液壓管路在民用飛機機翼上的布置初步研究

陳麗華　陳裕　趙海濤

【摘 要】現(xiàn)代民用飛機為提高飛行性能，機翼都是超臨界翼型，內(nèi)部空間較小，對機翼系統(tǒng)的布置帶來了挑戰(zhàn)。機翼液壓管路的布置需要考慮到安裝空間、安全性和適航等一系列的因素，本文分析主要分析了液壓管路在機翼內(nèi)的布置存在的難點，細(xì)化論證了在機翼盒段油箱內(nèi)布置液壓管路的可行性。本文關(guān)于液壓管路在機翼內(nèi)布置的相關(guān)結(jié)論，可指導(dǎo)相關(guān)工作的開展。

【關(guān)鍵詞】液壓管路；機翼；布置；民機

【Abstract】To improve performance， the technology of supercritical wing is used in modern civil aircraft. Meanwhile， the systems arrangement of wing are challenges for supercritical wings smaller space. The arrangement of hydraulic tubes in the wing should consider the factors such as the environment， safety and certification. The article describes the difficulty of hydraulic tubes installation in the wing， and analyzes the arrangement feasibility of hydraulic tubes in the wing box（fuel-tank）. The conclusion that the arrangement of hydraulic tubes in the wing can be used to guide the related work.

【Key words】Hydraulic tube； Wing； Arrangement； Civil aircraft

0 引言

對于民用飛機機翼的系統(tǒng)布置來說，液壓管路在機翼上的布置安裝是一個難點。不光是超臨界翼型給液壓管路系統(tǒng)在機翼上的布置帶來機翼內(nèi)部空間狹小的困難，還要考慮一系列適航條款符合性驗證。為解決這一問題，本文分析了液壓管路在機翼內(nèi)布置所必須考慮的因素，細(xì)化研究了管路在各個通道中布置存在的困難，并給出相應(yīng)的分析結(jié)論。

1 機翼上液壓導(dǎo)管的用戶

液壓能源系統(tǒng)作為飛機上的二次能源，液壓能源系統(tǒng)的主要功能是為飛機液壓用戶提供液壓能源。對于飛機機翼上的系統(tǒng)來說，一般飛控系統(tǒng)是液壓能源系統(tǒng)的主要用戶，根據(jù)飛控用戶的功能及安全等級要求，現(xiàn)代民用飛機液壓能源系統(tǒng)的常規(guī)系統(tǒng)構(gòu)架一般由三套相互獨立的子系統(tǒng)組成。以某機型為例，在機翼上的液壓用戶主要包括：副翼作動器、擾流板作動器、襟翼作動器和縫翼作動器等。

因此常規(guī)情況下，民用飛機機翼區(qū)域需要有三套液壓能源系統(tǒng)的導(dǎo)管通過，且通常均將導(dǎo)管沿機翼后梁后的區(qū)域布置，以給液壓用戶提供液壓能源。液壓能源系統(tǒng)導(dǎo)管在機翼上的常規(guī)布置如圖1所示[1]。

2 機翼導(dǎo)管的總安裝設(shè)計原則

機翼上導(dǎo)管的設(shè)計以系統(tǒng)安全可靠、工作壽命長、復(fù)雜性低、重量輕、維修性好，且將可能的損壞和泄漏減至最少為總則來設(shè)計。在進(jìn)行機翼導(dǎo)管安裝設(shè)計時應(yīng)遵循以下基本原則：

1）機翼上各套系統(tǒng)間管路應(yīng)盡量隔離，通常情況下不同系統(tǒng)管路的間隔必須保證一定距離，以防止共因故障和共因事件；

2）液壓系統(tǒng)布置在沒有易燃?xì)怏w、熱源、引氣管或電氣打火點的地方，或者與其隔離。當(dāng)液壓系統(tǒng)元器件和管路臨近熱源或火源時，應(yīng)考慮用防火墻，屏障或類似方法隔離，以免將液壓系統(tǒng)泄漏的液壓油點燃；

3）盡量減少彎管和分支；

4）導(dǎo)管和導(dǎo)管、結(jié)構(gòu)、運動件及其他系統(tǒng)之間，保證有合理而足夠的間隙；

5）導(dǎo)管及固定件的設(shè)計應(yīng)充分考慮機翼變形；

6）考慮導(dǎo)管、管接頭的可維護(hù)性。

3 管路布置的安全性考慮

3.1 適航條款的要求

民用飛機液壓管路布置需考慮CCAR等適航條款的要求[2]，具體有但不限于以下條款：

1）液壓系統(tǒng)相關(guān)的條款：25.611，25.1301，25.1309，25.1435；

2）機翼油箱結(jié)構(gòu)：25.609；

3）EWIS：25.1707（f），25.1723。

3.2 特殊風(fēng)險的影響

液壓元件及液壓導(dǎo)管原則上不允許在輪胎爆破區(qū)域、發(fā)動機轉(zhuǎn)子爆破區(qū)域、APU轉(zhuǎn)子爆破區(qū)域及垂尾鳥撞區(qū)域上安裝布置，如果不得已在上述區(qū)域安裝液壓系統(tǒng)，應(yīng)采取措施，以使爆破產(chǎn)生的對液壓能源系統(tǒng)的破壞作用限制在適航允許范圍內(nèi)。另外還需考慮失效轉(zhuǎn)軸和結(jié)構(gòu)破損對液壓系統(tǒng)的影響。

3.2.1 轉(zhuǎn)子爆破

在液壓系統(tǒng)設(shè)計時，必須CCAR25.903（d）（1）中的非包容性轉(zhuǎn)子爆破。每套液壓系統(tǒng)的元器件和管路必須充分隔離，以保證發(fā)生非包容性轉(zhuǎn)子爆破時，不會導(dǎo)致所有液壓系統(tǒng)失效。

必須盡量保證影響安全飛行和著陸的液壓用戶在轉(zhuǎn)子爆破后能正常工作，如主飛控系統(tǒng)、高升力系統(tǒng)、剎車和起落架收放系統(tǒng)。為了符合這些要求，可以將液壓系統(tǒng)沿翼盒或機翼前后梁分開布置。

盡量將同一套液壓系統(tǒng)的管路集中布置，不同的系統(tǒng)管路分開布置，從而將轉(zhuǎn)子爆破的影響控制在系統(tǒng)余度范圍內(nèi)。

3.2.2 輪胎爆破

在液壓系統(tǒng)設(shè)計時，必須考慮CCAR25.729（f）中的輪胎爆破保護(hù)。在機翼上布置液壓元器件和管路時，必須考慮盡量減少輪胎爆破對液壓系統(tǒng)的破壞，例如，如果只有一套備份液壓系統(tǒng)時，損失不能超過一套液壓系統(tǒng)。

在選擇液壓管路材料時，需要考慮起落架收起和放下狀態(tài)時輪胎爆破的影響。如有必要，當(dāng)輪胎爆破會導(dǎo)致超過一套液壓系統(tǒng)失效時需要考慮適當(dāng)?shù)谋Ｗo(hù)措施。

3.2.3 失效轉(zhuǎn)軸保護(hù)

轉(zhuǎn)軸失效，如襟翼驅(qū)動系統(tǒng)失效，對液壓系統(tǒng)會有潛在的破壞風(fēng)險。應(yīng)該限制轉(zhuǎn)軸失效后的破壞性運動。同時在布置液壓管路時，尤其是多套液壓管路通過該區(qū)域時，盡量考慮將管路合理布置以減少轉(zhuǎn)軸失效對液壓系統(tǒng)的影響。

3.2.4 將結(jié)構(gòu)破壞對液壓系統(tǒng)的影響最小化

應(yīng)考慮將液壓系統(tǒng)管路沿機翼前后緣布置以保證液壓系統(tǒng)的余度。當(dāng)飛機發(fā)生空中相撞，但結(jié)構(gòu)仍允許飛行時，仍能保證足夠的液壓系統(tǒng)供飛機進(jìn)行飛行控制。

4 三套液壓系統(tǒng)的機翼內(nèi)布置研究

基于以上原則，液壓管路在機翼內(nèi)的布置的通道有：機翼前緣布置、機翼盒段布置（燃油箱內(nèi)）和機翼后緣布置，見圖2所示。

下面依次分析，在前緣、盒段和后緣布置液壓管路方案的可行性。

4.1 前緣布置液壓管路可行性

第一，一般而言從空間的角度來看，機翼固定前緣空間有限，考慮到翼吊飛機需要布置發(fā)動機的引氣管路、前緣防冰管路、縫翼作動器/扭力桿及相應(yīng)的線束等，因此，再布置一套液壓管路已經(jīng)是非常困難的。若在這個區(qū)域內(nèi)布置2套液壓管路，即使勉強塞下，該方案會使2套液壓管路之間的距離非常接近，也不滿足不同液壓系統(tǒng)之間的隔離要求。

第二，從安全性的角度來看，即使前緣能布置一套液壓管路，也離防冰引氣管、引氣總管、以及發(fā)動機主饋電線距離非常近，會受到高溫和間隙要求的影響。另外對于翼吊發(fā)動機的民用飛機來說，前緣位置如果布置有液壓系統(tǒng)管路，則管路是位于發(fā)動機轉(zhuǎn)子爆破區(qū)、鳥撞區(qū)和擺動桿影響區(qū)，一旦這些特定風(fēng)險事件對液壓管路造成損傷，前緣布置的多套系統(tǒng)同時失效的可能性非常大。

第三，從重量的角度來看，由于大部分液壓用戶位于機翼后緣，該方案會使得大部分液壓管路從翼尖繞過油箱最外側(cè)的肋，再連接至機翼后緣的液壓用戶，該方案會大大增加液壓管路的重量。

因此，液壓管路在機翼固定前緣的布置方案，布置2套或以上的液壓管路存在布置空間不足，且安全性非常差，嚴(yán)重影響飛行安全；即使布置1套液壓管路也存在布置空間緊張、安全性較差的問題。

4.2 盒段布置液壓管路可行性

液壓管路若布置在盒段內(nèi)（即布置在機翼油箱內(nèi)），會存在管路泄漏從而液壓油進(jìn)入燃油箱的風(fēng)險以及液壓管路發(fā)熱使燃油溫度升高的問題，因此對于燃油箱內(nèi)是否能布置液壓管路的方案，需要進(jìn)行論證。

4.2.1 液壓管路泄漏影響分析

1）液壓泄漏可能性

機翼翼盒里采用的液壓管接頭均為國際通用的永久壓接接頭。該永久接頭經(jīng)過了長時間的廣泛應(yīng)用，接頭質(zhì)量穩(wěn)定，壓接工藝和工具已經(jīng)十分成熟、簡便。在飛機總裝后，機翼燃油箱尚未加注燃油時，進(jìn)行液壓導(dǎo)管加壓試驗，并對壓接點進(jìn)行檢查，如果出現(xiàn)泄漏，則對泄露處進(jìn)行更換。如果壓接正確，永久壓接接頭的壽命與機體同壽，全壽命免維護(hù)。

通過調(diào)查，在其它機型使用過程中未發(fā)現(xiàn)有燃油箱中液壓導(dǎo)管接頭的泄漏問題。

2）液壓泄露模式分析

盡管永久壓接接頭的壽命與機體同壽，全壽命免維護(hù)，但在燃油箱里的三套液壓導(dǎo)管管接頭也會存在理論上的泄漏可能。

根據(jù)液壓系統(tǒng)安全性分析，單套液壓系統(tǒng)所有管接頭（包括大量可拆卸接頭）泄漏的概率必須低于1×10-6/FH。現(xiàn)在每套液壓系統(tǒng)采用的管接頭分兩種，一種是可拆卸接頭，一種是永久壓接接頭，永久壓接接頭泄露率遠(yuǎn)低于可拆卸接頭。

機翼翼盒里采用的液壓管接頭均為永久壓接接頭。如果正確壓接，其壽命與機體同壽，全壽命免維護(hù)，其泄漏概率遠(yuǎn)低于1×10-6/FH。如果在燃油箱里同時出現(xiàn)兩套液壓導(dǎo)管管接頭泄漏，其概率低于1×10-12/FH，凡低于1×10-9/FH的事件均被視為極不可能事件，無需分析。因此，在分析泄漏問題時，將不考慮兩套液壓管路和三套液壓管路同時泄漏的可能性，僅考慮在同一時間出現(xiàn)概率極低的單套液壓系統(tǒng)泄漏的可能性。

另外，接頭泄漏形式分為滴漏和接頭爆裂兩種。滴漏的泄漏量極少，接頭爆裂則將導(dǎo)致該套系統(tǒng)的大量液壓油漏入燃油油箱。雖然接頭滴漏和爆裂的情況發(fā)生的可能性極低，仍從理論的角度對其進(jìn)行風(fēng)險分析。

3）燃油箱中液壓接頭泄漏的影響

如果油箱里的液壓接頭出現(xiàn)滴漏，對液壓系統(tǒng)本身的影響極小，但如果出現(xiàn)接頭爆裂，則將導(dǎo)致該套液壓系統(tǒng)失效。但單套液壓系統(tǒng)失效，飛機仍可安全飛行。另外，如果回油管爆裂，燃油將被吸入液壓泵，從而導(dǎo)致火災(zāi)，為了避免將燃油吸入液壓泵，每套液壓系統(tǒng)都設(shè)有一個回油單向閥，其開啟壓力高于燃油箱壓力，即使出現(xiàn)回油管爆裂，燃油也不會被吸入液壓泵。所以即使發(fā)生可能性極低的單套液壓系統(tǒng)在燃油箱中泄露情況，仍能保證飛機安全飛行。

翼盒內(nèi)發(fā)生液壓油泄漏會對燃油造成污染，對動力系統(tǒng)的安全性影響主要是是否影響發(fā)動機的正常工作，根據(jù)某型飛機發(fā)動機的要求，如果燃油箱內(nèi)液壓油的含量不超過2%，將不會對發(fā)動機性能產(chǎn)生重要影響。根據(jù)相關(guān)資料[1]，以某型飛機為例，即使液壓系統(tǒng)滿油狀態(tài)且液壓油完全泄漏在燃油箱里，而此時燃油箱只剩最小燃油貯量狀態(tài)的情況下，燃油中液壓油含量僅為1.3%（<2%），所以不會對發(fā)動機性能產(chǎn)生重要影響。液壓系統(tǒng)每個油箱的液量能夠顯示在駕駛艙的EICAS上，若產(chǎn)生較大的泄漏問題，告警系統(tǒng)會對每個獨立的液壓油箱低容量報警，駕駛員可及時發(fā)現(xiàn)并采取相應(yīng)措施阻止泄露情況的進(jìn)一步惡化。由以上分析可得出，液壓系統(tǒng)的泄漏問題不會對燃油的清潔度、發(fā)動機的壽命以及飛機飛行安全造成不可接受的影響。

4）液壓接頭泄漏后的維修

液壓系統(tǒng)在設(shè)計時都考慮了燃油箱里液壓導(dǎo)管的可達(dá)性，每套液壓系統(tǒng)都盡可能靠近機翼維護(hù)口蓋布置。

液壓系統(tǒng)的維修是將燃油箱排空，借助燈光設(shè)備通過維護(hù)口蓋目視檢查泄漏處，找到泄漏接頭后，將液壓系統(tǒng)卸壓，將泄漏接頭兩端管路切斷，根據(jù)現(xiàn)場情況對需要補上的液壓管路進(jìn)行取樣制造，換上新的永久壓接接頭，壓接完成后即完成修復(fù)。

4.2.2 液壓管路發(fā)熱分析

液壓系統(tǒng)在工作過程中，液壓油的溫度會升高，因此，油箱中的液壓導(dǎo)管會對燃油的溫度產(chǎn)生影響。根據(jù)液壓系統(tǒng)原理可知，液壓油箱上裝有溫度調(diào)控開關(guān)，它可將油箱內(nèi)的溫度（液壓系統(tǒng)最高溫度）控制在一定溫度以下。其工作原理為，若油箱內(nèi)液壓油的溫度設(shè)定，防火切斷閥將自動切斷該系統(tǒng)對外供壓，這樣就不可能促使大量燃油溫度的大幅度升高。而且，每個液壓系統(tǒng)油箱的油液溫度能夠顯示在駕駛艙的EICAS上，若溫度大幅度升高，駕駛員能夠及時發(fā)現(xiàn)并采取措施。因此，液壓系統(tǒng)不會在溫度問題上給燃油系統(tǒng)帶來危險。

另外，從目前主流的在役機型來看，A320飛機沒有使用液壓系統(tǒng)熱交換器，左右機翼各有一套液壓系統(tǒng)布置在機翼燃油箱中，從A320飛機的使用情況來看，未發(fā)現(xiàn)液壓系統(tǒng)機翼管路熱量導(dǎo)致燃油溫度過高問題。

B737飛機沒有導(dǎo)管布置在燃油箱中，但有兩套液壓系統(tǒng)的熱交換器裝在燃油箱中，也就是說該機型沒有導(dǎo)管在燃油箱中散熱，但大量的熱還是通過熱交換器散入了燃油中，但使用中未出現(xiàn)燃油溫度過高問題。

通過以上分析可知，盒段內(nèi)是可以布置液壓管路的，且盒段內(nèi)空間較為寬敞，系統(tǒng)布置密度較低，布置1套或2套液壓管路是基本可行的，考慮到安全性的因素，不建議3套液壓管路均布置在盒段內(nèi)。由于機翼盒段的維護(hù)通道只能通過機翼下壁板的口蓋，盒段內(nèi)布置液壓管路時需要考慮液壓管路的維修性。

4.3 后緣布置液壓管路可行性

相比前緣來說，機翼后緣艙內(nèi)布置空間相對要寬敞些，可參見圖4所示。單側(cè)機翼后緣艙內(nèi)主要布置有個擾流板、副翼和襟翼作動器等飛控系統(tǒng)及相應(yīng)的支架，液壓系統(tǒng)管路均需連接至后緣艙附近的上述飛控系統(tǒng)用戶，一般后緣艙下部都有可拆卸的維修口蓋，且相應(yīng)的舵面都可打開，因此后緣艙區(qū)域的維修性和可達(dá)性較好，因此認(rèn)為布置1套液壓管路是基本可行的。另外，后緣一般位于發(fā)動機轉(zhuǎn)子爆破大碎片的影響區(qū)域以外，且有后梁結(jié)構(gòu)的保護(hù)，液壓管路布置在此處，相對前緣而言是比較安全的。但要布置2套或3套液壓管路，空間相對而言就很緊張，幾乎很難同時將2套液壓系統(tǒng)管路及EWIS電纜從如此狹小的空間穿過，也不滿足不同系統(tǒng)之間的隔離要求。對于安全性，大部分后緣艙內(nèi)布置有襟翼扭力管，屬于擺動桿影響區(qū)，一旦特定風(fēng)險事件對液壓管路造成損傷，若布置2套及以上液壓系統(tǒng)，則液壓系統(tǒng)同時失效的可能性非常大，可能造成極大的安全隱患。

綜上，后緣艙空間相比于前緣要大，且受影響的特殊風(fēng)險項目要少，因此液壓管路布置在后緣艙內(nèi)是較為可行的。但受限于空間，一般只能布置1套系統(tǒng)管路（少數(shù)較早期的飛機能夠布置2套），后緣艙很難為2套及以上液壓系統(tǒng)管路提供足夠的布置空間，且安全性差，會影響飛行安全。

4.4 液壓系統(tǒng)管路布置優(yōu)選

根據(jù)上述4.1到4.3章節(jié)的論述，表1羅列了所有的機翼內(nèi)理論上液壓管路的布置方案，并進(jìn)行了可行性分析。參照表1可見，盒段內(nèi)布置2套、后緣布置1套液壓管路的方案是相對較佳的方案；其次是盒段內(nèi)布置1套、后緣布置2套液壓管路的方案。在民機的液壓管路初步布置時，要根據(jù)飛機機翼實際的液壓用戶布置方案、機翼結(jié)構(gòu)空間大小及規(guī)劃的管路通道大小、最新適航條款等來具體分析可行的液壓系統(tǒng)布置方案。在規(guī)劃好管路總的布置方案后，需根據(jù)相應(yīng)的設(shè)計原則來開展管路的細(xì)化設(shè)計工作。

最新型B787飛機的3套液壓管路布置方案見圖5，從中可以看出，B787采用的是在機翼盒段內(nèi)布置2套液壓管路、后緣布置1套液壓管路的方案，從另一個側(cè)面印證了本文分析的可行性。

5 總結(jié)

本文簡述了民用飛機的液壓系統(tǒng)在機翼上布置需考慮的原則與因素，詳細(xì)論述了液壓管路布置在機翼前緣、盒段和后緣可能會存在的問題，重點論證了液壓管路布置在盒段內(nèi)對飛機可能產(chǎn)生的影響，最后提出了機翼上3套液壓系統(tǒng)的最優(yōu)配置方案，形成了可供參考的民用飛機機翼上液壓系統(tǒng)的布置方案。

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[責(zé)任編輯：王楠]