民用飛機(jī)液壓能源系統(tǒng)故障模擬試飛實(shí)現(xiàn)方法

韓定邦　周昌明

【摘 要】液壓系統(tǒng)故障試飛是民用飛機(jī)適航驗(yàn)證的重要科目，本文介紹了一種在飛機(jī)上模擬液壓系統(tǒng)故障的裝置及其實(shí)現(xiàn)方法，并對(duì)試飛風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行簡(jiǎn)要分析。

【關(guān)鍵詞】民用飛機(jī)；液壓系統(tǒng)；故障模擬；試飛

0 引言

現(xiàn)代民用飛機(jī)液壓系統(tǒng)是典型的多余度、大功率的復(fù)雜綜合系統(tǒng)，為保證的可靠工作，大都采用多余度設(shè)計(jì)，有2套或3套甚至更多套獨(dú)立的系統(tǒng)，并且系統(tǒng)間可以相互進(jìn)行能源轉(zhuǎn)換，以保證飛機(jī)液壓系統(tǒng)的可靠工作。而且大多飛機(jī)設(shè)計(jì)有輔助系統(tǒng)，以保證在應(yīng)急情況下一些主要操作系統(tǒng)可以工作，保證飛機(jī)安全落地。

根據(jù)民航適航標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，對(duì)于飛機(jī)系統(tǒng)可能存在的失效情況，必須通過(guò)分析，必要時(shí)通過(guò)適當(dāng)?shù)牡孛妗w行或模擬器試驗(yàn)來(lái)表明發(fā)生任何妨礙飛機(jī)繼續(xù)安全飛行與著陸的失效狀態(tài)的概率極不可能。

對(duì)于液壓系統(tǒng)，需通過(guò)分析和試驗(yàn)表明，在所有可能發(fā)生的故障狀態(tài)下，影響飛機(jī)安全飛行的概率極不可能。液壓系統(tǒng)故障試飛需要模擬可能發(fā)生的故障狀態(tài)，本文介紹了一種基于飛機(jī)和液壓用戶安全性要求的、用于液壓系統(tǒng)故障試飛的發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)泵（EDP）故障模擬閥設(shè)計(jì)。

1 條款分析

CCAR 25.1309（c）（d）、CCAR25.1435c（2）條款要求液壓系統(tǒng)進(jìn)行失效條件下模擬試驗(yàn)，驗(yàn)證液壓系統(tǒng)的安全性。CCAR25.671（d）條款要求飛機(jī)在所有發(fā)動(dòng)機(jī)失效的情況下是可控的。因此，需要對(duì)可能發(fā)生液壓系統(tǒng)故障情況進(jìn)行試飛驗(yàn)證。

2 液壓系統(tǒng)的原理及方案

1#系統(tǒng)的壓力由一臺(tái)左發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)泵及一臺(tái)與其并聯(lián)作備用的交流電動(dòng)泵產(chǎn)生。

2#系統(tǒng)的壓力由一臺(tái)右發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)泵及一臺(tái)與其并聯(lián)作備用的交流電動(dòng)泵產(chǎn)生。

3#系統(tǒng)正常工作及應(yīng)急工作時(shí)均只使用一臺(tái)電動(dòng)泵，另一臺(tái)作備用，這兩臺(tái)電動(dòng)泵可互為備用。當(dāng)出現(xiàn)雙發(fā)失效時(shí)候，3#系統(tǒng)電動(dòng)泵改由沖壓空氣渦輪（RAT）供電。此時(shí)，先接通主電動(dòng)泵的卸荷閥，在RAT啟動(dòng)正常供電后，卸荷閥關(guān)閉，主電動(dòng)泵啟動(dòng)供壓。RAT啟動(dòng)期間對(duì)液壓源的需求由3#系統(tǒng)蓄壓器提供。

在1#與2#液壓能源系統(tǒng)之間設(shè)置一個(gè)1#系統(tǒng)向2#系統(tǒng)進(jìn)行壓力轉(zhuǎn)換的單向能源轉(zhuǎn)換裝置。該裝置主要用于起飛著陸階段收放起落架時(shí)增大2#系統(tǒng)流量用。

3 故障模擬方法

3.1 發(fā)動(dòng)驅(qū)動(dòng)泵故障模擬的原理

故障模擬裝置的連接和工作原理如圖1所示。

在EDP供壓管路上加裝二位三通轉(zhuǎn)換閥，在常開位置接通EDP和壓力油濾管路。使故障模擬裝置在斷電狀態(tài)下保持系統(tǒng)正常工作；在駕駛艙加裝控制開關(guān)，當(dāng)該開關(guān)合上供電時(shí)，二位電磁閥轉(zhuǎn)換，EDP供油管路斷開——EDP斜盤自動(dòng)轉(zhuǎn)到0度——EDP的油量輸出為零。此時(shí)，由于壓力管路關(guān)閉，將沒(méi)有液壓油（壓力、流量）提供給系統(tǒng)及用戶，該狀態(tài)模擬了EDP故障的狀態(tài)。當(dāng)關(guān)閉控制開關(guān)，二位三通轉(zhuǎn)換閥回到常開位置，EDP向系統(tǒng)的管路接通，供油供壓恢復(fù)。

由于恢復(fù)供壓的時(shí)候油泵的流量輸出為零，同時(shí)液壓蓄壓器的壓力已經(jīng)降低到1800Psi，系統(tǒng)壓力低于1800Psi，EDP恢復(fù)供壓時(shí)候需要將對(duì)系統(tǒng)和蓄壓器逐步充壓。因此油路的突然開啟不會(huì)產(chǎn)生對(duì)系統(tǒng)的壓力沖擊。使用故障模擬裝置的時(shí)為避免大流量的沖擊，需要飛機(jī)在平飛狀態(tài)下保持飛機(jī)最小操作，保持系統(tǒng)最小供油的情況下啟動(dòng)轉(zhuǎn)換閥。

3.2 系統(tǒng)故障模擬的原理

電動(dòng)泵（ACMP）故障模擬則直接使用ACMP駕駛艙控制開關(guān)，將其置于OFF即可實(shí)現(xiàn)ACMP的故障模擬。

同時(shí)關(guān)閉ACMP和啟動(dòng)EDP故障模擬裝置及實(shí)現(xiàn)單套液壓系統(tǒng)故障模擬。同時(shí)模擬兩套液壓系統(tǒng)故障即可實(shí)現(xiàn)兩套液壓系統(tǒng)組合故障模擬。

3.3 用電量分析

在故障改裝中需要加裝的兩個(gè)二位三通轉(zhuǎn)換閥，單個(gè)閥在30VDC時(shí)的最大電流為0.75A，兩個(gè)閥總的最大電流需求為1.5A。機(jī)上重要匯流條的備用能力足夠。但是考慮最大可能減少電路改裝對(duì)飛機(jī)安全的影響，故擬在進(jìn)行該項(xiàng)改裝時(shí)使用單獨(dú)配置的電源。

3.4 重量重心變化分析

故障改裝加裝的兩個(gè)二位三通轉(zhuǎn)換閥，單個(gè)重量為1.9LBS，兩個(gè)閥總重為3.8LBS。兩套支架、管路的重量不超過(guò)2kg。該部分重量集中在后設(shè)備艙中部左、右側(cè)；加裝的電路由后設(shè)備艙中部到駕駛艙中控臺(tái)，電路的限制電流為5A，按兩套系統(tǒng)總重量約為12kg。該重量均勻分布。電路和油路改裝的重量對(duì)飛機(jī)重量重心的影響極小。

4 試飛風(fēng)險(xiǎn)分析

4.1 油泵性能風(fēng)險(xiǎn)

飛機(jī)使用的發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)泵為定壓變量泵（現(xiàn)代民用飛機(jī)液壓泵均采用的是定壓變量泵）。該泵在巡航轉(zhuǎn)速時(shí)保持3000±100Psi的輸出壓力的同時(shí)根據(jù)用戶的需求改變所提供的輸出油量，發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)泵的輸出流量為0～21GPM。即該泵保持3000Psi壓力的同時(shí)可以不輸出液壓流量。

定壓變量泵在飛機(jī)上使用的時(shí)候，地面狀態(tài)下，沒(méi)有用戶動(dòng)作，其流量輸出僅用于液壓用戶伺服閥的靜態(tài)流量，如3#系統(tǒng)的靜態(tài)流量不大于4500CCPM。1#2#系統(tǒng)的靜態(tài)流量不大于5400CCPM。在空中穩(wěn)定飛行的時(shí)候，飛控用戶處于一個(gè)穩(wěn)定狀態(tài)，由于動(dòng)作最小，用戶流量需求不大。根據(jù)EDP設(shè)計(jì)規(guī)范，當(dāng)流量增加或減少的時(shí)候油泵將在0.05s的時(shí)間內(nèi)做出響應(yīng)。因此，當(dāng)使用故障模擬裝置切斷油泵供油的時(shí)，油泵將在0.05s內(nèi)停止對(duì)用戶供油；在關(guān)閉故障模擬裝置時(shí)，油泵將在0.05s內(nèi)開始恢復(fù)對(duì)用戶供油。

泵超壓主要是由于調(diào)壓裝置節(jié)流孔堵塞導(dǎo)致。該（下轉(zhuǎn)第24頁(yè)）（上接第13頁(yè)）液壓泵發(fā)生斜盤卡死導(dǎo)致大流量故障的概率為2.86*10-7，故障發(fā)生的概率較小。根據(jù)FMEA分析，發(fā)生EDP斜盤角不能調(diào)至0度的故障（超壓故障）的危害等級(jí)為IV級(jí)。

EDP出口管路上設(shè)置有壓力測(cè)點(diǎn)，用于監(jiān)測(cè)EDP出口壓力的狀態(tài)。當(dāng)EDP出現(xiàn)故障時(shí)，可以及時(shí)通報(bào)飛行員采取措施進(jìn)行處置。使得超壓故障可知可控。

4.2 系統(tǒng)性能風(fēng)險(xiǎn)

在液壓系統(tǒng)中布置有液壓蓄壓器，其作用之一是吸收系統(tǒng)（含油泵）的壓力和流量沖擊。當(dāng)油泵在系統(tǒng)無(wú)壓?jiǎn)?dòng)的時(shí)候，油泵的流量將立即調(diào)成較大狀態(tài)，并用于系統(tǒng)和蓄壓器的充壓，完成充壓后，油泵的流量輸出將會(huì)調(diào)成最小狀態(tài)；當(dāng)油泵在系統(tǒng)有壓?jiǎn)?dòng)的時(shí)候，油泵只需要極小的流量即可達(dá)到正常的工作壓力，然后油泵將以最小狀態(tài)進(jìn)行工作。在液壓地面模擬試驗(yàn)臺(tái)上已經(jīng)完成了液壓油泵（EDP和ACMP）在增壓和非增壓下啟動(dòng)的試驗(yàn)，試驗(yàn)表明系統(tǒng)在增壓狀態(tài)和非增壓狀態(tài)啟動(dòng)油泵工作均正常。

由于1#、2#液壓系統(tǒng)還有ACMP作為備用泵，保證在EDP不能恢復(fù)的情況下，該套系統(tǒng)也不會(huì)完全失效，給飛機(jī)帶來(lái)的風(fēng)險(xiǎn)將不大于功能危險(xiǎn)性分析（FHA）中規(guī)定的單套液壓系統(tǒng)故障的風(fēng)險(xiǎn)。根據(jù)液壓系統(tǒng)功能危險(xiǎn)性分析，單套液壓系統(tǒng)失效帶來(lái)的飛機(jī)風(fēng)險(xiǎn)為IV類，1#、2#液壓系統(tǒng)同時(shí)故障的風(fēng)險(xiǎn)為III類。

該飛機(jī)液壓系統(tǒng)的設(shè)計(jì)壓力為3000Psi，耐壓為4500Psi，爆破壓力為9000Psi，正常工作時(shí)的泄荷閥開啟壓力為3700Psi，在發(fā)現(xiàn)油泵超壓后還有適當(dāng)?shù)姆磻?yīng)時(shí)間。

上述分析表明，該故障模擬油路為常規(guī)的控制油路，在液壓系統(tǒng)中大量使用，沒(méi)有原理性風(fēng)險(xiǎn)。

4.3 操作風(fēng)險(xiǎn)

1#、2#液壓系統(tǒng)的故障模擬裝置分別設(shè)置，可以保證出現(xiàn)兩臺(tái)EDP同時(shí)誤操作或者故障的風(fēng)險(xiǎn)最低。

系統(tǒng)使用的是斷電（常開）即正常的設(shè)置，在緊急的情況下可以拔掉斷路器。因而電路原理的風(fēng)險(xiǎn)最低。

故障模擬裝置由飛行員控制，可以保證飛行員能第一時(shí)間處置突發(fā)問(wèn)題，操作風(fēng)險(xiǎn)最低。

4.4 綜合試驗(yàn)風(fēng)險(xiǎn)

使用EDP故障模擬裝置模擬EDP故障時(shí)，飛機(jī)風(fēng)險(xiǎn)低于IV類（較小的：失效狀態(tài)不會(huì)明顯的降低飛機(jī)安全，機(jī)組的操作仍在其能力范圍內(nèi)）。

使用EDP故障模擬裝置模擬EDP故障，并使用ACMP控制開關(guān)同時(shí)關(guān)閉ACMP模擬單套液壓系統(tǒng)故障時(shí)，飛機(jī)風(fēng)險(xiǎn)為IV類。

使用故障模擬裝置模擬1#2#系統(tǒng)故障帶來(lái)的風(fēng)險(xiǎn)最高為III類（較大的：失效狀態(tài)會(huì)降低飛機(jī)的能力或機(jī)組處理不利操作的能力，包括明顯的降低安全裕度或功能能力，輕微的增加機(jī)組工作負(fù)擔(dān)，或個(gè)別乘客或客艙機(jī)組身體略有不適）。

由于進(jìn)行故障模擬的時(shí)候飛行員預(yù)先知道，同時(shí)還準(zhǔn)備處置預(yù)案，可以使飛機(jī)迅速恢復(fù)到正常狀態(tài)或者恢復(fù)到安全狀態(tài)，因此無(wú)論是EDP故障模擬，還是進(jìn)行1#2#系統(tǒng)組合故障模擬，對(duì)于飛機(jī)來(lái)說(shuō)都是可控的，安全的。

5 結(jié)論

本文介紹了一種液壓系統(tǒng)試飛中故障模擬的實(shí)現(xiàn)方法，在試飛改裝和試飛程序設(shè)計(jì)中，兼顧充分驗(yàn)證條款和保證試飛安全要求，采用了基于故障模擬閥和駕駛艙顯示、控制的液壓系統(tǒng)EDP故障模擬方法，全面考慮了液壓系統(tǒng)失效對(duì)用戶的影響，圓滿完成了液壓系統(tǒng)故障試飛。

【參考文獻(xiàn)】

[1]CCAR-25R4 中國(guó)民用航空規(guī)章第25部——運(yùn)輸類飛機(jī)適航標(biāo)準(zhǔn)[S].

[責(zé)任編輯：楊玉潔]