運輸機類飛機液壓系統(tǒng)故障模擬試飛方法

摘 要：液壓系統(tǒng)是飛機的關(guān)鍵系統(tǒng)之一，在飛機安全運行中發(fā)揮著重要作用。液壓系統(tǒng)故障模擬試飛是運輸類飛機設(shè)計定型的重要科目，該文介紹某型機液壓故障模擬試飛方法，首先對試驗對象和條款要求進行剖析，介紹試飛科目的選取原則，以及常用的液壓系統(tǒng)故障注入方式，對試飛過程中的注意事項和試飛風險進行簡要分析和總結(jié)，在此基礎(chǔ)上給出具體試飛方法，可為后續(xù)型號的試飛提供經(jīng)驗和借鑒。

關(guān)鍵詞：液壓系統(tǒng);故障模擬;試飛;運輸類飛機;風險分析

中圖分類號：V267 文獻標志碼：A 文章編號：2095-2945（2024）34-0111-04

Abstract： Hydraulic system is one of the key systems of the aircraft， which plays an important role in the safe operation of the aircraft. Hydraulic system fault simulation flight test is an important subject in the design and finalization of transport aircraft. This paper introduces the hydraulic fault simulation flight test method of a certain type of aircraft. Firstly， the test object and clause requirements are analyzed. The selection principle of flight test subjects and the common fault injection methods of hydraulic system are introduced. The precautions and flight test risks in the flight test process are briefly analyzed and summarized. On this basis， the sJb11540w3NivKTPdAj68DYOelqh8xK0wf7Tdbo7SdCg=pecific flight test method is given， which can provide experience and reference for the flight test of subsequent models.

Keywords： hydraulic; system fault simulation; test flight; transport aircraft; risk analysis

飛機液壓系統(tǒng)是重要的二次能源系統(tǒng)，利用液壓油的壓力，為飛機上多個系統(tǒng)傳遞動力?，F(xiàn)代飛機液壓系統(tǒng)是一種典型的多余度、大功率、高復雜度的綜合系統(tǒng)，為保證工作可靠性，一般由多套相互獨立且互為備份的獨立系統(tǒng)組成。

液壓系統(tǒng)與飛行控制系統(tǒng)、前輪轉(zhuǎn)彎系統(tǒng)、剎車系統(tǒng)、起落架收放系統(tǒng)和艙門控制系統(tǒng)等多個飛機平臺關(guān)鍵系統(tǒng)相交聯(lián)，液壓能源系統(tǒng)故障、失效可能導致飛機相關(guān)系統(tǒng)工作狀態(tài)異常，使飛機的操縱品質(zhì)、戰(zhàn)術(shù)效能甚至安全性受到嚴重影響。當前國內(nèi)國際上進行民用運輸機適航審定時，也會要求進行液壓能源故障試飛，用以表明飛機的操縱和響應特性、相關(guān)系統(tǒng)工作狀態(tài)及安全性。民機的適航條款以及軍用運輸機的研制總要求、相關(guān)國軍標[1-2]，對液壓系統(tǒng)故障都有明確要求。液壓故障模擬試飛的最大特點和優(yōu)勢在于驗證環(huán)境真實、飛機和系統(tǒng)交聯(lián)完整，這成為驗證飛機液壓系統(tǒng)設(shè)計符合性、支持飛機定型取證的最有效手段。因此，進行液壓故障模擬試飛是十分必要的。本文以某型機為例，研究運輸類飛機液壓故障模擬試飛方法。

1 試驗對象概述

某型運輸機液壓系統(tǒng)設(shè)置3套相互獨立的、連續(xù)工作的1、2和3號液壓能源系統(tǒng)，為飛機上的液壓用戶提供液壓能源。1、2號液壓系統(tǒng)分別由2臺發(fā)動機驅(qū)動的液壓泵（EDP）作為主液壓源，還配備有1臺交流電動泵（ACMP）作為輔助液壓源。1號和2號液壓能源系統(tǒng)之間設(shè)置功率轉(zhuǎn)換裝置（PTU）組件，當1號或2號能源系統(tǒng)低壓故障（非泄漏引起）時，通過PTU組件進行功率轉(zhuǎn)換，仍能保證向該故障系統(tǒng)內(nèi)的用戶供壓。3號能源系統(tǒng)由2臺交流電動泵和1臺沖壓空氣渦輪（RAT）泵供壓。

該型機液壓系統(tǒng)EDP采用恒壓變量柱塞泵，有“關(guān)”“開”“自動”3種工作模態(tài)?！瓣P(guān)”位時，主泵卸荷;“開”位時，主泵正常工作，輸出額定壓力;“自動”位時，由機電管理計算機按設(shè)定的邏輯自動控制主泵卸荷或不卸荷。電動泵（ACMP）同樣具有“關(guān)”“開”“自動”3種工作模態(tài)，“關(guān)”位時，泵關(guān)斷;“開”位時，泵連續(xù)運轉(zhuǎn);“自動”位時，由機電管理計算機按設(shè)定的邏輯自動控制電動泵起停。

2 條款要求與分析

2.1 條款要求

2.1.1 適航審查基礎(chǔ)

CCAR25.1309設(shè)備、系統(tǒng)及安裝（c）（d）。

CCAR25.1435 液壓系統(tǒng)（c）（2）。

2.1.2 研制總要求

液壓系統(tǒng)任一系統(tǒng)失效時飛行品質(zhì)不應降級。雙套液壓系統(tǒng)均失效時飛行品質(zhì)不應低于3級。

2.1.3 國軍標要求

GJB 1396—1992《飛機液壓、應急氣動系統(tǒng)試驗要求和方法》中5.5.2故障狀態(tài)試驗。

2.2 條款剖析

CCAR25.1309（c）條款要求提供警告信息，向飛行機組告誡系統(tǒng)的不安全的工作情況[3]。

CCAR25.1309（d）條款要求用分析的方法，必要時采用適當?shù)牡孛妗w行或模擬器試驗來驗證，每個失效狀態(tài)的概率和故障嚴重性等級是關(guān)聯(lián)的，以保證對可預見的失效或其他事件對安全性的影響進行評估。評估失效狀態(tài)的嚴重性時，可以考慮下述方面。

1）對飛機的影響，如安全性裕度減小、性能降低、執(zhí)行某些飛行操作能力的喪失或?qū)Y(jié)構(gòu)完整性有潛在的或繼發(fā)的影響。

2）對機組成員的影響，如工作量增加超過正常工作負荷，從而影響他們應付不利的操作或環(huán)境情況或繼發(fā)失效的能力。

CCAR25.1435c（2）條款要求液壓系統(tǒng)進行失效條件下的模擬試驗，以驗證液壓系統(tǒng)的安全性。

研制總要求分別對單套液壓系統(tǒng)故障、雙套液壓系統(tǒng)組合故障提出了飛行品質(zhì)等級要求。這些要求可以分解為對液壓故障狀態(tài)下的短周期模態(tài)特性、荷蘭滾模態(tài)特性、滾轉(zhuǎn)模態(tài)特性、縱向靜穩(wěn)定性、橫向靜穩(wěn)定性、航向靜穩(wěn)定性、滾轉(zhuǎn)操縱效能和配平特性等方面的要求。

GJB 1396—1992要求進行液壓故障狀態(tài)下的飛行試驗，以驗證液壓系統(tǒng)設(shè)計的充分程度。

3 故障試飛科目的選取

液壓系統(tǒng)故障對飛機的安全性影響分為2個層次，一是導致飛機和系統(tǒng)功能喪失，二是導致相關(guān)系統(tǒng)模態(tài)降級、性能下降。故障模式及其組合數(shù)量龐大，不可能逐一試飛驗證，而且故障模擬試飛又伴隨著風險高、周期長等特點，因此在試飛科目選擇過程中應當綜合權(quán)衡。

在ARP4761A《民用航空器、系統(tǒng)和設(shè)備安全評估過程指南》中，描述了執(zhí)行飛機認證安全評估的指南和方法。因此可以ARP4761A中的FHA（功能危險性評估）方法為框架，完成液壓系統(tǒng)故障模擬試飛科目的選取。試飛驗證過程以FHA中的功能喪失狀態(tài)和系統(tǒng)主要故障工作模態(tài)替代。功能危險性評估的影響等級和分類見表1。

依據(jù)該型飛機液壓系統(tǒng)FHA（功能危險性評估）報告，液壓系統(tǒng)的故障37項，其中I類故障7項，III類故障7項，IV類故障9項，V類故障10項。對于完成FHA理論和模擬器評估的失效狀態(tài)，在試飛科目的選取中，制定如下原則：對于I類和II類故障模式，由于其失效后可能會產(chǎn)生災難性和危險的狀態(tài)，試飛風險過大，考慮到試飛安全原則，不將其納入試飛考核科目范疇。V類故障對飛機、機組和乘員的影響較小，考慮到必要性原則，不進行試飛驗證。試飛主要針對III類和IV類故障，同時，考慮失效狀態(tài)的難易程度，對于故障模式實現(xiàn)起來特別困難或者疊加其他重大風險的故障模式，不進行試飛考核。綜上考慮之后，該型機液壓故障模擬試飛的科目有：單套液壓系統(tǒng)故障模擬試飛，雙套液壓系統(tǒng)組合故障模擬試飛，RAT工作試飛。

4 故障模擬方法

液壓故障模擬試飛的關(guān)鍵點之一在于如何向飛機注入液壓故障，模擬液壓系統(tǒng)失效，使得液壓系統(tǒng)無法向機上各用戶提供壓力。

液壓系統(tǒng)的動力元件機上的多臺液壓泵，可通過模擬各液壓泵故障來進一步模擬液壓系統(tǒng)失效。發(fā)動機驅(qū)動泵（EDP）通過聯(lián)軸器與發(fā)動機上的齒輪箱相聯(lián)，隨發(fā)動機起動而工作，EDP為恒壓變量泵，正常工作時輸出額定壓力。EDP與發(fā)動機為機械連接，不能人工關(guān)閉。EDP內(nèi)配有減壓電磁線圈，當接收到卸荷指令后，EDP內(nèi)減壓電磁線圈通電，使得EDP的輸出壓力降低。在進行EDP故障模擬時，可采用EDP卸荷工作方式來進行模擬，當EDP卸荷時，其輸出壓力減小，由正常額定壓力減小至卸荷壓力，卸荷壓力不足以支持液壓用戶的正常工作，能夠模擬故障情況。電動泵（ACMP）故障模擬直接使用駕駛艙內(nèi)的液壓頂控板，將ACMP的供壓控制旋鈕置于“關(guān)”位，即可實現(xiàn)ACMP的故障模擬。因此，該型機使用液壓控制面板上液壓泵的供壓旋鈕便能完成液壓系統(tǒng)的故障注入。

值得注意的是，使用卸荷工作來模擬EDP故障的前提是主泵的卸荷壓力無法支持液壓用戶的正常工作，若EDP的卸荷壓力過高，則不可直接采用卸荷工作方式來模擬EDP故障，需在機上設(shè)計加裝專用的液壓系統(tǒng)故障模擬設(shè)備。某民機EDP卸荷時，輸出壓力由正常額定壓力減小至14 MPa，14 MPa的輸出壓力依然能夠保持液壓用戶特別是主飛控的用戶剛度，不能真實模擬故障情況。因此，為進行液壓能源系統(tǒng)故障模擬試飛，該型機設(shè)計了一套專用的EDP故障模擬裝置加裝在飛機上[4-5]，該裝置的原理是通過截止泵的輸出流量，使得EDP的斜盤傾角調(diào)整至0°，實現(xiàn)EDP的零流量輸出給液壓系統(tǒng)用戶，模擬EDP故障狀態(tài)，以滿足試飛要求。

5 風險分析及化解措施

5.1 風險分析

針對該型機的特點，分析試飛過程中可能出現(xiàn)的風險點，具體如下。

1）模擬液壓系統(tǒng)故障后不能恢復到正常供壓狀態(tài)，部分飛控舵面、前輪轉(zhuǎn)彎、起落架和剎車等用戶喪失壓力，無法正常工作，飛行員負擔大，控制飛機或著陸困難。

2）模擬液壓系統(tǒng)故障時，飛控系統(tǒng)降級，電傳飛控不可恢復，飛控系統(tǒng)的三軸增穩(wěn)功能喪失，保護功能喪失，縱向自動配平功能喪失，飛行品質(zhì)降級，飛行員負擔大，著陸困難。

5.2 化解措施

對于試飛中可能出現(xiàn)的風險點，化解措施具體如下。

1）試飛前，機組完成鐵鳥臺試驗，熟悉液壓系統(tǒng)故障時飛機的操縱特性和著陸特性;確定實際試驗過程中的操縱量和操縱方式，避免過大的操縱量或過急劇的操縱輸入導致飛控降級。

2）試飛前，通過機上地面試驗檢查液壓故障注入及恢復情況，檢查各相關(guān)系統(tǒng)告警指示是否正確。

3）試飛時，先進行單套液壓系統(tǒng)故障試飛，后進行雙套液壓系統(tǒng)故障試飛，試驗按照循序漸進的原則進行，逐步化解試飛風險，做到心中有數(shù)。

4）準備應急處置預案。試飛中若出現(xiàn)飛控降級現(xiàn)象，則后續(xù)試驗終止，嘗試將作動器恢復至電傳控制，如無法恢復，則執(zhí)行飛控降級檢查單;若模擬液壓故障后，液壓系統(tǒng)不能正?；謴停瑒t應執(zhí)行相應的快速檢查單。

6 試驗安排

該型機飛控舵面為液壓二余度配置，2個余度分別由兩路液壓源供壓，在正常情況下，主舵面作動器為主備工作方式，且根據(jù)飛控上電進行切換。若主工作的作動器的液壓壓力過低，也會進行主備切換，轉(zhuǎn)入備份系統(tǒng)工作。如果兩路液壓源均故障，作動器轉(zhuǎn)入阻尼狀態(tài)。因此，當液壓系統(tǒng)故障時，并且當由該液壓系統(tǒng)供壓的作動器處于工作狀態(tài)時，受其控制的操縱舵面需要完成作動器主備切換，然后舵面才能繼續(xù)工作。反之，當由故障液壓系統(tǒng)供壓的作動器處于備份工作狀態(tài)時，該操縱舵面無須進行作動器主備切換，仍然可以繼續(xù)工作，不受故障液壓系統(tǒng)的影響。因此，該型機液壓故障模擬試飛時，飛控作動器的主備切換情況也是試飛過程中的一個考核點。若舵面為主供壓，則不存在考核主備切換問題。

液壓故障模擬試飛的具體試飛方法如下。

第一，飛機起飛爬升至目標高度后改平。

第二，按照預定計劃，注入液壓故障，檢查各告警信息。

第三，待液壓系統(tǒng)壓力穩(wěn)定后，依據(jù)飛機型號特點，完成液壓故障狀態(tài)下的機動性檢查或飛行品質(zhì)檢查。

第四，完成液壓故障狀態(tài)下的模擬著陸復飛。

第五，根據(jù)型號要求，以正常模態(tài)著陸或以故障模態(tài)著陸。

液壓系統(tǒng)故障模擬為高風險科目，在該科目試飛實施過程中，按計劃首先完成了鐵鳥臺試驗和機上地面試驗，使得機組和課題人員對液壓系統(tǒng)故障下的飛機特性和告警顯示有更加充分和真實的了解，檢查確認了液壓系統(tǒng)故障注入和恢復方法的有效性，以及告警信息、簡圖頁與控制面板指示的正確性，對設(shè)計邏輯在地面進行初步的驗證。通過前期地面試驗，發(fā)現(xiàn)飛控頂控板的指示燈顯示問題。在正式開飛前發(fā)現(xiàn)了設(shè)計缺陷并及時貫改，避免將問題帶上天，有效緩解了試飛風險。

在試飛過程中，按照循序漸進的原則開展，先單后雙，先易后難，逐步使飛行員熟悉液壓系統(tǒng)故障下的飛機操縱特性，增強飛行員信心。在單套液壓故障試飛中，發(fā)現(xiàn)了多功能擾流板在液壓失效狀態(tài)下的上浮及卡滯問題，后確認該現(xiàn)象為設(shè)計缺陷。發(fā)現(xiàn)問題后，及時暫停試飛進度，由設(shè)計人員排故并貫改，經(jīng)驗證貫改措施有效后，繼續(xù)開展試飛。依據(jù)前期的試驗計劃和安排，做到了試飛過程中所有現(xiàn)象均可預期并且可控，最終順利完成了液壓故障模擬風險科目的試飛，為型號定型畫下了圓滿句號。

7 經(jīng)驗與教訓

根據(jù)該型號液壓故障模擬試飛，有以下經(jīng)驗教訓可供參考。

第一，試飛任務執(zhí)行前，前期應當梳理液壓故障后對各個用戶系統(tǒng)的影響，評估飛機飛行狀態(tài)，并制定針對性的安全操作程序和方法，以確保飛行安全和試驗的順利進行。

第二，液壓系統(tǒng)故障模擬試飛，應安排在各用戶系統(tǒng)故障模擬試飛之后開展，例如飛控系統(tǒng)舵面卡阻、飛控系統(tǒng)降級、起落架應急放、應急剎車和前輪轉(zhuǎn)彎失效等科目。試飛前需梳理總結(jié)前期試飛結(jié)果，使試飛員和課題人員熟悉飛機狀態(tài)。

8 結(jié)論

本文以某型運輸機為基礎(chǔ)，介紹了該型機液壓系統(tǒng)故障模擬的條款要求，試飛科目選取原則及試飛實現(xiàn)方法，全面考慮液壓系統(tǒng)失效對用戶的影響，并對試飛過程中的注意事項和試飛風險進行了簡要分析和總結(jié)，圓滿完成了液壓系統(tǒng)的故障模擬試飛，并且可為后續(xù)型號該科目的試飛提供經(jīng)驗和借鑒。

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第一作者簡介：趙翔（1993-），女，碩士，工程師。研究方向為飛機液壓系統(tǒng)試飛。