民機液壓系統(tǒng)的發(fā)展趨勢

摘 要：由于我國在大型民用飛機液壓系統(tǒng)研制方面起步較晚，當前從液壓元附件級到整個液壓系統(tǒng)級的供應商基本均為國外供應商的狀態(tài)下，如要自主開發(fā)可靠的大型民用飛機液壓系統(tǒng)和進行飛機級的集成則有必要進行民用飛機液壓系統(tǒng)的發(fā)展趨勢的分析探討。

關鍵詞：民用飛機；液壓系統(tǒng)；發(fā)展趨勢

1 民用飛機液壓系統(tǒng)現(xiàn)狀

1.1 國外民機液壓系統(tǒng)現(xiàn)狀

當前民用航空市場，主流機型為空客公司A320與波音公司B737，作為150座級雙發(fā)單通道干線客機，其液壓系統(tǒng)各有特點。

空客A320系列，其液壓系統(tǒng)由3套閉式獨立的液壓源組成，分別用綠、黃、藍來表示，其架構設計可保證2個液壓系統(tǒng)失效情況下飛機的安全操作。綠、黃兩套系統(tǒng)中發(fā)動機驅(qū)動泵（EDP）和藍系統(tǒng)中的電動泵（EMP）在正常情況下作為系統(tǒng)主泵，三個系統(tǒng)主泵通常設置為開機自動啟動，黃系統(tǒng)中的電動泵（EMP）只在大流量或主泵故障時啟動。藍系統(tǒng)作為備份系統(tǒng)，通過與沖壓空氣渦輪（RAT）聯(lián)結的液壓泵為藍系統(tǒng)提供應急壓力；當綠、黃兩套系統(tǒng)一個EDP失壓后，動力轉(zhuǎn)換單元（PTU）可自動啟動，由一套為另一套故障系統(tǒng)提供壓力；系統(tǒng)中設置有優(yōu)先閥，用于在系統(tǒng)低壓情況下，優(yōu)先向優(yōu)先級液壓用戶提供壓力。

波音B737系列，同樣有3套獨立的液壓系統(tǒng)組成，分別為A、B系統(tǒng)和備用系統(tǒng)。A、B系統(tǒng)是主液壓系統(tǒng)，其配置為一個EDP與一個EMP組成，正常壓力由EDP提供，當EDP失效時，由EMP補充壓力；備用系統(tǒng)由EMP為飛機提供動力；與A320不同的是，B737的PTU為單向動力傳遞，當B系統(tǒng)壓力低于系統(tǒng)預設值時，PTU啟動，將A系統(tǒng)的動力通過機械傳遞方式給B系統(tǒng)。

除以上兩款傳統(tǒng)機型外，最新投入市場的空客公司A380與波音公司B787，則代表了新型客機的最新技術，其液壓系統(tǒng)體現(xiàn)了未來民用飛機的發(fā)展方向。

空客A380，是空客公司的四發(fā)、遠程、超大型寬體客機，率先在大型客機上應用5000psi（35MPa壓力等級）的高壓液壓系統(tǒng)技術。同時，以EHA/EBHA系統(tǒng)來控制主飛行控制舵面，從而減少了一套液壓系統(tǒng)，由于EHA/EBHA布置在執(zhí)行器的附近，因而使驅(qū)動舵面的反應速度更快，結合分散式電液能源系統(tǒng)LEHGS等新型技術，以多電、多控制技術代替?zhèn)鹘y(tǒng)的液壓伺服控制系統(tǒng)，使得系統(tǒng)設計從傳統(tǒng)分配式模式向分布式模式轉(zhuǎn)變，簡化了液壓管路的布置，減少了液壓元件與管路的使用，降低了飛機重量，并提高了用戶系統(tǒng)的響應速度。A380采用了液壓系統(tǒng)加電系統(tǒng)的雙體系結構的飛行控制系統(tǒng)。2套液壓系統(tǒng)和2套電系統(tǒng)共四套系統(tǒng)均是相互獨立的，結構布局為2H/2E。其中2H為傳統(tǒng)的液壓動力作動系統(tǒng)，由8臺液壓驅(qū)動泵（EDP）和4臺帶電控及電保護的電動泵（EMP）組成兩主液壓系統(tǒng)的液壓能源，為飛機液壓系統(tǒng)的飛控系統(tǒng)、起落架系統(tǒng)等用戶提供液壓能源。所有EDP通過離合器與發(fā)動機相連，單獨關閉任何一個EDP都不會影響其他EDP工作及系統(tǒng)級性能，即便有一個不工作，飛機仍可被放行。2E為電控的分布式電液作動器系統(tǒng)，由電液作動器與備用電液作動器組成。2H/2E共4套系統(tǒng)中的任一系統(tǒng)均可對飛機進行單獨控制，進一步提高了A380液壓系統(tǒng)的獨立性、冗余度和可靠性。

B787是波音公司的雙發(fā)、200～300座級、中型寬體客機，同樣采用高壓液壓系統(tǒng)（系統(tǒng)工作壓力5000psi）來降低液壓系統(tǒng)的系統(tǒng)重量。同時液壓泵具有兩級轉(zhuǎn)速，具有智能液壓泵源的特點。其液壓系統(tǒng)仍由左、中、右三套獨立系統(tǒng)構成，其中左、右液壓系統(tǒng)各由兩臺液壓泵（一臺EDP和一臺EMP）來提供系統(tǒng)壓力，其中EDP在飛行時全程工作，EMP僅在起飛和著陸時工作，中系統(tǒng)由兩臺EMP和一臺渦輪沖壓泵（RAT）來提供壓力。B787液壓系統(tǒng)設計體現(xiàn)了未來多電飛機的發(fā)展趨勢，與B737相比，由于B787采用電機械（EMA）技術來控制部分飛行控制舵面，因此其液壓系統(tǒng)用戶相對減少。此外，B787采用電剎車系統(tǒng)來替代傳統(tǒng)的液壓剎車系統(tǒng)，剎車系統(tǒng)減少了液壓管路及相關油液泄漏保護裝置的設計，使系統(tǒng)得到大大簡化，系統(tǒng)可靠性得到了提高；同時由于沒有液壓管路，降低了維修成本?？偟膩碚f，B787飛機是由傳統(tǒng)的飛機系統(tǒng)概念向多電系統(tǒng)概念發(fā)展的創(chuàng)新機型。

1.2 國內(nèi)民機液壓系統(tǒng)現(xiàn)狀

近年來國內(nèi)在航空液壓技術方面取得的進展主要有以下幾方面。

1.2.1 在高壓液壓系統(tǒng)研制方面，我國對4000psi液壓系統(tǒng)的管路動態(tài)特性、高壓液壓元件的結構設計與分析、計算機輔助設計與仿真、智能泵源與變壓力泵源等，進行了廣泛深入的研究，并取得了重要成果；當前已經(jīng)研制了兩級壓力體制的液壓泵，并完成了臺架試驗。

1.2.2 在新型作動器的研制方面，我國在直接驅(qū)動式作動器的研究上取得了一定的突破，完成了地面原理樣機的研制，并開始在部分機型上裝機試用。對包括機電作動器和電靜液作動器在內(nèi)的功率電傳作動器進行了一系列原理性研究及原理樣機研制，取得了一定的成果，并且研制出了地面使用的小功率原理樣機。

1.2.3 在民用飛機液壓系統(tǒng)的系統(tǒng)集成上，中國商飛公司的ARJ21-700支線飛機的液壓系統(tǒng)采用3000psi的系統(tǒng)液壓壓力，并應用了自增壓油箱技術，目前已經(jīng)過一系列地面和飛行試驗驗證，并即將取得CAAC頒發(fā)的適航合格證，是我國首款完全按照FAA/CAAC適航要求設計取證的飛機；中國商飛公司的C919大型干線客機，系統(tǒng)架構與ARJ21-700飛機類似，但其采用了更先進的可變頻調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速的交流電動泵和油箱自動排氣功能等新技術，目前正處于詳細設計及驗證階段。

2 民用飛機液壓系統(tǒng)的發(fā)展趨勢

民用飛機液壓系統(tǒng)是支持飛機安全飛行、引導和進近的重要的動力系統(tǒng)，是飛機先進程度的一個重要標志，極大地影響到飛機的安全性、經(jīng)濟性。以未來先進機型的發(fā)展趨勢來看，多電技術的應用日益增多，機載液壓系統(tǒng)要求有更高功率/重量比和多能源協(xié)同優(yōu)化，使得機型的經(jīng)濟性大大提高；分布式液壓系統(tǒng)及功率電傳作動系統(tǒng)，為民用飛機提供了更高的余度配置，進一步提高了安全性和可靠性。

隨著多電技術、材料技術、制造技術與控制技術的迅速發(fā)展，液壓系統(tǒng)的發(fā)展總的趨勢是：低重量、小體積、高壓化、分布式架構、主動維護的故障診斷與健康管理、智能泵源系統(tǒng)，并且系統(tǒng)及其設備的地面維護更加容易。具體而言，有如下特點。

2.1 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)和液壓附件設計的最重要的依據(jù)。傳統(tǒng)主流飛機都采用3000psi（21MPa）液壓壓力級別，并已保持了40余年之久。目前最先進的波音B787以及空客A380的工作壓力都由3000psi增加到5000psi。高壓化將有利縮小動力元件尺寸、減輕液壓系統(tǒng)重量、提升飛機承載能力，但同時高壓化A380應用5000psi高壓液壓系統(tǒng)技術后，為A380飛機減重1.4噸，同時提高了飛控系統(tǒng)的響應速度。

另外，由于泵源出口的壓力脈動引起的管路振動可使得整個液壓系統(tǒng)最終導致失效。因此在對飛機液壓系統(tǒng)進行設計時，必須進一步優(yōu)化液壓泵及泵源管路的設計將系統(tǒng)壓力脈動及管路振動限制在允許的范圍內(nèi)。

2.2 分布式架構

多電飛機是未來民用飛機的重要特征。通過電液作動器將液壓系統(tǒng)與其用戶集成于同一部件內(nèi)，從而將飛機上的各小功率作動子系統(tǒng)進行分散。分散式的電液能源系統(tǒng)則通過微型泵技術為大功率用戶提供動力，并對負載用戶進行控制。

A380的飛行控制系統(tǒng)雙體系結構中的分布式電液作動器系統(tǒng)，用于取代早期空客機型的備份系統(tǒng)，其任何一套都可以對飛機進行單獨控制，大大減少了液壓元件與液壓管路，降低了飛機重量，減少能量消耗，提高了飛機的維護性，并使液壓系統(tǒng)的獨立性、冗余度和可靠性達到新的高度。

值得注意的是，現(xiàn)役的其他空客機型的電傳作動系統(tǒng)至今仍然是以主動/備用作動器布局為基礎。為A380選擇的多電結構也堅持這個原則，只是它使用的備用作動器是EHA，但是主動作動器仍然是常規(guī)的液壓伺服控制。

2.3 主動維護的故障診斷與健康管理

目前事故的很大部分是由人的因素造成的，所以進行維護的故障診斷與健康管理，是解決飛行安全的方向之一。

應用電子技術和軟件技術對液壓系統(tǒng)進行監(jiān)測、故障診斷和管理，故障診斷與健康管理實現(xiàn)了從基于傳感器的反應式事后維修到基于智能系統(tǒng)的先導式視情維修轉(zhuǎn)變，通過對系統(tǒng)的監(jiān)測和管理實現(xiàn)對故障的預測，進而提高工作效率，降低故障發(fā)生率等。

要實現(xiàn)主動維護技術，主要難點是如何在有限傳感器基礎上對所檢測的液壓系統(tǒng)狀況進行智能判別，必須要加強液壓系統(tǒng)故障專家診斷方法的研究，如研究多傳感器信息融合故障檢測和健康診斷算法等。

目前，龐巴迪正在為其C系列飛機研發(fā)中央維護健康監(jiān)測系統(tǒng)，該系統(tǒng)將提供整機的實時信息，以此確保獲得增強的診斷和預報消息。該系統(tǒng)的作用在于降低C系列飛機的直接維修成本。龐巴迪預計，該110/130座的C系列飛機在維修成本方面將比在產(chǎn)中的競爭型號（空客A319，波音737-600和Embraer的E195）低28%。同時，龐巴迪承諾，其C系列將配備的實時健康監(jiān)測系統(tǒng)，該系統(tǒng)將用以向飛行中的飛機傳輸或者接收數(shù)據(jù)。

2.4 智能泵源系統(tǒng)

目前飛機液壓系統(tǒng)中的EDP和EMP大多為恒壓變量柱塞泵，系統(tǒng)壓力設定為負載的最大值；柱塞泵不能根據(jù)飛行負載變化輸出不同壓力值，由此帶來了能量的浪費。通過采用可實時監(jiān)測負載狀態(tài)的智能泵源系統(tǒng)，調(diào)節(jié)液壓系統(tǒng)不同工況下的系統(tǒng)壓力及流量，從而降低系統(tǒng)的損耗功率，進一步減小恒壓變量泵液壓系統(tǒng)的溫升問題，提高飛機液壓系統(tǒng)的工作可靠性和減少故障發(fā)生率等。其關鍵技術主要涉及變壓力/變流量技術、負載敏感技術、智能控制技術等。

2.5 油箱自增壓技術

傳統(tǒng)大多數(shù)飛機如A320/B737等，均是通過來自發(fā)動機的壓縮空氣對液壓系統(tǒng)的油箱進行增壓；油箱內(nèi)壓力油與空氣間沒有隔膜，多余氣體自動經(jīng)溢流閥排氣。這種油箱需要大量的引氣管路、水分離器以及油箱增壓組件，導致系統(tǒng)結構復雜，增加系統(tǒng)重量。自增壓式油箱通過油箱結構的創(chuàng)新設計避免了油箱引氣增壓系統(tǒng)帶來的系統(tǒng)復雜，管路繁多的缺點，使得油箱增壓系統(tǒng)得以簡化。目前波音B787及我國自主研發(fā)的ARJ21飛機上都應用了自增壓油箱技術。

3 結束語

通過分析當今歐美現(xiàn)役和國內(nèi)在研的民用飛機的技術現(xiàn)狀，飛機液壓系統(tǒng)要想獲得更進一步的發(fā)展，必須在高壓化、低壓力脈動、智能化泵源、分布式架構、故障診斷及健康管理技術等方面展開更深入的研究。

作者簡介：馮軼博，工程師，主要從事飛機液壓系統(tǒng)和起落架控制系統(tǒng)的設計工作。