飛機液壓系統(tǒng)余度設計及系統(tǒng)間隔離與連接技術綜述

陳元章

(1.中航工業(yè)南京伺服控制系統(tǒng)有限公司，江蘇 南京 210061；2.航空機電系統(tǒng)綜合航空科技重點試驗室，江蘇 南京 210061)

飛機液壓系統(tǒng)是飛機的重要系統(tǒng)，它是以液壓傳動與控制為核心的系統(tǒng)，現(xiàn)代飛機的飛控系統(tǒng)、起落架收放系統(tǒng)、機輪剎車、地面轉(zhuǎn)向、發(fā)動機反推控制等系統(tǒng)均使用了液壓系統(tǒng)，因此，飛機液壓系統(tǒng)對飛機安全影響極大。據(jù)有關資料介紹，有50%左右的飛機事故是由液壓能源系統(tǒng)故障引起的，所以，如何提高液壓系統(tǒng)的可靠性是亟待解決的問題[1]。目前，提高液壓系統(tǒng)安全性和可靠性的研究方向之一是余度設計。

飛機液壓系統(tǒng)與通常的液壓系統(tǒng)一樣，也由液壓泵組、控制部件和執(zhí)行部件等構成，因此，飛機液壓系統(tǒng)的余度設計也包括這些方面。飛機液壓系統(tǒng)與地面液壓系統(tǒng)很大的不同，體現(xiàn)在液壓系統(tǒng)、液壓回路的多分支、多源特性方面。

余度設計，顧名思義是指采用兩種或者兩種以上的設計對象共同作用在同一目標體上，以提高該目標體的可靠性。飛機作為一個對可靠性要求很高的對象，為保證系統(tǒng)的安全性，從主系統(tǒng)到子系統(tǒng)層級采用相互隔離的系統(tǒng)，不同的液壓系統(tǒng)從泵源到被控對象均為一路系統(tǒng)，其他的被控對象采用不同的油源系統(tǒng)提供能源，單一系統(tǒng)的故障不會影響其他系統(tǒng)的工作，空客A330等飛機的液壓系統(tǒng)就采用了這種余度設計，這也是飛機液壓系統(tǒng)余度設計的一種。同時，飛機作為一個復雜的目標體，特別是飛機液壓系統(tǒng)包括了飛控系統(tǒng)、起落架收放系統(tǒng)等多個液壓系統(tǒng)，任何液壓系統(tǒng)余度的提高均能提高飛機液壓系統(tǒng)的可靠性，因此，飛機另一種余度設計是提高飛機系統(tǒng)回路中各子回路的余度以及子回路中各元件的余度，例如增加泵站數(shù)量、增加泵源種類均屬于這種方式[2-5]。

1 飛機典型液壓系統(tǒng)

液壓系統(tǒng)在飛機上的應用最早開始于第二次世界大戰(zhàn)，其最初的作用是給當時的高速飛機的平尾助力器提供液壓動力。20世紀60年代以來，隨著液壓技術和電氣電子技術、自動控制理論等相關學科的不斷融合，液壓技術逐漸成為機械電機工程領域的主要方向，飛機液壓系統(tǒng)也得到了突飛猛進的發(fā)展，承擔著飛機的特性操縱與驅(qū)動任務。目前，絕大多數(shù)飛機作動器系統(tǒng)都是電液伺服系統(tǒng)，現(xiàn)代飛機最主要的飛機舵面全部采用電液伺服系統(tǒng)驅(qū)動，起落架收放動作幾乎都采用液壓傳動系統(tǒng)實現(xiàn)，此外液壓系統(tǒng)還擔負著飛機操縱系統(tǒng)、機輪剎車及地面轉(zhuǎn)向駕駛、發(fā)動機反推控制等工作，對飛機的安全飛行起著極為重要的作用[6-10]。

飛機液壓系統(tǒng)液壓泵組是飛機液壓系統(tǒng)的心臟，相較于地面泵組，其對安全性、可靠性和體積質(zhì)量有更高的要求。為了提高液壓泵站的可靠性，飛機的液壓系統(tǒng)的液壓泵源基本都配備1～5個液壓泵，而且采用多種非相似余度設計，一般采用發(fā)動機驅(qū)動泵、電動馬達驅(qū)動泵、空氣驅(qū)動泵和沖壓空氣渦輪驅(qū)動泵中的兩種或多種組合形成液壓泵站。多種類型的液壓泵組合形成了非相似余度的泵組液壓源，且大多數(shù)飛機由8個以上的泵組成獨立的4套以上的液壓泵組。圖1為空客A380的液壓泵源，采用包括EDP、電機泵、手動泵等形式的13個泵組成了7組相互獨立的液壓泵源[11-13]。

圖1 空客A380液壓泵組

圖2為Cessna公司某型飛機液壓系統(tǒng)原理圖[14]，它采用了兩個發(fā)動機驅(qū)動泵控制主液壓系統(tǒng)，同時增加了一路回路用于單獨控制機輪剎車，有效提高了系統(tǒng)安全性。

圖2 Cessna公司某型飛機液壓系統(tǒng)原理圖

該液壓系統(tǒng)雖然簡單，但體現(xiàn)了飛機液壓系統(tǒng)設計的一個基本思想：增加泵組數(shù)量保證泵源安全、采用回路間的物理隔離以保證相互間的獨立性。

簡單系統(tǒng)如此，復雜系統(tǒng)也體現(xiàn)了這種思路，圖3為空客A330液壓系統(tǒng)原理圖，它是由3套主液壓系統(tǒng)組成，3套液壓系統(tǒng)完全獨立，分別控制3路系統(tǒng)。

圖3 空客A330-200/300液壓系統(tǒng)原理圖

雖然這種相互獨立的液壓系統(tǒng)層次分明，當一套液壓系統(tǒng)故障甚至管路破裂時不會影響其他液壓回路，但這種液壓回路布置系統(tǒng)利用率較低，且質(zhì)量較大、所占空間較大，一般寬體飛機多采用這種系統(tǒng)。

圖4為Boeing707的液壓系統(tǒng)圖，它由一個主控能源系統(tǒng)和兩套輔助液壓能源系統(tǒng)構成。主控液壓能源由兩個發(fā)動機驅(qū)動泵并聯(lián)構成，兩套輔助能源系統(tǒng)各由一個電機泵構成。主控能源系統(tǒng)控制主回路，第二輔助系統(tǒng)主要控制方向舵，并通過一剎車連通閥備份控制剎車系統(tǒng)，第一輔助系統(tǒng)主要控制內(nèi)側(cè)擾流板系統(tǒng)，并與第二輔助系統(tǒng)常通，同時通過一互聯(lián)閥控制主回路。這種互聯(lián)閥實現(xiàn)了油路的備份，防止主控能源系統(tǒng)因突然失效而不能控制起落架、襟翼等重要系統(tǒng)。

圖4 Boeing707-120/320/420液壓系統(tǒng)圖

這種系統(tǒng)間的互通既能保證系統(tǒng)回路的隔離，也能保證系統(tǒng)的有效利用。

上述互聯(lián)閥連通兩套液壓回路的結構雖然有效降節(jié)約了系統(tǒng)空間并減小了體積，同時提高了系統(tǒng)利用率，但當系統(tǒng)中泵組故障時仍會影響系統(tǒng)安全性，甚至這種流體交互式的方式在管路破裂時可能還會影響非故障側(cè)的系統(tǒng)，因此，開發(fā)出了一種避免油液交換的PTU(Power Transfer Unit)裝置。Boeing717-200就采用這種液壓系統(tǒng)設計，它主要由左右兩路液壓系統(tǒng)組成，左系統(tǒng)由一個發(fā)動機驅(qū)動泵構成，右系統(tǒng)由一個電機泵和一個發(fā)動機驅(qū)動泵并聯(lián)組成，兩路系統(tǒng)各控制一路系統(tǒng)，中間采用雙向PTU連通兩系統(tǒng)，如圖5所示。當左側(cè)系統(tǒng)故障時，右側(cè)系統(tǒng)能通過PTU為左側(cè)系統(tǒng)重啟能源系統(tǒng)，同理，當右側(cè)系統(tǒng)故障時，PTU同樣能重啟右側(cè)系統(tǒng)[15-17]。

圖5 Boeing717-2000液壓系統(tǒng)圖

空客A300系列和A310系列更是把這種PTU的使用發(fā)揮到了極致，3路主液壓系統(tǒng)兩兩利用PTU實現(xiàn)互通。圖6為空客A310的液壓系統(tǒng)圖[18]。

圖6 A310液壓系統(tǒng)圖

雖然這種在系統(tǒng)間的主回路上安裝PTU裝置的方法能有效地提高系統(tǒng)的安全等級，但這種主回路之間的PTU裝置需要更大的功率、更大的質(zhì)量，所占的空間也更大，而且各類飛機都有各自的特點，使得各類飛機對液壓子系統(tǒng)的重視度不同。例如民機系統(tǒng)一般剎車系統(tǒng)、起落架收放系統(tǒng)更為重要，渦槳直升機更注重槳葉驅(qū)動系統(tǒng)，轟炸機更注重武器艙門啟閉系統(tǒng)。在主液壓系統(tǒng)安全性足夠的情況下可單獨對所關注的液壓子系統(tǒng)進行余度設計[19-20]。

波音公司使用PTU就采用了這種策略，例如Boeing747-100/200/300 和Boeing767-200/300/400利用單向PTU將一路系統(tǒng)中的液壓能源僅供給另一液壓系統(tǒng)中的水平安定系統(tǒng)，具體如圖7所示。

圖7 Boeing767-200/300/400液壓系統(tǒng)圖

這種局部子系統(tǒng)所使用的PTU相較主回路所用的PTU，由于所需功率更小，因此，質(zhì)量更輕，所占體積也更小。

關斷閥不僅可以使用在液壓系統(tǒng)主回路之間，也同PTU一樣可使用在系統(tǒng)子系統(tǒng)之間，相比于PTU，閥類結構更簡單、質(zhì)量更輕，多用于軍用飛機等對空間質(zhì)量要求更為苛刻的場合。

圖8為Bombardier Learjet 40/50液壓系統(tǒng)圖，一個兩位三通閥分別利用兩套液壓泵站控制襟翼、起落架和前輪操縱系統(tǒng)。

圖8 Bombardier Learjet 40/50液壓系統(tǒng)圖

圖9為Boeing737-600/700/800/900液壓系統(tǒng)圖，為提高主起落架系統(tǒng)、前起落架系統(tǒng)(含前輪操縱系統(tǒng))的安全余度，通過一個起落架選擇閥把A系統(tǒng)、B系統(tǒng)連通，共同作用于子系統(tǒng)。當A系統(tǒng)、B系統(tǒng)中任一系統(tǒng)故障時，切換至另一液壓系統(tǒng)控制子系統(tǒng)(默認A系統(tǒng)與子系統(tǒng)連通)。

圖9 Boeing737-600/700/800/900液壓系統(tǒng)圖

同時，為提高剎車系統(tǒng)的安全性，用一個剎車能源選擇閥控制主剎車系統(tǒng)和備份剎車系統(tǒng)，剎車能源選擇閥同時連通A系統(tǒng)、B系統(tǒng)和正常剎車系統(tǒng)C1、備份剎車系統(tǒng)C2，形成了A-C1、A-C2、B-C1和B-C2共4種控制邏輯。

圖10為F-18液壓系統(tǒng)圖，采用了大量的選擇開關分別利用兩套液壓回路控制襟翼、副翼和方向舵系統(tǒng)[21-23]。

圖10 F-18液壓系統(tǒng)圖

圖11為B-2A液壓系統(tǒng)圖，同樣采用了大量的選擇開關分別利用兩套液壓回路控制起落架、武器艙門和空中加油等系統(tǒng)。

圖11 B-2A液壓系統(tǒng)圖

2 飛機典型液壓系統(tǒng)余度設計部件

由以上典型液壓系統(tǒng)原理圖可知，飛機液壓系統(tǒng)的余度設計包括泵站的余度設計和液壓系統(tǒng)回路的余度設計。

液壓泵站的余度設計通過發(fā)動機驅(qū)動泵、電動馬達驅(qū)動泵、空氣驅(qū)動泵和沖壓空氣渦輪驅(qū)動泵4種形式的不同組合實現(xiàn)。

液壓系統(tǒng)回路的余度設計采用完全獨立的液壓系統(tǒng)回路和互相連通/隔離的液壓回路實現(xiàn)。

2.1 泵控類余度設計

2.1.1 純泵控

純泵控的余度設計基本是完全獨立的液壓回路實現(xiàn)的余度設計，現(xiàn)階段最大的民用客機A380上采用了3個高度集成的直流電機泵實現(xiàn)了前輪操縱、起落架剎車等系統(tǒng)的余度設計，如圖12所示。

圖12 A380液壓系統(tǒng)原理圖

2.1.2 PTU類

PTU類是利用一個液壓系統(tǒng)的部分液壓動力來補充另一個液壓系統(tǒng)的液壓動力，而不需要在兩個系統(tǒng)時間進行流體交換。PTU可以設計成只在一個方向上(單向)將能源從一個系統(tǒng)傳遞到另一個系統(tǒng)，也可以設計成在兩個系統(tǒng)之間(雙向)傳遞能量。圖5～圖7所示的飛機液壓系統(tǒng)均采用了PTU結構[24-25]。

PTU是由同軸且排量恒定的液壓馬達和液壓泵共同組成，工作時，A液壓系統(tǒng)的液壓能源驅(qū)動PTU中的液壓馬達轉(zhuǎn)動，液壓馬達帶動液壓泵轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動，而液壓泵從B液壓系統(tǒng)吸油，并使B液壓系統(tǒng)建立壓力。常見的PTU原理如圖13所示。

圖13 PTU原理圖

常見的PTU分為單向運轉(zhuǎn)PTU和雙向運轉(zhuǎn)PTU，單向運轉(zhuǎn)PTU系統(tǒng)連接方式如圖14所示，雙向運轉(zhuǎn)PTU系統(tǒng)連接方式如圖15所示。

圖14 單向運轉(zhuǎn)PTU系統(tǒng)連接圖

圖15 雙向運轉(zhuǎn)PTU系統(tǒng)連接圖

單向運轉(zhuǎn)PTU是把1系統(tǒng)的液壓能源轉(zhuǎn)換到2系統(tǒng)中，PTU的運轉(zhuǎn)由一個電動馬達操作的開關閥控制，以實現(xiàn)單向PTU馬達液壓油的供應。

PTU的電機入口支路上安裝有一流量控制閥，而泄漏口安裝在PTU泵的出口回路上。常見的單向運轉(zhuǎn)PTU如圖16所示。

圖16 常見的單向運轉(zhuǎn)PTU

雙向運轉(zhuǎn)PTU比單向運轉(zhuǎn)PTU應用范圍更廣，因為其能在兩套液壓系統(tǒng)中雙向轉(zhuǎn)換液壓能源，當任一液壓能源系統(tǒng)故障時，另一套液壓系統(tǒng)能為故障液壓系統(tǒng)供壓。雖然雙向運轉(zhuǎn)PTU功能更強大，但其結構更為復雜，且運行效率比單向運轉(zhuǎn)PTU低10%左右，最小啟動速度也更差。常見的雙向運轉(zhuǎn)PTU如圖17所示。

圖17 常見的雙向運轉(zhuǎn)PTU

常見的雙向運轉(zhuǎn)PTU雖然能實現(xiàn)兩套液壓系統(tǒng)之間的能量轉(zhuǎn)換，但當某一套液壓系統(tǒng)故障時，另外一套液壓系統(tǒng)提供的備份能源所提供的壓力、流量可能不同。現(xiàn)在，慢慢發(fā)展出了一種雙向變位移PTU，它能實現(xiàn)兩套系統(tǒng)提供的壓力、流量完全相同。Boeing的C-17、MD11以及McDonnell Douglas的DC-10等機型采用了雙向變位移PTU。常見的雙向變位移PTU如圖18所示。

圖18 雙向變位移PTU

PTU既可以用于主系統(tǒng)回路之間的互通，也能用于子系統(tǒng)之間的互通。

表1給出了幾種機型所用PTU的參數(shù)，從表1中可以看出，Boeing727和Boeing747-100/200/300等機型所用的PTU功率明顯小于其他機型，這就是由于PTU從主系統(tǒng)回路轉(zhuǎn)移到子系統(tǒng)回路，僅控制子系統(tǒng)，極大地降低了所需功率，也降低了PTU的體積和質(zhì)量，實現(xiàn)了由整個系統(tǒng)回路余度變?yōu)橹攸c分(子)系統(tǒng)、重點部件(部位)的余度設計，從而減輕了飛機質(zhì)量。

表1 幾種機型的PTU參數(shù)

2.2 閥控類

由于泵控余度控制系統(tǒng)較為復雜，使飛機體積和質(zhì)量會有一定的增加，且復雜系統(tǒng)增加了系統(tǒng)的維護成本、降低了可靠性，因此，飛機上也存在很多閥控類余度設計。

2.2.1 隔離通斷類

常用的隔離通斷閥一般用于系統(tǒng)間的冷備份，正常工作時，隔離通斷閥隔離兩路系統(tǒng)，當一套液壓系統(tǒng)發(fā)生故障時，打開該類隔離閥，使備用系統(tǒng)連接被控系統(tǒng)[26]。其結構相對簡單，通常是兩位兩通閥或者兩位三通控制閥。圖4、圖8和圖11所示的飛機液壓系統(tǒng)均采用這種余度方式。但當另一路系統(tǒng)發(fā)生管路破裂等故障時，這種油液交互式的余度方式可能會危及自身回路，因此，這種余度方式存在很大限制。

另外一種隔離閥是被稱為液壓保險(Fuse)的裝置(也叫速度保險器)，正常工作時兩系統(tǒng)處于熱備份狀態(tài)，如圖19所示。當系統(tǒng)的液體壓力突然減小時，F(xiàn)use可保證系統(tǒng)安全，即使系統(tǒng)受到破壞也可以繼續(xù)運轉(zhuǎn)，或是至少不會出現(xiàn)災難性的失效。其原理是當流量超過某一限制值時，不讓液體從Fuse流過，或是大幅限制液體的流動[27]。

圖19 Fuse液壓原理圖

Fuse可以雙向流動，正常工作時的作用類似連通上下系統(tǒng)的管路，當系統(tǒng)下路管路破損泄壓時，封閉管路；當系統(tǒng)上路管路破損時，仍能流出一部分油液。

系統(tǒng)下路管路破損時，F(xiàn)use前后壓差達到設定值時，為保證下路系統(tǒng)的正常工作，并非瞬間隔離管路，而是仍輸出一定壓力、流量的液體供子系統(tǒng)工作，同時為保證主系統(tǒng)的安全性，最終通過Fuse隔離破損子系統(tǒng)。由于Fuse可以通過一定容積的液體，因此也叫定量器。

圖9所示的Boeing737飛機液壓回路中使用的Fuse多達9個，圖8中的簡單液壓回路也使用了Fuse。

2.2.2 雙系統(tǒng)共同作用類

雙系統(tǒng)作用閥一般是兩套液壓系統(tǒng)工作控制一套液壓分系統(tǒng)或者子系統(tǒng)，當一套液壓系統(tǒng)發(fā)生故障時，切換至另外一套液壓系統(tǒng)來控制子系統(tǒng)。兩套系統(tǒng)可以熱備份也可以冷備份。

圖9～圖11所示的飛機液壓回路中大量使用了這種雙系統(tǒng)共同作用閥。其可分為流量控制閥和壓力控制閥。由于系統(tǒng)回路均由進油和回油部分組成，因此流量控制閥一般為六通閥(兩路系統(tǒng)進油、兩路系統(tǒng)回油，一路負載進油和一路負載回油)。壓力控制閥由于少兩路回路，一般為三通閥或者四通閥。

這種雙系統(tǒng)共同作用的閥與PTU一樣，也避免了系統(tǒng)間的油液轉(zhuǎn)換，一套系統(tǒng)為子系統(tǒng)供壓的同時隔離另外一套系統(tǒng)。

圖20為2種流量控制閥，圖21為壓力控制閥。

圖20 流量控制閥

圖21 壓力控制閥

3 結束語

飛機液壓系統(tǒng)是飛機重要系統(tǒng)，為提高飛機液壓系統(tǒng)的安全性和可靠性，飛機液壓系統(tǒng)采用了大量的余度設計，本文從噴氣式直線飛機、殲擊機、轟炸機、民用客機的液壓能源、液壓回路等方面介紹了飛機液壓系統(tǒng)的余度設計，并介紹了互通式液壓回路的PTU、Fuse、雙系統(tǒng)共同作用閥等各種系統(tǒng)的互連互通和隔離裝置。

隨著這些基礎液壓元件功能的提升，特別是這種系統(tǒng)互連互通和隔離裝置的技術能力提升，既有效提高了系統(tǒng)間的隔離度，又提高了飛機液壓回路系統(tǒng)的利用率，因此，采用互連互通式液壓回路也是飛機液壓余度回路設計的一個發(fā)展方向。