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】現代民用飛機為提高飛行性能，機翼都是超臨界翼型，內部空間較小，對機翼系統的布置帶來了挑戰。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的布置存在的難點，細化論證了在機翼盒段油箱內布置液壓管路的可行性。本文關于液壓管路在機翼內布置的相關結論，可指導相關工作的開展。

【關鍵詞】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在機翼上的布置帶來機翼內部空間狹小的困難，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布置所必須考慮的因素，細化研究了管路在各個通道中布置存在的困難，并給出相應的分析結論。

1 機翼上液壓導管的用戶

液壓能源系統作為飛機上的二次能源，液壓能源系統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來說，一般飛控系統是液壓能源系統的主要用戶，根據飛控用戶的功能及安全等級要求，現代民用飛機液壓能源系統的常規系統構架一般由三套相互獨立的子系統組成。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。

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

2 機翼導管的總安裝設計原則

機翼上導管的設計以系統安全可靠、工作壽命長、復雜性低、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計。在進行機翼導管安裝設計時應遵循以下基本原則：

1）機翼上各套系統間管路應盡量隔離，通常情況下不同系統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）液壓系統布置在沒有易燃氣體、熱源、引氣管或電氣打火點的地方，或者與其隔離。當液壓系統元器件和管路臨近熱源或火源時，應考慮用防火墻，屏障或類似方法隔離，以免將液壓系統泄漏的液壓油點燃；

3）盡量減少彎管和分支；

4）導管和導管、結構、運動件及其他系統之間，保證有合理而足夠的間隙；

5）導管及固定件的設計應充分考慮機翼變形；

6）考慮導管、管接頭的可維護性。

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）液壓系統相關的條款：25.611，25.1301，25.1309，25.1435；

2）機翼油箱結構：25.609；

3）EWIS：25.1707（f），25.1723。

3.2 特殊風險的影響

液壓元件及液壓導管原則上不允許在輪胎爆破區域、發動機轉子爆破區域、APU轉子爆破區域及垂尾鳥撞區域上安裝布置，如果不得已在上述區域安裝液壓系統，應采取措施，以使爆破產生的對液壓能源系統的破壞作用限制在適航允許范圍內。另外還需考慮失效轉軸和結構破損對液壓系統的影響。

3.2.1 轉子爆破

在液壓系統設計時，必須CCAR25.903（d）（1）中的非包容性轉子爆破。每套液壓系統的元器件和管路必須充分隔離，以保證發生非包容性轉子爆破時，不會導致所有液壓系統失效。

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

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

3.2.2 輪胎爆破

在液壓系統設計時，必須考慮CCAR25.729（f）中的輪胎爆破保護。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的破壞，例如，如果只有一套備份液壓系統時，損失不能超過一套液壓系統。

在選擇液壓管路材料時，需要考慮起落架收起和放下狀態時輪胎爆破的影響。如有必要，當輪胎爆破會導致超過一套液壓系統失效時需要考慮適當的保護措施。

3.2.3 失效轉軸保護

轉軸失效，如襟翼驅動系統失效，對液壓系統會有潛在的破壞風險。應該限制轉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域時，盡量考慮將管路合理布置以減少轉軸失效對液壓系統的影響。

3.2.4 將結構破壞對液壓系統的影響最小化

應考慮將液壓系統管路沿機翼前后緣布置以保證液壓系統的余度。當飛機發生空中相撞，但結構仍允許飛行時，仍能保證足夠的液壓系統供飛機進行飛行控制。

4 三套液壓系統的機翼內布置研究

基于以上原則，液壓管路在機翼內的布置的通道有：機翼前緣布置、機翼盒段布置（燃油箱內）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動機的引氣管路、前緣防冰管路、縫翼作動器/扭力桿及相應的線束等，因此，再布置一套液壓管路已經是非常困難的。若在這個區域內布置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。另外對于翼吊發動機的民用飛機來說，前緣位置如果布置有液壓系統管路，則管路是位于發動機轉子爆破區、鳥撞區和擺動桿影響區，一旦這些特定風險事件對液壓管路造成損傷，前緣布置的多套系統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（即布置在機翼油箱內），會存在管路泄漏從而液壓油進入燃油箱的風險以及液壓管路發熱使燃油溫度升高的問題，因此對于燃油箱內是否能布置液壓管路的方案，需要進行論證。

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。該永久接頭經過了長時間的廣泛應用，接頭質量穩定，壓接工藝和工具已經十分成熟、簡便。在飛機總裝后，機翼燃油箱尚未加注燃油時，進行液壓導管加壓試驗，并對壓接點進行檢查，如果出現泄漏，則對泄露處進行更換。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。

通過調查，在其它機型使用過程中未發現有燃油箱中液壓導管接頭的泄漏問題。

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，但在燃油箱里的三套液壓導管管接頭也會存在理論上的泄漏可能。

根據液壓系統安全性分析，單套液壓系統所有管接頭（包括大量可拆卸接頭）泄漏的概率必須低于1×10-6/FH。現在每套液壓系統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，其泄漏概率遠低于1×10-6/FH。如果在燃油箱里同時出現兩套液壓導管管接頭泄漏，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概率極低的單套液壓系統泄漏的可能性。

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，接頭爆裂則將導致該套系統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生的可能性極低，仍從理論的角度對其進行風險分析。

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滴漏，對液壓系統本身的影響極小，但如果出現接頭爆裂，則將導致該套液壓系統失效。但單套液壓系統失效，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，從而導致火災，為了避免將燃油吸入液壓泵，每套液壓系統都設有一個回油單向閥，其開啟壓力高于燃油箱壓力，即使出現回油管爆裂，燃油也不會被吸入液壓泵。所以即使發生可能性極低的單套液壓系統在燃油箱中泄露情況，仍能保證飛機安全飛行。

翼盒內發生液壓油泄漏會對燃油造成污染，對動力系統的安全性影響主要是是否影響發動機的正常工作，根據某型飛機發動機的要求，如果燃油箱內液壓油的含量不超過2%，將不會對發動機性能產生重要影響。根據相關資料[1]，以某型飛機為例，即使液壓系統滿油狀態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的情況下，燃油中液壓油含量僅為1.3%（<2%），所以不會對發動機性能產生重要影響。液壓系統每個油箱的液量能夠顯示在駕駛艙的EICAS上，若產生較大的泄漏問題，告警系統會對每個獨立的液壓油箱低容量報警，駕駛員可及時發現并采取相應措施阻止泄露情況的進一步惡化。由以上分析可得出，液壓系統的泄漏問題不會對燃油的清潔度、發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

液壓系統在設計時都考慮了燃油箱里液壓導管的可達性，每套液壓系統都盡可能靠近機翼維護口蓋布置。

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

4.2.2 液壓管路發熱分析

液壓系統在工作過程中，液壓油的溫度會升高，因此，油箱中的液壓導管會對燃油的溫度產生影響。根據液壓系統原理可知，液壓油箱上裝有溫度調控開關，它可將油箱內的溫度（液壓系統最高溫度）控制在一定溫度以下。其工作原理為，若油箱內液壓油的溫度設定，防火切斷閥將自動切斷該系統對外供壓，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，駕駛員能夠及時發現并采取措施。因此，液壓系統不會在溫度問題上給燃油系統帶來危險。

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熱交換器，左右機翼各有一套液壓系統布置在機翼燃油箱中，從A320飛機的使用情況來看，未發現液壓系統機翼管路熱量導致燃油溫度過高問題。

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

通過以上分析可知，盒段內是可以布置液壓管路的，且盒段內空間較為寬敞，系統布置密度較低，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。由于機翼盒段的維護通道只能通過機翼下壁板的口蓋，盒段內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，機翼后緣艙內布置空間相對要寬敞些，可參見圖4所示。單側機翼后緣艙內主要布置有個擾流板、副翼和襟翼作動器等飛控系統及相應的支架，液壓系統管路均需連接至后緣艙附近的上述飛控系統用戶，一般后緣艙下部都有可拆卸的維修口蓋，且相應的舵面都可打開，因此后緣艙區域的維修性和可達性較好，因此認為布置1套液壓管路是基本可行的。另外，后緣一般位于發動機轉子爆破大碎片的影響區域以外，且有后梁結構的保護，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套液壓系統管路及EWIS電纜從如此狹小的空間穿過，也不滿足不同系統之間的隔離要求。對于安全性，大部分后緣艙內布置有襟翼扭力管，屬于擺動桿影響區，一旦特定風險事件對液壓管路造成損傷，若布置2套及以上液壓系統，則液壓系統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，且受影響的特殊風險項目要少，因此液壓管路布置在后緣艙內是較為可行的。但受限于空間，一般只能布置1套系統管路（少數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 液壓系統管路布置優選

根據上述4.1到4.3章節的論述，表1羅列了所有的機翼內理論上液壓管路的布置方案，并進行了可行性分析。參照表1可見，盒段內布置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，要根據飛機機翼實際的液壓用戶布置方案、機翼結構空間大小及規劃的管路通道大小、最新適航條款等來具體分析可行的液壓系統布置方案。在規劃好管路總的布置方案后，需根據相應的設計原則來開展管路的細化設計工作。

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，從另一個側面印證了本文分析的可行性。

5 總結

本文簡述了民用飛機的液壓系統在機翼上布置需考慮的原則與因素，詳細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對飛機可能產生的影響，最后提出了機翼上3套液壓系統的最優配置方案，形成了可供參考的民用飛機機翼上液壓系統的布置方案。

【參考文獻】

[1]肖翔，夏語冰，姜逸民，鄭占君，戴攀.超薄翼型上液壓系統布置的設計分析[J].民用飛機設計與研究，2010（4）.

[2]運輸類飛機適航標準.中國民用航空規章.第25部，CCAR-25-R4[S].中國民航總局，2009.

[責任編輯：王楠]