飛機(jī)操縱系統(tǒng)的液電征程

尚耀星

液壓系統(tǒng)干什么用？

機(jī)載液壓系統(tǒng)是飛機(jī)實(shí)現(xiàn)姿態(tài)控制和保證飛機(jī)安全的重要子系統(tǒng)，液壓技術(shù)由于其功率密度大、快速性好、剛度大，一直以來(lái)在航空領(lǐng)域廣泛應(yīng)用，普遍應(yīng)用于飛機(jī)操縱控制舵機(jī)驅(qū)動(dòng)、起落架收放等大負(fù)載、大功率、高響應(yīng)速度、高伺服精度等場(chǎng)合，被稱為“飛行器的血管和肌肉”。

對(duì)于機(jī)載液壓系統(tǒng)，目前大多數(shù)的飛行器采用的是集中式的液壓源，由飛機(jī)引擎驅(qū)動(dòng)的液壓泵產(chǎn)生高壓流體，通過(guò)液壓管路傳遞到飛機(jī)的操縱控制舵機(jī)、起落架等部件完成驅(qū)動(dòng)功能。為保證機(jī)載液壓系統(tǒng)工作可靠，特別是提高飛行操縱系統(tǒng)的液壓動(dòng)力源的可靠性，現(xiàn)代大型民用飛機(jī)上大多裝有多套互相獨(dú)立的液壓系統(tǒng)，給飛機(jī)液壓用戶提供液壓能源。

目前液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)特點(diǎn)

空客A320飛機(jī)液壓系統(tǒng)由3套相互獨(dú)立的液壓源系統(tǒng)組成。主液壓系統(tǒng)是1號(hào)系統(tǒng)和3號(hào)系統(tǒng)，備用液壓系統(tǒng)是2號(hào)系統(tǒng)。1號(hào)系統(tǒng)配備一臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)泵（EDP）作為飛機(jī)主要液壓動(dòng)力源。3號(hào)系統(tǒng)配備一臺(tái)EDP的同時(shí)好友一臺(tái)交流電動(dòng)泵（EMP）作為備用液壓動(dòng)力源。2號(hào)系統(tǒng)配備一臺(tái)EMP和一臺(tái)沖壓空氣渦輪驅(qū)動(dòng)泵（RAT）作為備用液壓動(dòng)力源。

輔助動(dòng)力裝置（APU）是一個(gè)完整的獨(dú)立系統(tǒng)，位于飛機(jī)尾部防火艙內(nèi)的一個(gè)燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)，自己?jiǎn)为?dú)配備啟動(dòng)電動(dòng)機(jī)，APU的作用是向飛機(jī)獨(dú)立地提供電力和壓縮空氣，提供壓縮空氣和電能供飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)。

與A320類(lèi)似，波音B737飛機(jī)同樣配備3套獨(dú)立工作的液壓能源系統(tǒng)。A系統(tǒng)和B系統(tǒng)相同，各配備一臺(tái)EDP作為飛機(jī)主要液壓動(dòng)力源以及一臺(tái)EMP作為飛機(jī)備用液壓動(dòng)力源。備用系統(tǒng)配備一臺(tái)EMP作為飛機(jī)備用液壓動(dòng)力源。

早在20世紀(jì)40年代，美國(guó)人對(duì)液壓能和電能作為飛機(jī)上二次能源的效率進(jìn)行了研究比較，由于當(dāng)時(shí)電力技術(shù)水平的限制，研究者得出的結(jié)論是采用基于液壓能的飛機(jī)二次能源是最優(yōu)的方案。此后，軍用和民用飛機(jī)上主要飛行控制系統(tǒng)一直采用液壓作動(dòng)系統(tǒng)，并且在很長(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi)液壓系統(tǒng)仍將在飛機(jī)上占據(jù)不可替代的地位。

近年來(lái)，在“多電飛機(jī)”技術(shù)的迅猛發(fā)展之下，飛行器操縱控制領(lǐng)域用電能取代液壓能的呼聲越來(lái)越高，機(jī)載液壓系統(tǒng)配置也逐漸開(kāi)始出現(xiàn)多電構(gòu)型，最具有代表性的是空客公司A380新型客機(jī)。

380的大膽觸電

2005年4月27日首飛的A380飛機(jī)將液壓能與電能有效結(jié)合，液壓系統(tǒng)配置采用“2套液壓系統(tǒng)和2套電系統(tǒng)”布局構(gòu)型。其中，2套液壓系統(tǒng)為傳統(tǒng)液壓動(dòng)力作動(dòng)系統(tǒng)作為飛機(jī)主要能源動(dòng)力系統(tǒng)，每套液壓系統(tǒng)配置4臺(tái)EDP和2臺(tái)EMP，為飛機(jī)操縱控制、起落架、前輪轉(zhuǎn)彎相關(guān)系統(tǒng)提供液壓動(dòng)力。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)影響其它EDP工作性能和系統(tǒng)級(jí)工作性能，EMP作為液壓系統(tǒng)的備用泵源。

2套電系統(tǒng)為分布式的電動(dòng)靜液作動(dòng)器系統(tǒng)，用于取代早期傳統(tǒng)空客機(jī)型的液壓備份系統(tǒng)，由電動(dòng)靜液作動(dòng)器（EHA）與備用電動(dòng)靜液作動(dòng)器（EBHA）組成。4套系統(tǒng)中的任何一套都可以對(duì)飛機(jī)進(jìn)行單獨(dú)控制，使A380液壓系統(tǒng)的獨(dú)立性、冗余度和可靠性達(dá)到了前所未有的高度。EHA與分布式本地電動(dòng)泵源（LEHGS）等新型技術(shù)在A380飛機(jī)上的成功使用，開(kāi)啟了飛機(jī)液壓系統(tǒng)從傳統(tǒng)液壓伺服控制到“多電飛機(jī)”新型技術(shù)的先河。

A380的飛行控制系統(tǒng)中EHA與LEHGS結(jié)合運(yùn)用的2套電系統(tǒng)，大大減少了機(jī)載液壓元件與液壓管路，降低了飛機(jī)重量，減少了能量消耗，提高了飛機(jī)的維護(hù)性。值得注意的是，A380選擇多電構(gòu)型代替的是傳統(tǒng)機(jī)型的液壓備份系統(tǒng)，配置的EHA和LEHGS只是作為備用作動(dòng)器，主動(dòng)作動(dòng)器仍然是常規(guī)的機(jī)載液壓系統(tǒng)。為了減輕A380的重量，創(chuàng)新設(shè)計(jì)的LEHGS通過(guò)微型泵技術(shù)為前輪轉(zhuǎn)彎系統(tǒng)和剎車(chē)系統(tǒng)提供備用動(dòng)力，當(dāng)主機(jī)集中液壓源故障失效時(shí)安裝在各分系統(tǒng)附近的LEHGS在應(yīng)急情況下為用戶提供動(dòng)力。

“多電飛機(jī)”和“全電飛機(jī)”的諸多好處使機(jī)載電能取代機(jī)載液壓能成為一種趨勢(shì)，A380客機(jī)的成功裝備更是加深了這種看法，就長(zhǎng)遠(yuǎn)發(fā)展而論，多電技術(shù)確實(shí)代表了包括液壓系統(tǒng)在內(nèi)的機(jī)載機(jī)電系統(tǒng)的發(fā)展方向，未來(lái)的機(jī)載液壓系統(tǒng)將呈現(xiàn)多電化的發(fā)展方向。但是，就目前發(fā)展而言，電力作動(dòng)與液壓作動(dòng)兩者之間孰優(yōu)孰劣還值得商榷，尤其在體積、質(zhì)量、功率和效率、散熱及控制管理方面。

電力作動(dòng)技術(shù)帶來(lái)的最大優(yōu)勢(shì)就是取消了復(fù)雜的液壓管路，減輕了液壓系統(tǒng)的重量，但是，同比增加的電纜質(zhì)量和作動(dòng)器質(zhì)量卻可能抵消這一優(yōu)勢(shì)。同時(shí)，“多電飛機(jī)”的再生功率是一大挑戰(zhàn)，因?yàn)樵陲w行期間，電作動(dòng)器會(huì)將再生功率強(qiáng)加給機(jī)載電力系統(tǒng)，飛機(jī)的電特性不允許電力系統(tǒng)有再生功率，通常的辦法是使用大電阻就地消耗作動(dòng)器的再生功率，但這將大大增加飛機(jī)熱量管理的負(fù)擔(dān)。

研制和發(fā)展大型寬體客機(jī)，不僅能適應(yīng)快速增長(zhǎng)的航空市場(chǎng)需求，同時(shí)也能促進(jìn)關(guān)聯(lián)產(chǎn)業(yè)發(fā)展和多學(xué)科進(jìn)步，隨著“多電飛機(jī)”技術(shù)的迅猛發(fā)展，機(jī)載液壓系統(tǒng)面臨嚴(yán)峻的生存挑戰(zhàn)，但是“多電飛機(jī)”并不是對(duì)傳統(tǒng)機(jī)載液壓系統(tǒng)的否定，在未來(lái)很長(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi)，兩者將并行發(fā)展，機(jī)載液壓能源系統(tǒng)在機(jī)載操縱控制領(lǐng)域仍然有著不可替代的地位，最具有代表性的就是波音公司B787客機(jī)。

787的權(quán)衡考量

2009年12月15日，波音B787試飛成功。B787的液壓系統(tǒng)采用傳統(tǒng)配置，配置左、中、右3套獨(dú)立的液壓系統(tǒng)，其中，1號(hào)液壓系統(tǒng)和3號(hào)液壓系統(tǒng)各配置一個(gè)EDP和一個(gè)EMP，EDP用作液壓系統(tǒng)的主要?jiǎng)恿υ?，EMP用來(lái)在系統(tǒng)功率需求較大的情況下補(bǔ)充主泵，EDP在飛機(jī)飛行時(shí)全程工作，EMP僅在起飛和著陸時(shí)工作。2號(hào)液壓系統(tǒng)由兩個(gè)EMP和一個(gè)RAT來(lái)提供壓力，兩個(gè)EMP可按照工作日交替充當(dāng)主泵使用與備用泵使用。在系統(tǒng)配置上可以保證任何一套系統(tǒng)均能夠滿足飛行控制的操縱要求。并且，由于B787客機(jī)采用機(jī)電作動(dòng)器（EMA）來(lái)控制部分舵面，液壓用戶顯著減少，采用電剎車(chē)系統(tǒng)來(lái)替代傳統(tǒng)的液壓剎車(chē)系統(tǒng)，減少了液壓管路及油液泄漏保護(hù)裝置的設(shè)計(jì)，系統(tǒng)大大簡(jiǎn)化，系統(tǒng)可靠性得到了提高，避免了油液泄漏，降低了維修成本。

機(jī)載液壓系統(tǒng)從誕生至今，在飛行器操縱控制領(lǐng)域走過(guò)了一條輝煌的發(fā)展道路，由于稀土永磁無(wú)刷直流電機(jī)的發(fā)展大大提高了電力驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的性能，“多電飛機(jī)”和“全電飛機(jī)”計(jì)劃的提出和實(shí)施擠壓了傳統(tǒng)機(jī)載液壓系統(tǒng)的發(fā)展空間，不可否認(rèn)，電力傳動(dòng)正在與航空液壓進(jìn)行著激烈競(jìng)爭(zhēng)。但是，就目前情況來(lái)看，電力作動(dòng)系統(tǒng)在質(zhì)量、轉(zhuǎn)矩、頻寬等各方面完全達(dá)到液壓的水平仍有一定困難，鑒于多年來(lái)液壓系統(tǒng)的技術(shù)積累和技術(shù)成熟度，在后面很長(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi)，機(jī)載液壓系統(tǒng)的地位仍然不可替代，傳統(tǒng)機(jī)載液壓系統(tǒng)和新型多電系統(tǒng)，兩者將相互借鑒，相互融合，并行發(fā)展。

責(zé)任編輯：武瑾媛