液壓管路在民用飛機(jī)機(jī)翼上的布置初步研究

陳麗華　陳裕　趙海濤

【摘 要】現(xiàn)代民用飛機(jī)為提高飛行性能，機(jī)翼都是超臨界翼型，內(nèi)部空間較小，對(duì)機(jī)翼系統(tǒng)的布置帶來(lái)了挑戰(zhàn)。機(jī)翼液壓管路的布置需要考慮到安裝空間、安全性和適航等一系列的因素，本文分析主要分析了液壓管路在機(jī)翼內(nèi)的布置存在的難點(diǎn)，細(xì)化論證了在機(jī)翼盒段油箱內(nèi)布置液壓管路的可行性。本文關(guān)于液壓管路在機(jī)翼內(nèi)布置的相關(guān)結(jié)論，可指導(dǎo)相關(guān)工作的開(kāi)展。

【關(guān)鍵詞】液壓管路；機(jī)翼；布置；民機(jī)

【Abstract】To improve performance， the technology of supercritical wing is used in modern civil aircraft. Meanwhile， the systems arrangement of wing are challenges for supercritical wings smaller space. The arrangement of hydraulic tubes in the wing should consider the factors such as the environment， safety and certification. The article describes the difficulty of hydraulic tubes installation in the wing， and analyzes the arrangement feasibility of hydraulic tubes in the wing box（fuel-tank）. The conclusion that the arrangement of hydraulic tubes in the wing can be used to guide the related work.

【Key words】Hydraulic tube； Wing； Arrangement； Civil aircraft

0 引言

對(duì)于民用飛機(jī)機(jī)翼的系統(tǒng)布置來(lái)說(shuō)，液壓管路在機(jī)翼上的布置安裝是一個(gè)難點(diǎn)。不光是超臨界翼型給液壓管路系統(tǒng)在機(jī)翼上的布置帶來(lái)機(jī)翼內(nèi)部空間狹小的困難，還要考慮一系列適航條款符合性驗(yàn)證。為解決這一問(wèn)題，本文分析了液壓管路在機(jī)翼內(nèi)布置所必須考慮的因素，細(xì)化研究了管路在各個(gè)通道中布置存在的困難，并給出相應(yīng)的分析結(jié)論。

1 機(jī)翼上液壓導(dǎo)管的用戶

液壓能源系統(tǒng)作為飛機(jī)上的二次能源，液壓能源系統(tǒng)的主要功能是為飛機(jī)液壓用戶提供液壓能源。對(duì)于飛機(jī)機(jī)翼上的系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，一般飛控系統(tǒng)是液壓能源系統(tǒng)的主要用戶，根據(jù)飛控用戶的功能及安全等級(jí)要求，現(xiàn)代民用飛機(jī)液壓能源系統(tǒng)的常規(guī)系統(tǒng)構(gòu)架一般由三套相互獨(dú)立的子系統(tǒng)組成。以某機(jī)型為例，在機(jī)翼上的液壓用戶主要包括：副翼作動(dòng)器、擾流板作動(dòng)器、襟翼作動(dòng)器和縫翼作動(dòng)器等。

因此常規(guī)情況下，民用飛機(jī)機(jī)翼區(qū)域需要有三套液壓能源系統(tǒng)的導(dǎo)管通過(guò)，且通常均將導(dǎo)管沿機(jī)翼后梁后的區(qū)域布置，以給液壓用戶提供液壓能源。液壓能源系統(tǒng)導(dǎo)管在機(jī)翼上的常規(guī)布置如圖1所示[1]。

2 機(jī)翼導(dǎo)管的總安裝設(shè)計(jì)原則

機(jī)翼上導(dǎo)管的設(shè)計(jì)以系統(tǒng)安全可靠、工作壽命長(zhǎng)、復(fù)雜性低、重量輕、維修性好，且將可能的損壞和泄漏減至最少為總則來(lái)設(shè)計(jì)。在進(jìn)行機(jī)翼導(dǎo)管安裝設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)遵循以下基本原則：

1）機(jī)翼上各套系統(tǒng)間管路應(yīng)盡量隔離，通常情況下不同系統(tǒng)管路的間隔必須保證一定距離，以防止共因故障和共因事件；

2）液壓系統(tǒng)布置在沒(méi)有易燃?xì)怏w、熱源、引氣管或電氣打火點(diǎn)的地方，或者與其隔離。當(dāng)液壓系統(tǒng)元器件和管路臨近熱源或火源時(shí)，應(yīng)考慮用防火墻，屏障或類似方法隔離，以免將液壓系統(tǒng)泄漏的液壓油點(diǎn)燃；

3）盡量減少?gòu)澒芎头种В?/p>

4）導(dǎo)管和導(dǎo)管、結(jié)構(gòu)、運(yùn)動(dòng)件及其他系統(tǒng)之間，保證有合理而足夠的間隙；

5）導(dǎo)管及固定件的設(shè)計(jì)應(yīng)充分考慮機(jī)翼變形；

6）考慮導(dǎo)管、管接頭的可維護(hù)性。

3 管路布置的安全性考慮

3.1 適航條款的要求

民用飛機(jī)液壓管路布置需考慮CCAR等適航條款的要求[2]，具體有但不限于以下條款：

1）液壓系統(tǒng)相關(guān)的條款：25.611，25.1301，25.1309，25.1435；

2）機(jī)翼油箱結(jié)構(gòu)：25.609；

3）EWIS：25.1707（f），25.1723。

3.2 特殊風(fēng)險(xiǎn)的影響

液壓元件及液壓導(dǎo)管原則上不允許在輪胎爆破區(qū)域、發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子爆破區(qū)域、APU轉(zhuǎn)子爆破區(qū)域及垂尾鳥撞區(qū)域上安裝布置，如果不得已在上述區(qū)域安裝液壓系統(tǒng)，應(yīng)采取措施，以使爆破產(chǎn)生的對(duì)液壓能源系統(tǒng)的破壞作用限制在適航允許范圍內(nèi)。另外還需考慮失效轉(zhuǎn)軸和結(jié)構(gòu)破損對(duì)液壓系統(tǒng)的影響。

3.2.1 轉(zhuǎn)子爆破

在液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，必須CCAR25.903（d）（1）中的非包容性轉(zhuǎn)子爆破。每套液壓系統(tǒng)的元器件和管路必須充分隔離，以保證發(fā)生非包容性轉(zhuǎn)子爆破時(shí)，不會(huì)導(dǎo)致所有液壓系統(tǒng)失效。

必須盡量保證影響安全飛行和著陸的液壓用戶在轉(zhuǎn)子爆破后能正常工作，如主飛控系統(tǒng)、高升力系統(tǒng)、剎車和起落架收放系統(tǒng)。為了符合這些要求，可以將液壓系統(tǒng)沿翼盒或機(jī)翼前后梁分開(kāi)布置。

盡量將同一套液壓系統(tǒng)的管路集中布置，不同的系統(tǒng)管路分開(kāi)布置，從而將轉(zhuǎn)子爆破的影響控制在系統(tǒng)余度范圍內(nèi)。

3.2.2 輪胎爆破

在液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，必須考慮CCAR25.729（f）中的輪胎爆破保護(hù)。在機(jī)翼上布置液壓元器件和管路時(shí)，必須考慮盡量減少輪胎爆破對(duì)液壓系統(tǒng)的破壞，例如，如果只有一套備份液壓系統(tǒng)時(shí)，損失不能超過(guò)一套液壓系統(tǒng)。

在選擇液壓管路材料時(shí)，需要考慮起落架收起和放下?tīng)顟B(tài)時(shí)輪胎爆破的影響。如有必要，當(dāng)輪胎爆破會(huì)導(dǎo)致超過(guò)一套液壓系統(tǒng)失效時(shí)需要考慮適當(dāng)?shù)谋Ｗo(hù)措施。

3.2.3 失效轉(zhuǎn)軸保護(hù)

轉(zhuǎn)軸失效，如襟翼驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)失效，對(duì)液壓系統(tǒng)會(huì)有潛在的破壞風(fēng)險(xiǎn)。應(yīng)該限制轉(zhuǎn)軸失效后的破壞性運(yùn)動(dòng)。同時(shí)在布置液壓管路時(shí)，尤其是多套液壓管路通過(guò)該區(qū)域時(shí)，盡量考慮將管路合理布置以減少轉(zhuǎn)軸失效對(duì)液壓系統(tǒng)的影響。

3.2.4 將結(jié)構(gòu)破壞對(duì)液壓系統(tǒng)的影響最小化

應(yīng)考慮將液壓系統(tǒng)管路沿機(jī)翼前后緣布置以保證液壓系統(tǒng)的余度。當(dāng)飛機(jī)發(fā)生空中相撞，但結(jié)構(gòu)仍允許飛行時(shí)，仍能保證足夠的液壓系統(tǒng)供飛機(jī)進(jìn)行飛行控制。

4 三套液壓系統(tǒng)的機(jī)翼內(nèi)布置研究

基于以上原則，液壓管路在機(jī)翼內(nèi)的布置的通道有：機(jī)翼前緣布置、機(jī)翼盒段布置（燃油箱內(nèi)）和機(jī)翼后緣布置，見(jiàn)圖2所示。

下面依次分析，在前緣、盒段和后緣布置液壓管路方案的可行性。

4.1 前緣布置液壓管路可行性

第一，一般而言從空間的角度來(lái)看，機(jī)翼固定前緣空間有限，考慮到翼吊飛機(jī)需要布置發(fā)動(dòng)機(jī)的引氣管路、前緣防冰管路、縫翼作動(dòng)器/扭力桿及相應(yīng)的線束等，因此，再布置一套液壓管路已經(jīng)是非常困難的。若在這個(gè)區(qū)域內(nèi)布置2套液壓管路，即使勉強(qiáng)塞下，該方案會(huì)使2套液壓管路之間的距離非常接近，也不滿足不同液壓系統(tǒng)之間的隔離要求。

第二，從安全性的角度來(lái)看，即使前緣能布置一套液壓管路，也離防冰引氣管、引氣總管、以及發(fā)動(dòng)機(jī)主饋電線距離非常近，會(huì)受到高溫和間隙要求的影響。另外對(duì)于翼吊發(fā)動(dòng)機(jī)的民用飛機(jī)來(lái)說(shuō)，前緣位置如果布置有液壓系統(tǒng)管路，則管路是位于發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子爆破區(qū)、鳥撞區(qū)和擺動(dòng)桿影響區(qū)，一旦這些特定風(fēng)險(xiǎn)事件對(duì)液壓管路造成損傷，前緣布置的多套系統(tǒng)同時(shí)失效的可能性非常大。

第三，從重量的角度來(lái)看，由于大部分液壓用戶位于機(jī)翼后緣，該方案會(huì)使得大部分液壓管路從翼尖繞過(guò)油箱最外側(cè)的肋，再連接至機(jī)翼后緣的液壓用戶，該方案會(huì)大大增加液壓管路的重量。

因此，液壓管路在機(jī)翼固定前緣的布置方案，布置2套或以上的液壓管路存在布置空間不足，且安全性非常差，嚴(yán)重影響飛行安全；即使布置1套液壓管路也存在布置空間緊張、安全性較差的問(wèn)題。

4.2 盒段布置液壓管路可行性

液壓管路若布置在盒段內(nèi)（即布置在機(jī)翼油箱內(nèi)），會(huì)存在管路泄漏從而液壓油進(jìn)入燃油箱的風(fēng)險(xiǎn)以及液壓管路發(fā)熱使燃油溫度升高的問(wèn)題，因此對(duì)于燃油箱內(nèi)是否能布置液壓管路的方案，需要進(jìn)行論證。

4.2.1 液壓管路泄漏影響分析

1）液壓泄漏可能性

機(jī)翼翼盒里采用的液壓管接頭均為國(guó)際通用的永久壓接接頭。該永久接頭經(jīng)過(guò)了長(zhǎng)時(shí)間的廣泛應(yīng)用，接頭質(zhì)量穩(wěn)定，壓接工藝和工具已經(jīng)十分成熟、簡(jiǎn)便。在飛機(jī)總裝后，機(jī)翼燃油箱尚未加注燃油時(shí)，進(jìn)行液壓導(dǎo)管加壓試驗(yàn)，并對(duì)壓接點(diǎn)進(jìn)行檢查，如果出現(xiàn)泄漏，則對(duì)泄露處進(jìn)行更換。如果壓接正確，永久壓接接頭的壽命與機(jī)體同壽，全壽命免維護(hù)。

通過(guò)調(diào)查，在其它機(jī)型使用過(guò)程中未發(fā)現(xiàn)有燃油箱中液壓導(dǎo)管接頭的泄漏問(wèn)題。

2）液壓泄露模式分析

盡管永久壓接接頭的壽命與機(jī)體同壽，全壽命免維護(hù)，但在燃油箱里的三套液壓導(dǎo)管管接頭也會(huì)存在理論上的泄漏可能。

根據(jù)液壓系統(tǒng)安全性分析，單套液壓系統(tǒng)所有管接頭（包括大量可拆卸接頭）泄漏的概率必須低于1×10-6/FH?，F(xiàn)在每套液壓系統(tǒng)采用的管接頭分兩種，一種是可拆卸接頭，一種是永久壓接接頭，永久壓接接頭泄露率遠(yuǎn)低于可拆卸接頭。

機(jī)翼翼盒里采用的液壓管接頭均為永久壓接接頭。如果正確壓接，其壽命與機(jī)體同壽，全壽命免維護(hù)，其泄漏概率遠(yuǎn)低于1×10-6/FH。如果在燃油箱里同時(shí)出現(xiàn)兩套液壓導(dǎo)管管接頭泄漏，其概率低于1×10-12/FH，凡低于1×10-9/FH的事件均被視為極不可能事件，無(wú)需分析。因此，在分析泄漏問(wèn)題時(shí)，將不考慮兩套液壓管路和三套液壓管路同時(shí)泄漏的可能性，僅考慮在同一時(shí)間出現(xiàn)概率極低的單套液壓系統(tǒng)泄漏的可能性。

另外，接頭泄漏形式分為滴漏和接頭爆裂兩種。滴漏的泄漏量極少，接頭爆裂則將導(dǎo)致該套系統(tǒng)的大量液壓油漏入燃油油箱。雖然接頭滴漏和爆裂的情況發(fā)生的可能性極低，仍從理論的角度對(duì)其進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)分析。

3）燃油箱中液壓接頭泄漏的影響

如果油箱里的液壓接頭出現(xiàn)滴漏，對(duì)液壓系統(tǒng)本身的影響極小，但如果出現(xiàn)接頭爆裂，則將導(dǎo)致該套液壓系統(tǒng)失效。但單套液壓系統(tǒng)失效，飛機(jī)仍可安全飛行。另外，如果回油管爆裂，燃油將被吸入液壓泵，從而導(dǎo)致火災(zāi)，為了避免將燃油吸入液壓泵，每套液壓系統(tǒng)都設(shè)有一個(gè)回油單向閥，其開(kāi)啟壓力高于燃油箱壓力，即使出現(xiàn)回油管爆裂，燃油也不會(huì)被吸入液壓泵。所以即使發(fā)生可能性極低的單套液壓系統(tǒng)在燃油箱中泄露情況，仍能保證飛機(jī)安全飛行。

翼盒內(nèi)發(fā)生液壓油泄漏會(huì)對(duì)燃油造成污染，對(duì)動(dòng)力系統(tǒng)的安全性影響主要是是否影響發(fā)動(dòng)機(jī)的正常工作，根據(jù)某型飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)的要求，如果燃油箱內(nèi)液壓油的含量不超過(guò)2%，將不會(huì)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)性能產(chǎn)生重要影響。根據(jù)相關(guān)資料[1]，以某型飛機(jī)為例，即使液壓系統(tǒng)滿油狀態(tài)且液壓油完全泄漏在燃油箱里，而此時(shí)燃油箱只剩最小燃油貯量狀態(tài)的情況下，燃油中液壓油含量?jī)H為1.3%（<2%），所以不會(huì)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)性能產(chǎn)生重要影響。液壓系統(tǒng)每個(gè)油箱的液量能夠顯示在駕駛艙的EICAS上，若產(chǎn)生較大的泄漏問(wèn)題，告警系統(tǒng)會(huì)對(duì)每個(gè)獨(dú)立的液壓油箱低容量報(bào)警，駕駛員可及時(shí)發(fā)現(xiàn)并采取相應(yīng)措施阻止泄露情況的進(jìn)一步惡化。由以上分析可得出，液壓系統(tǒng)的泄漏問(wèn)題不會(huì)對(duì)燃油的清潔度、發(fā)動(dòng)機(jī)的壽命以及飛機(jī)飛行安全造成不可接受的影響。

4）液壓接頭泄漏后的維修

液壓系統(tǒng)在設(shè)計(jì)時(shí)都考慮了燃油箱里液壓導(dǎo)管的可達(dá)性，每套液壓系統(tǒng)都盡可能靠近機(jī)翼維護(hù)口蓋布置。

液壓系統(tǒng)的維修是將燃油箱排空，借助燈光設(shè)備通過(guò)維護(hù)口蓋目視檢查泄漏處，找到泄漏接頭后，將液壓系統(tǒng)卸壓，將泄漏接頭兩端管路切斷，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況對(duì)需要補(bǔ)上的液壓管路進(jìn)行取樣制造，換上新的永久壓接接頭，壓接完成后即完成修復(fù)。

4.2.2 液壓管路發(fā)熱分析

液壓系統(tǒng)在工作過(guò)程中，液壓油的溫度會(huì)升高，因此，油箱中的液壓導(dǎo)管會(huì)對(duì)燃油的溫度產(chǎn)生影響。根據(jù)液壓系統(tǒng)原理可知，液壓油箱上裝有溫度調(diào)控開(kāi)關(guān)，它可將油箱內(nèi)的溫度（液壓系統(tǒng)最高溫度）控制在一定溫度以下。其工作原理為，若油箱內(nèi)液壓油的溫度設(shè)定，防火切斷閥將自動(dòng)切斷該系統(tǒng)對(duì)外供壓，這樣就不可能促使大量燃油溫度的大幅度升高。而且，每個(gè)液壓系統(tǒng)油箱的油液溫度能夠顯示在駕駛艙的EICAS上，若溫度大幅度升高，駕駛員能夠及時(shí)發(fā)現(xiàn)并采取措施。因此，液壓系統(tǒng)不會(huì)在溫度問(wèn)題上給燃油系統(tǒng)帶來(lái)危險(xiǎn)。

另外，從目前主流的在役機(jī)型來(lái)看，A320飛機(jī)沒(méi)有使用液壓系統(tǒng)熱交換器，左右機(jī)翼各有一套液壓系統(tǒng)布置在機(jī)翼燃油箱中，從A320飛機(jī)的使用情況來(lái)看，未發(fā)現(xiàn)液壓系統(tǒng)機(jī)翼管路熱量導(dǎo)致燃油溫度過(guò)高問(wèn)題。

B737飛機(jī)沒(méi)有導(dǎo)管布置在燃油箱中，但有兩套液壓系統(tǒng)的熱交換器裝在燃油箱中，也就是說(shuō)該機(jī)型沒(méi)有導(dǎo)管在燃油箱中散熱，但大量的熱還是通過(guò)熱交換器散入了燃油中，但使用中未出現(xiàn)燃油溫度過(guò)高問(wèn)題。

通過(guò)以上分析可知，盒段內(nèi)是可以布置液壓管路的，且盒段內(nèi)空間較為寬敞，系統(tǒng)布置密度較低，布置1套或2套液壓管路是基本可行的，考慮到安全性的因素，不建議3套液壓管路均布置在盒段內(nèi)。由于機(jī)翼盒段的維護(hù)通道只能通過(guò)機(jī)翼下壁板的口蓋，盒段內(nèi)布置液壓管路時(shí)需要考慮液壓管路的維修性。

4.3 后緣布置液壓管路可行性

相比前緣來(lái)說(shuō)，機(jī)翼后緣艙內(nèi)布置空間相對(duì)要寬敞些，可參見(jiàn)圖4所示。單側(cè)機(jī)翼后緣艙內(nèi)主要布置有個(gè)擾流板、副翼和襟翼作動(dòng)器等飛控系統(tǒng)及相應(yīng)的支架，液壓系統(tǒng)管路均需連接至后緣艙附近的上述飛控系統(tǒng)用戶，一般后緣艙下部都有可拆卸的維修口蓋，且相應(yīng)的舵面都可打開(kāi)，因此后緣艙區(qū)域的維修性和可達(dá)性較好，因此認(rèn)為布置1套液壓管路是基本可行的。另外，后緣一般位于發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子爆破大碎片的影響區(qū)域以外，且有后梁結(jié)構(gòu)的保護(hù)，液壓管路布置在此處，相對(duì)前緣而言是比較安全的。但要布置2套或3套液壓管路，空間相對(duì)而言就很緊張，幾乎很難同時(shí)將2套液壓系統(tǒng)管路及EWIS電纜從如此狹小的空間穿過(guò)，也不滿足不同系統(tǒng)之間的隔離要求。對(duì)于安全性，大部分后緣艙內(nèi)布置有襟翼扭力管，屬于擺動(dòng)桿影響區(qū)，一旦特定風(fēng)險(xiǎn)事件對(duì)液壓管路造成損傷，若布置2套及以上液壓系統(tǒng)，則液壓系統(tǒng)同時(shí)失效的可能性非常大，可能造成極大的安全隱患。

綜上，后緣艙空間相比于前緣要大，且受影響的特殊風(fēng)險(xiǎn)項(xiàng)目要少，因此液壓管路布置在后緣艙內(nèi)是較為可行的。但受限于空間，一般只能布置1套系統(tǒng)管路（少數(shù)較早期的飛機(jī)能夠布置2套），后緣艙很難為2套及以上液壓系統(tǒng)管路提供足夠的布置空間，且安全性差，會(huì)影響飛行安全。

4.4 液壓系統(tǒng)管路布置優(yōu)選

根據(jù)上述4.1到4.3章節(jié)的論述，表1羅列了所有的機(jī)翼內(nèi)理論上液壓管路的布置方案，并進(jìn)行了可行性分析。參照表1可見(jiàn)，盒段內(nèi)布置2套、后緣布置1套液壓管路的方案是相對(duì)較佳的方案；其次是盒段內(nèi)布置1套、后緣布置2套液壓管路的方案。在民機(jī)的液壓管路初步布置時(shí)，要根據(jù)飛機(jī)機(jī)翼實(shí)際的液壓用戶布置方案、機(jī)翼結(jié)構(gòu)空間大小及規(guī)劃的管路通道大小、最新適航條款等來(lái)具體分析可行的液壓系統(tǒng)布置方案。在規(guī)劃好管路總的布置方案后，需根據(jù)相應(yīng)的設(shè)計(jì)原則來(lái)開(kāi)展管路的細(xì)化設(shè)計(jì)工作。

最新型B787飛機(jī)的3套液壓管路布置方案見(jiàn)圖5，從中可以看出，B787采用的是在機(jī)翼盒段內(nèi)布置2套液壓管路、后緣布置1套液壓管路的方案，從另一個(gè)側(cè)面印證了本文分析的可行性。

5 總結(jié)

本文簡(jiǎn)述了民用飛機(jī)的液壓系統(tǒng)在機(jī)翼上布置需考慮的原則與因素，詳細(xì)論述了液壓管路布置在機(jī)翼前緣、盒段和后緣可能會(huì)存在的問(wèn)題，重點(diǎn)論證了液壓管路布置在盒段內(nèi)對(duì)飛機(jī)可能產(chǎn)生的影響，最后提出了機(jī)翼上3套液壓系統(tǒng)的最優(yōu)配置方案，形成了可供參考的民用飛機(jī)機(jī)翼上液壓系統(tǒng)的布置方案。

【參考文獻(xiàn)】

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[責(zé)任編輯：王楠]