民机液压系统的发展趋势

摘 要：由于我国在大型民用飞机液压系统研制方面起步较晚，当前从液压元附件级到整个液压系统级的供应商基本均为国外供应商的状态下，如要自主开发可靠的大型民用飞机液压系统和进行飞机级的集成则有必要进行民用飞機液压系统的发展趋势的分析探讨。

关键词：民用飞机；液压系统；发展趋势

1 民用飞机液压系统现状

1.1 国外民机液压系统现状

当前民用航空市场，主流机型为空客公司A320与波音公司B737，作为150座级双发单通道干线客机，其液压系统各有特点。

空客A320系列，其液压系统由3套闭式独立的液压源组成，分别用绿、黄、蓝来表示，其架构设计可保证2个液压系统失效情况下飞机的安全操作。绿、黄两套系统中发动机驱动泵（EDP）和蓝系统中的电动泵（EMP）在正常情况下作为系统主泵，三个系统主泵通常设置为开机自动启动，黄系统中的电动泵（EMP）只在大流量或主泵故障时启动。蓝系统作为备份系统，通过与冲压空气涡轮（RAT）联结的液压泵为蓝系统提供应急压力；当绿、黄两套系统一个EDP失压后，动力转换单元（PTU）可自动启动，由一套为另一套故障系统提供压力；系统中设置有优先阀，用于在系统低压情况下，优先向优先级液压用户提供压力。

波音B737系列，同样有3套独立的液压系统组成，分别为A、B系统和备用系统。A、B系统是主液压系统，其配置为一个EDP与一个EMP组成，正常压力由EDP提供，当EDP失效时，由EMP补充压力；备用系统由EMP为飞机提供动力；与A320不同的是，B737的PTU为单向动力传递，当B系统压力低于系统预设值时，PTU启动，将A系统的动力通过机械传递方式给B系统。

除以上两款传统机型外，最新投入市场的空客公司A380与波音公司B787，则代表了新型客机的最新技术，其液压系统体现了未来民用飞机的发展方向。

空客A380，是空客公司的四发、远程、超大型宽体客机，率先在大型客机上应用5000psi（35MPa压力等级）的高压液压系统技术。同时，以EHA/EBHA系统来控制主飞行控制舵面，从而减少了一套液压系统，由于EHA/EBHA布置在执行器的附近，因而使驱动舵面的反应速度更快，结合分散式电液能源系统LEHGS等新型技术，以多电、多控制技术代替传统的液压伺服控制系统，使得系统设计从传统分配式模式向分布式模式转变，简化了液压管路的布置，减少了液压元件与管路的使用，降低了飞机重量，并提高了用户系统的响应速度。A380采用了液压系统加电系统的双体系结构的飞行控制系统。2套液压系统和2套电系统共四套系统均是相互独立的，结构布局为2H/2E。其中2H为传统的液压动力作动系统，由8台液压驱动泵（EDP）和4台带电控及电保护的电动泵（EMP）组成两主液压系统的液压能源，为飞机液压系统的飞控系统、起落架系统等用户提供液压能源。所有EDP通过离合器与发动机相连，单独关闭任何一个EDP都不会影响其他EDP工作及系统级性能，即便有一个不工作，飞机仍可被放行。2E为电控的分布式电液作动器系统，由电液作动器与备用电液作动器组成。2H/2E共4套系统中的任一系统均可对飞机进行单独控制，进一步提高了A380液压系统的独立性、冗余度和可靠性。

B787是波音公司的双发、200～300座级、中型宽体客机，同样采用高压液压系统（系统工作压力5000psi）来降低液压系统的系统重量。同时液压泵具有两级转速，具有智能液压泵源的特点。其液压系统仍由左、中、右三套独立系统构成，其中左、右液压系统各由两台液压泵（一台EDP和一台EMP）来提供系统压力，其中EDP在飞行时全程工作，EMP仅在起飞和着陆时工作，中系统由两台EMP和一台涡轮冲压泵（RAT）来提供压力。B787液压系统设计体现了未来多电飞机的发展趋势，与B737相比，由于B787采用电机械（EMA）技术来控制部分飞行控制舵面，因此其液压系统用户相对减少。此外，B787采用电刹车系统来替代传统的液压刹车系统，刹车系统减少了液压管路及相关油液泄漏保护装置的设计，使系统得到大大简化，系统可靠性得到了提高；同时由于没有液压管路，降低了维修成本。总的来说，B787飞机是由传统的飞机系统概念向多电系统概念发展的创新机型。

1.2 国内民机液压系统现状

近年来国内在航空液压技术方面取得的进展主要有以下几方面。

1.2.1 在高压液压系统研制方面，我国对4000psi液压系统的管路动态特性、高压液压元件的结构设计与分析、计算机辅助设计与仿真、智能泵源与变压力泵源等，进行了广泛深入的研究，并取得了重要成果；当前已经研制了两级压力体制的液压泵，并完成了台架试验。

1.2.2 在新型作动器的研制方面，我国在直接驱动式作动器的研究上取得了一定的突破，完成了地面原理样机的研制，并开始在部分机型上装机试用。对包括机电作动器和电静液作动器在内的功率电传作动器进行了一系列原理性研究及原理样机研制，取得了一定的成果，并且研制出了地面使用的小功率原理样机。

1.2.3 在民用飞机液压系统的系统集成上，中国商飞公司的ARJ21-700支线飞机的液压系统采用3000psi的系统液压压力，并应用了自增压油箱技术，目前已经过一系列地面和飞行试验验证，并即将取得CAAC颁发的适航合格证，是我国首款完全按照FAA/CAAC适航要求设计取证的飞机；中国商飞公司的C919大型干线客机，系统架构与ARJ21-700飞机类似，但其采用了更先进的可变频调节转速的交流电动泵和油箱自动排气功能等新技术，目前正处于详细设计及验证阶段。

2 民用飞机液压系统的发展趋势

民用飞机液压系统是支持飞机安全飞行、引导和进近的重要的动力系统，是飞机先进程度的一个重要标志，极大地影响到飞机的安全性、经济性。以未来先进机型的发展趋势来看，多电技术的应用日益增多，机载液压系统要求有更高功率/重量比和多能源协同优化，使得机型的经济性大大提高；分布式液压系统及功率电传作动系统，为民用飞机提供了更高的余度配置，进一步提高了安全性和可靠性。

随着多电技术、材料技术、制造技术与控制技术的迅速发展，液压系统的发展总的趋势是：低重量、小体积、高压化、分布式架构、主动维护的故障诊断与健康管理、智能泵源系統，并且系统及其设备的地面维护更加容易。具体而言，有如下特点。

2.1 高压化、低压力脉动

液压系统的压力级别是系统最基本参数之一，是液压系统和液压附件设计的最重要的依据。传统主流飞机都采用3000psi（21MPa）液压压力级别，并已保持了40余年之久。目前最先进的波音B787以及空客A380的工作压力都由3000psi增加到5000psi。高压化将有利缩小动力元件尺寸、减轻液压系统重量、提升飞机承载能力，但同时高压化A380应用5000psi高压液压系统技术后，为A380飞机减重1.4吨，同时提高了飞控系统的响应速度。

另外，由于泵源出口的压力脉动引起的管路振动可使得整个液压系统最终导致失效。因此在对飞机液压系统进行设计时，必须进一步优化液压泵及泵源管路的设计将系统压力脉动及管路振动限制在允许的范围内。

2.2 分布式架构

多电飞机是未来民用飞机的重要特征。通过电液作动器将液压系统与其用户集成于同一部件内，从而将飞机上的各小功率作动子系统进行分散。分散式的电液能源系统则通过微型泵技术为大功率用户提供动力，并对负载用户进行控制。

A380的飞行控制系统双体系结构中的分布式电液作动器系统，用于取代早期空客机型的备份系统，其任何一套都可以对飞机进行单独控制，大大减少了液压元件与液压管路，降低了飞机重量，减少能量消耗，提高了飞机的维护性，并使液压系统的独立性、冗余度和可靠性达到新的高度。

值得注意的是，现役的其他空客机型的电传作动系统至今仍然是以主动/备用作动器布局为基础。为A380选择的多电结构也坚持这个原则，只是它使用的备用作动器是EHA，但是主动作动器仍然是常规的液压伺服控制。

2.3 主动维护的故障诊断与健康管理

目前事故的很大部分是由人的因素造成的，所以进行维护的故障诊断与健康管理，是解决飞行安全的方向之一。

应用电子技术和软件技术对液压系统进行监测、故障诊断和管理，故障诊断与健康管理实现了从基于传感器的反应式事后维修到基于智能系统的先导式视情维修转变，通过对系统的监测和管理实现对故障的预测，进而提高工作效率，降低故障发生率等。

要实现主动维护技术，主要难点是如何在有限传感器基础上对所检测的液压系统状况进行智能判别，必须要加强液压系统故障专家诊断方法的研究，如研究多传感器信息融合故障检测和健康诊断算法等。

目前，庞巴迪正在为其C系列飞机研发中央维护健康监测系统，该系统将提供整机的实时信息，以此确保获得增强的诊断和预报消息。该系统的作用在于降低C系列飞机的直接维修成本。庞巴迪预计，该110/130座的C系列飞机在维修成本方面将比在产中的竞争型号（空客A319，波音737-600和Embraer的E195）低28%。同时，庞巴迪承诺，其C系列将配备的实时健康监测系统，该系统将用以向飞行中的飞机传输或者接收数据。

2.4 智能泵源系统

目前飞机液压系统中的EDP和EMP大多为恒压变量柱塞泵，系统压力设定为负载的最大值；柱塞泵不能根据飞行负载变化输出不同压力值，由此带来了能量的浪费。通过采用可实时监测负载状态的智能泵源系统，调节液压系统不同工况下的系统压力及流量，从而降低系统的损耗功率，进一步减小恒压变量泵液压系统的温升问题，提高飞机液压系统的工作可靠性和减少故障发生率等。其关键技术主要涉及变压力/变流量技术、负载敏感技术、智能控制技术等。

2.5 油箱自增压技术

传统大多数飞机如A320/B737等，均是通过来自发动机的压缩空气对液压系统的油箱进行增压；油箱内压力油与空气间没有隔膜，多余气体自动经溢流阀排气。这种油箱需要大量的引气管路、水分离器以及油箱增压组件，导致系统结构复杂，增加系统重量。自增压式油箱通过油箱结构的创新设计避免了油箱引气增压系统带来的系统复杂，管路繁多的缺点，使得油箱增压系统得以简化。目前波音B787及我国自主研发的ARJ21飞机上都应用了自增压油箱技术。

3 结束语

通过分析当今欧美现役和国内在研的民用飞机的技术现状，飞机液压系统要想获得更进一步的发展，必须在高压化、低压力脉动、智能化泵源、分布式架构、故障诊断及健康管理技术等方面展开更深入的研究。

作者简介：冯轶博，工程师，主要从事飞机液压系统和起落架控制系统的设计工作。