民用飛機液壓系統技術現狀及趨勢研究

陳寶琦

摘 要：目前民用飛機液壓系統為保障安全性和操作性，在設計時通常會采用冗余和備份技術，但同時也會帶來成本、重量和復雜性的問題。該文通過對波音和空客多款機型機載液壓系統的研究，重點分析泵源、余度配置、替換邏輯與系統布局方案，總結了其液壓系統體結構、冗余備份等方面的技術現狀，指出未來民機液壓系統應具有單源系統向多源系統發展、系統獨立性提升、多電化和分布式、控制技術和健康監測技術的應用以及高壓化低壓力脈動的發展趨勢。

關鍵詞：民用飛機 液壓系統 布局分析 發展趨勢

中圖分類號：V22 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2015）07（a）-0069-03

隨著經濟的發展和社會的繁榮，我國民航產業每年都以超過10%的增速快速增長，現已成為世界第二大民用航空市場。但作為航空大國，我國在大型民用飛機液壓系統的研制方面卻是剛剛起步，從元件級到系統級基本由國外供應商壟斷，國內市場的供給量與巨大的需求極不匹配。

研制高效可靠的大型民用飛機液壓系統，不僅可以在產品層級上為飛機減輕重量，提高安全性和效率，還可帶動諸如新材料、電子、能源、精密制造等一系列相關的高新技術產業的發展，關系到整個國家航空系統集成能力的提高。

1 液壓系統的定義及組成

按照ATA100（航空產品技術資料編寫規范）的定義，民機液壓系統是指使液壓油在壓力下供至公共點以便再行分配到其它規定系統的部件和零件。民用飛機液壓系統按功能可分為液壓能源系統和工作回路兩個部分。液壓能源系統為飛機上所有使用液壓驅動的活動部位提供液壓能源，并保證卸荷與散熱等方面的要求。液壓能源系統主要由泵源、能量轉換裝置、油箱、控制閥、管路及指示系統等組成。

2 典型民機液壓系統技術現狀

波音和空客是目前世界民航市場上兩大巨頭，均有多款產品在市場上獲得巨大成功，具有極高的研究價值。

2.1 波音飛機液壓系統的特點

波音公司的發展基本涵蓋了整個民航發展歷史，期間推出的多款機型均可代表不同時期民機液壓系統的設計理念和先進技術。表1展示了波音各機型液壓系統泵源配置的變化歷程。該文選取其主流機型波音737和先進機型波音787進行詳細分析。

2.1.1 波音737液壓系統

波音737是波音公司研制的中短程客機，是世界航空史上最成功的民航客機。B737飛機擁有A、B和備份3套獨立的液壓系統，工作壓力為3000psi。其中A、B系統為常規系統，在飛行過程中總是處于工作狀態，為飛控、襟/縫翼、起落架和機輪剎車等提供動力，備用系統只在必要時才啟用，僅為方向舵、反推和前緣裝置提供動力。

早期型號B737-100/200的A系統有兩臺發動機驅動泵EDP，B系統有兩臺電動泵EMP，備用系統為一臺EMP，且沒有動力轉換裝置PTU，B系統可通過互聯閥直接向A系統單向增壓。油箱增壓系統使用發動機引氣增壓，氣壓進入A系統油箱后，三個系統油箱通過壓力平衡管串聯從而達到全部增壓的目的。

后續型號B737-300/400/500及NG系列中，對系統的泵源配置做出了改進，A、B系統各有一臺EDP和一臺EMP，備用系統為一臺EMP，可有效避免共因故障，提高了可靠性；另外A、B系統間配置了PTU，可利用A系統對B系統部分增壓，實現對襟/縫翼的供能；油箱采用兩套獨立的油箱增壓系統，A系統油箱獨立，B系統油箱與備用油箱通過平衡管連通，并采用氣壓集成回路代替部分分離式元件充氣回路。

2.1.2 波音787液壓系統

波音787是波音系列首次采用5000psi壓力級別液壓系統的機型，它有相互獨立的左、中、右3套液壓系統，為飛行控制系統、發動機反推、起落架及轉彎系統等提供動力。其中左、右系統均由一臺EDP和一臺EMP組成，EDP為系統主泵，電動泵為備用泵，可為系統提供應急能源。與之前型號相比，左、右系統中的EMP額定流量大大提高，上升到了與EDP相當的水平。中央液壓系統由兩臺EMP和一臺沖壓空氣渦輪泵RAT組成。兩臺EMP完全相同，可輪流做為主泵和備用泵；RAT可為飛機提供應急能源。B787上還應用了較多的多電技術，采用了全電剎車取代了傳統的液壓剎車，同時可用電力驅動起落架的收放。總的來說，B787飛機是將傳統飛機系統概念向多電系統概念發展的探索機型。

2.2 空客飛機液壓系統特點

空客公司發展比波音較晚，但其型號上率先使用電傳控制、多電化等新技術，同樣取得了巨大的成功。表2展示了空客各機型液壓系統泵源配置的變化歷程。該文選取主流機型A320和先進機型A380進行詳細分析。

2.2.1 空客A320液壓系統

A320是空客為打破波音壟斷壟斷客機市場局面而研制的，是史上僅次于B737第二暢銷的噴氣式客機。A320的液壓系統由三個子系統組成：綠、黃、藍液壓系統，額定工作壓力為3000psi。三套液壓系統相互獨立，其中黃、綠系統為主系統，藍系統為輔助系統。

綠系統使用一臺EDP作為系統主泵，另裝有一臺手動泵用于地面維護。黃系統由一臺EDP、一臺EMP組成，EDP為系統主泵， EMP為輔助泵，共兩級功率，僅在飛大流量工況及主泵故障時啟動，系統中同樣裝有一臺手動泵，用于貨艙門的打開。黃綠系統之間還安裝有雙向PTU，當黃、綠系統的壓差達到500psi時即可自動啟動，為低壓一端提供能源。藍系統中有一臺EMP和RAT， RAT僅在飛機失去電源或者全部發動機故障時開啟，提供液壓動力的同時也可以驅動恒速發達/發電機，為飛機提供電能源。

2.2.2 空客A380液壓系統

A380率先在大型客機上應用了5000psi的高壓液壓系統技術和電動靜液作動器（EHA）等多種新技術。A380飛機采用了雙體系結構的飛行控制系統，這是一種混合的飛行控制作動電源分配系統，即把用于備份系統的分布式電作動器與主動控制的常規電傳液壓伺服控制（包括電液伺服閥）結合起來，形成4套獨立的主飛行控制系統。其中2套系統采用傳統的以液壓為動力的作動系統，另外2套以電為動力，通過分布式電液作動器系統操縱舵面。這種體系結構也稱為2H/2E結構布局。理論上，這4套系統中的任何一套都可以用來對飛機進行控制，這使A380飛機的飛行控制在系統獨立性和余度上達到了前所未有的水平。

A380液壓系統采用綠、黃兩套液壓系統，加上E1、E2兩套電系統，用來代替傳統的第三套液壓系統。兩套液壓動力系統驅動常規的伺服控制作動器；兩套以電為動力的回路驅動非常規的作動器，即電動靜液作動器（EHA），這兩套系統實際上是作為備份使用，稱為功率電傳系統。A380飛機的液壓能源系統包括了8臺EDP，使用脫開式離合器，任意一臺泵發生故障均可與系統脫離。

3 民機液壓系統發展趨勢

民用飛機液壓系統的設計，從發展歷程看，具有如下發展趨勢：

（1）能源系統由單源系統向多源系統發展。

這一趨勢在波音飛機的發展過程中最為明顯。早期的B707飛機，液壓系統劃分為功能系統和備用系統，系統之間存在存在明顯的優先級區分，屬于一主兩備的結構；這樣的配置，到B727的時候變成了A-B-備用系統的劃分， A、B系統之間的重要性差別變小，但仍有一定的差別，形成了重要-主要-備份的系統結構，并延續到了B737的早期型號，在波音737-300及以后的型號中，A、B系統的差距逐漸消失；從B757之后的飛機，則形成了左-中-右三套系統的結構，共同承擔重要的用戶，系統之間的重要程度已趨于平均，這樣的結構一直沿用至今。而波音747這樣的超大型遠程寬體客機，則開始采用四套液壓系統。

空客系列的飛機由于研制較晚，避免了早期設計中的各種缺陷，系統從開始就采用了綠-黃-藍三套液壓系統的結構。在最新的A380中，采用2H/2E布局的飛行控制系統，引入了兩套電系統取代藍系統充當備份作用，綠系統和黃系統繼續沿用下來。

截至目前，三套系統主-主-備的結構，仍然是現有民用客機的主流設計思路。

（2）系統獨立性提升。

早期飛機的液壓系統各子系統通常不是獨立的，相互之間存在一定的交聯，這樣的交聯體現在油箱和用戶管路兩部分上。波音公司的早期系列中，三套油箱是通過平衡管連接的，通過向A系統（或公共系統）注油，就能注滿另外兩個系統的油箱，復雜程度較高，使油源的安全性受到影響。隨后的B747以后機型上，各子系統的油箱相互獨立，提高了可靠性。早期飛機的液壓管路并不獨立，幾套子系統之間是可以實現互聯的。B707上方向舵和剎車系統的管路為共用管路，且1#備用系統可通過互聯閥與公用系統相連。B727的液壓系統獨立性有了較大改善，引入了功率轉換單元PTU，避免了油液交換。在B747以后的機型上，系統互聯閥就基本消失了，系統之間相互備份提供動力全部通過PTU實現，系統之間相互隔離互不影響，有效的提高了安全性。

空客系列飛機的液壓系統開始就使用了獨立油箱，且各子系統之間沒有油液交換，功率轉換使用PTU等進行傳遞。

（3）多電化和分布式。

多電化和分布式在軍用飛機上的應用已經較為廣泛，隨著電作動器等部件的發展和成熟，民用飛機也逐漸體現出了多電化和分布式的發展趨勢。這點在最新型的波音B787和空客A380上尤為明顯。A380使用兩套功率電傳系統取代了藍系統。B787則使用了EMA來控制部分舵面，同時使用電剎車替代了傳統的液壓剎車。

除了系統級別的改變外，EMP在新機型中的重要性得到了進一步的提升，早期的飛機中EMP僅作為備份，使用和性能受到一系列的限制，而在最新的B787中，EMP的功率則提升到了和EDP相當的水平，并可實現兩級功率的輸出，有效的降低了無效能耗。

（4）控制技術和健康監測技術的應用。

早期飛機采用機械傳動控制，隨得電力電子和計算機技術的發展，復雜的邏輯控制方法引入液壓系統備用泵的啟停控制中，有效地降低了飛行員的操作負荷，提高了飛行的安全性。同時，隨著傳感器技術的發展，對系統狀態參數和健康情況的監視也不斷完善，有助于飛行員作出反應，還能夠作為系統自動控制和故障重構的輸入條件。

（5）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液壓壓力級別，并已保持了半個世紀。目前最先進的B787以及A380的工作壓力都由3000psi增加到5000psi。高壓化有利縮小動力元件尺寸、減輕重量，同時提高飛控系統的響應速度。另外，壓力脈動引起的管路振動是液壓系統失效的主要原因，隨著飛機液壓系統向高壓、大流量和大功率方向發展，由動力源產生的流量壓力脈動和由此誘發的管道振動也越來越突出。

4 結語

液壓系統是飛機上的關鍵系統，其性能指標將直接影響飛機整機的性能。該文通過對現有飛機機載液壓系統的體系結構進行分析，尤其對泵源配置、替換補償邏輯、系統獨立性、電傳作動技術的應用等方面進行了重點研究，提出了我國民用飛機液壓系統要獲得進一步的發展，須重點在系統多源化、多電化、分布式、高壓化、低壓力脈動、健康監控技術、電傳控制技術等方面展開，希望有助于我國先進民機液壓系統的設計。

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