流量和大功率方向發(fā)展，由動(dòng)力源產(chǎn)生的流量壓力脈動(dòng)和由此誘發(fā)的管道振動(dòng)也越來越突出。

4 結(jié)語

液壓系統(tǒng)是飛機(jī)上的關(guān)鍵系統(tǒng)，其性能指標(biāo)將直接影響飛機(jī)整機(jī)的性能。該文通過對現(xiàn)有飛機(jī)機(jī)載液壓系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，尤其對泵源配置、替換補(bǔ)償邏輯、系統(tǒng)獨(dú)立性、電傳作動(dòng)技術(shù)的應(yīng)用等方面進(jìn)行了重點(diǎn)研究，提出了我國民用飛機(jī)液壓系統(tǒng)要獲得進(jìn)一步的發(fā)展，須重點(diǎn)在系統(tǒng)多源化、多電化、分布式、高壓化、低壓力脈動(dòng)、健康監(jiān)控技術(shù)、電傳控制技術(shù)等方面展開，希望有助于我國先進(jìn)民機(jī)液壓系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。

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