民用飛機液壓系統(tǒng)技術(shù)現(xiàn)狀及趨勢研究

陳寶琦

摘 要：目前民用飛機液壓系統(tǒng)為保障安全性和操作性，在設(shè)計時通常會采用冗余和備份技術(shù)，但同時也會帶來成本、重量和復(fù)雜性的問題。該文通過對波音和空客多款機型機載液壓系統(tǒng)的研究，重點分析泵源、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的發(fā)展趨勢。

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

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

隨著經(jīng)濟的發(fā)展和社會的繁榮，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液壓系統(tǒng)，不僅可以在產(chǎn)品層級上為飛機減輕重量，提高安全性和效率，還可帶動諸如新材料、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，民機液壓系統(tǒng)是指使液壓油在壓力下供至公共點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)和工作回路兩個部分。液壓能源系統(tǒng)為飛機上所有使用液壓驅(qū)動的活動部位提供液壓能源，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，具有極高的研究價值。

2.1 波音飛機液壓系統(tǒng)的特點

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

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，是世界航空史上最成功的民航客機。B737飛機擁有A、B和備份3套獨立的液壓系統(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、起落架和機輪剎車等提供動力，備用系統(tǒng)只在必要時才啟用，僅為方向舵、反推和前緣裝置提供動力。

早期型號B737-100/200的A系統(tǒng)有兩臺發(fā)動機驅(qū)動泵EDP，B系統(tǒng)有兩臺電動泵EMP，備用系統(tǒng)為一臺EMP，且沒有動力轉(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)動機引氣增壓，氣壓進入A系統(tǒng)油箱后，三個系統(tǒng)油箱通過壓力平衡管串聯(lián)從而達到全部增壓的目的。

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，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，實現(xiàn)對襟/縫翼的供能；油箱采用兩套獨立的油箱增壓系統(tǒng)，A系統(tǒng)油箱獨立，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)的機型，它有相互獨立的左、中、右3套液壓系統(tǒng)，為飛行控制系統(tǒng)、發(fā)動機反推、起落架及轉(zhuǎn)彎系統(tǒng)等提供動力。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?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，同時可用電力驅(qū)動起落架的收放?？偟膩碚f，B787飛機是將傳統(tǒng)飛機系統(tǒng)概念向多電系統(tǒng)概念發(fā)展的探索機型。

2.2 空客飛機液壓系統(tǒng)特點

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展示了空客各機型液壓系統(tǒng)泵源配置的變化歷程。該文選取主流機型A320和先進機型A380進行詳細分析。

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。A320的液壓系統(tǒng)由三個子系統(tǒng)組成：綠、黃、藍液壓系統(tǒng)，額定工作壓力為3000psi。三套液壓系統(tǒng)相互獨立，其中黃、綠系統(tǒng)為主系統(tǒng)，藍系統(tǒng)為輔助系統(tǒng)。

綠系統(tǒng)使用一臺EDP作為系統(tǒng)主泵，另裝有一臺手動泵用于地面維護。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啟動，系統(tǒng)中同樣裝有一臺手動泵，用于貨艙門的打開。黃綠系統(tǒng)之間還安裝有雙向PTU，當黃、綠系統(tǒng)的壓差達到500psi時即可自動啟動，為低壓一端提供能源。藍系統(tǒng)中有一臺EMP和RAT， RAT僅在飛機失去電源或者全部發(fā)動機故障時開啟，提供液壓動力的同時也可以驅(qū)動恒速發(fā)達/發(fā)電機，為飛機提供電能源。

2.2.2 空客A380液壓系統(tǒng)

A380率先在大型客機上應(yīng)用了5000psi的高壓液壓系統(tǒng)技術(shù)和電動靜液作動器（EHA）等多種新技術(shù)。A380飛機采用了雙體系結(jié)構(gòu)的飛行控制系統(tǒng)，這是一種混合的飛行控制作動電源分配系統(tǒng)，即把用于備份系統(tǒng)的分布式電作動器與主動控制的常規(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)的以液壓為動力的作動系統(tǒng)，另外2套以電為動力，通過分布式電液作動器系統(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進行控制，這使A380飛機的飛行控制在系統(tǒng)獨立性和余度上達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)。兩套液壓動力系統(tǒng)驅(qū)動常規(guī)的伺服控制作動器；兩套以電為動力的回路驅(qū)動非常規(guī)的作動器，即電動靜液作動器（EHA），這兩套系統(tǒng)實際上是作為備份使用，稱為功率電傳系統(tǒng)。A380飛機的液壓能源系統(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 民機液壓系統(tǒng)發(fā)展趨勢

民用飛機液壓系統(tǒng)的設(shè)計，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的發(fā)展過程中最為明顯。早期的B707飛機，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，則形成了左-中-右三套系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，共同承擔重要的用戶，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這樣的超大型遠程寬體客機，則開始采用四套液壓系統(tǒng)。

空客系列的飛機由于研制較晚，避免了早期設(shè)計中的各種缺陷，系統(tǒng)從開始就采用了綠-黃-藍三套液壓系統(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)取代藍系統(tǒng)充當備份作用，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)有民用客機的主流設(shè)計思路。

（2）系統(tǒng)獨立性提升。

早期飛機的液壓系統(tǒng)各子系統(tǒng)通常不是獨立的，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以后機型上，各子系統(tǒng)的油箱相互獨立，提高了可靠性。早期飛機的液壓管路并不獨立，幾套子系統(tǒng)之間是可以實現(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力全部通過PTU實現(xiàn)，系統(tǒng)之間相互隔離互不影響，有效的提高了安全性。

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

（3）多電化和分布式。

多電化和分布式在軍用飛機上的應(yīng)用已經(jīng)較為廣泛，隨著電作動器等部件的發(fā)展和成熟，民用飛機也逐漸體現(xiàn)出了多電化和分布式的發(fā)展趨勢。這點在最新型的波音B787和空客A380上尤為明顯。A380使用兩套功率電傳系統(tǒng)取代了藍系統(tǒng)。B787則使用了EMA來控制部分舵面，同時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在新機型中的重要性得到了進一步的提升，早期的飛機中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?shù)乃?，并可實現(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。

早期飛機采用機械傳動控制，隨得電力電子和計算機技術(shù)的發(fā)展，復(fù)雜的邏輯控制方法引入液壓系統(tǒng)備用泵的啟停控制中，有效地降低了飛行員的操作負荷，提高了飛行的安全性。同時，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)自動控制和故障重構(gòu)的輸入條件。

（5）高壓化、低壓力脈動。

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)計的最重要的依據(jù)。傳統(tǒng)主流飛機都采用3000psi液壓壓力級別，并已保持了半個世紀。目前最先進的B787以及A380的工作壓力都由3000psi增加到5000psi。高壓化有利縮小動力元件尺寸、減輕重量，同時提高飛控系統(tǒng)的響應(yīng)速度。另外，壓力脈動引起的管路振動是液壓系統(tǒng)失效的主要原因，隨著飛機液壓系統(tǒng)向高壓、大流量和大功率方向發(fā)展，由動力源產(chǎn)生的流量壓力脈動和由此誘發(fā)的管道振動也越來越突出。

4 結(jié)語

液壓系統(tǒng)是飛機上的關(guān)鍵系統(tǒng)，其性能指標將直接影響飛機整機的性能。該文通過對現(xiàn)有飛機機載液壓系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)進行分析，尤其對泵源配置、替換補償邏輯、系統(tǒng)獨立性、電傳作動技術(shù)的應(yīng)用等方面進行了重點研究，提出了我國民用飛機液壓系統(tǒng)要獲得進一步的發(fā)展，須重點在系統(tǒng)多源化、多電化、分布式、高壓化、低壓力脈動、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民機液壓系統(tǒng)的設(shè)計。

參考文獻

[1] 樸學(xué)奎.大型民用客機液壓系統(tǒng)的對比與分析[J].航空科學(xué)技術(shù)，2011（6）：15-17.

[2] 崔建國，林澤力.飛機液壓系統(tǒng)健康狀態(tài)綜合評估技術(shù)研究[J].控制工程，2014，21（3）：446-449.

[3] 陳偉.多電飛機先進技術(shù)[J].飛機工程，2006（4）：64-68.

[4] 付永領(lǐng)，祁曉野，王鍇，齊海濤. 多電飛機的關(guān)鍵技術(shù)[C].中國航空學(xué)會液壓氣動專業(yè)2005年學(xué)術(shù)討論會論文集，2005.