民機液壓系統的發展趨勢

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

關鍵詞：民用飛機；液壓系統；發展趨勢

1 民用飛機液壓系統現狀

1.1 國外民機液壓系統現狀

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座級雙發單通道干線客機，其液壓系統各有特點。

空客A320系列，其液壓系統由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個液壓系統失效情況下飛機的安全操作。綠、黃兩套系統中發動機驅動泵（EDP）和藍系統中的電動泵（EMP）在正常情況下作為系統主泵，三個系統主泵通常設置為開機自動啟動，黃系統中的電動泵（EMP）只在大流量或主泵故障時啟動。藍系統作為備份系統，通過與沖壓空氣渦輪（RAT）聯結的液壓泵為藍系統提供應急壓力；當綠、黃兩套系統一個EDP失壓后，動力轉換單元（PTU）可自動啟動，由一套為另一套故障系統提供壓力；系統中設置有優先閥，用于在系統低壓情況下，優先向優先級液壓用戶提供壓力。

波音B737系列，同樣有3套獨立的液壓系統組成，分別為A、B系統和備用系統。A、B系統是主液壓系統，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系統壓力低于系統預設值時，PTU啟動，將A系統的動力通過機械傳遞方式給B系統。

除以上兩款傳統機型外，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，其液壓系統體現了未來民用飛機的發展方向。

空客A380，是空客公司的四發、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）的高壓液壓系統技術。同時，以EHA/EBHA系統來控制主飛行控制舵面，從而減少了一套液壓系統，由于EHA/EBHA布置在執行器的附近，因而使驅動舵面的反應速度更快，結合分散式電液能源系統LEHGS等新型技術，以多電、多控制技術代替傳統的液壓伺服控制系統，使得系統設計從傳統分配式模式向分布式模式轉變，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，并提高了用戶系統的響應速度。A380采用了液壓系統加電系統的雙體系結構的飛行控制系統。2套液壓系統和2套電系統共四套系統均是相互獨立的，結構布局為2H/2E。其中2H為傳統的液壓動力作動系統，由8臺液壓驅動泵（EDP）和4臺帶電控及電保護的電動泵（EMP）組成兩主液壓系統的液壓能源，為飛機液壓系統的飛控系統、起落架系統等用戶提供液壓能源。所有EDP通過離合器與發動機相連，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，由電液作動器與備用電液作動器組成。2H/2E共4套系統中的任一系統均可對飛機進行單獨控制，進一步提高了A380液壓系統的獨立性、冗余度和可靠性。

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

1.2 國內民機液壓系統現狀

近年來國內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 在高壓液壓系統研制方面，我國對4000psi液壓系統的管路動態特性、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的系統集成上，中國商飛公司的ARJ21-700支線飛機的液壓系統采用3000psi的系統液壓壓力，并應用了自增壓油箱技術，目前已經過一系列地面和飛行試驗驗證，并即將取得CAAC頒發的適航合格證，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，系統架構與ARJ21-700飛機類似，但其采用了更先進的可變頻調節轉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 民用飛機液壓系統的發展趨勢

民用飛機液壓系統是支持飛機安全飛行、引導和進近的重要的動力系統，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、經濟性。以未來先進機型的發展趨勢來看，多電技術的應用日益增多，機載液壓系統要求有更高功率/重量比和多能源協同優化，使得機型的經濟性大大提高；分布式液壓系統及功率電傳作動系統，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展，液壓系統的發展總的趨勢是：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，并且系統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

液壓系統的壓力級別是系統最基本參數之一，是液壓系統和液壓附件設計的最重要的依據。傳統主流飛機都采用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高壓液壓系統技術后，為A380飛機減重1.4噸，同時提高了飛控系統的響應速度。

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最終導致失效。因此在對飛機液壓系統進行設計時，必須進一步優化液壓泵及泵源管路的設計將系統壓力脈動及管路振動限制在允許的范圍內。

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與其用戶集成于同一部件內，從而將飛機上的各小功率作動子系統進行分散。分散式的電液能源系統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的飛行控制系統雙體系結構中的分布式電液作動器系統，用于取代早期空客機型的備份系統，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，并使液壓系統的獨立性、冗余度和可靠性達到新的高度。

值得注意的是，現役的其他空客機型的電傳作動系統至今仍然是以主動/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進行監測、故障診斷和管理，故障診斷與健康管理實現了從基于傳感器的反應式事后維修到基于智能系統的先導式視情維修轉變，通過對系統的監測和管理實現對故障的預測，進而提高工作效率，降低故障發生率等。

要實現主動維護技術，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狀況進行智能判別，必須要加強液壓系統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系列飛機研發中央維護健康監測系統，該系統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測系統，該系統將用以向飛行中的飛機傳輸或者接收數據。

2.4 智能泵源系統

目前飛機液壓系統中的EDP和EMP大多為恒壓變量柱塞泵，系統壓力設定為負載的最大值；柱塞泵不能根據飛行負載變化輸出不同壓力值，由此帶來了能量的浪費。通過采用可實時監測負載狀態的智能泵源系統，調節液壓系統不同工況下的系統壓力及流量，從而降低系統的損耗功率，進一步減小恒壓變量泵液壓系統的溫升問題，提高飛機液壓系統的工作可靠性和減少故障發生率等。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

傳統大多數飛機如A320/B737等，均是通過來自發動機的壓縮空氣對液壓系統的油箱進行增壓；油箱內壓力油與空氣間沒有隔膜，多余氣體自動經溢流閥排氣。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，導致系統結構復雜，增加系統重量。自增壓式油箱通過油箱結構的創新設計避免了油箱引氣增壓系統帶來的系統復雜，管路繁多的缺點，使得油箱增壓系統得以簡化。目前波音B787及我國自主研發的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役和國內在研的民用飛機的技術現狀，飛機液壓系統要想獲得更進一步的發展，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和起落架控制系統的設計工作。