液压管路在民用飞机机翼上的布置初步研究

陈丽华　陈裕　赵海涛

【摘 要】现代民用飞机为提高飞行性能，机翼都是超临界翼型，内部空间较小，对机翼系统的布置带来了挑战。机翼液压管路的布置需要考虑到安装空间、安全性和适航等一系列的因素，本文分析主要分析了液压管路在机翼内的布置存在的难点，细化论证了在机翼盒段油箱内布置液压管路的可行性。本文关于液压管路在机翼内布置的相关结论，可指导相关工作的开展。

【关键词】液压管路；机翼；布置；民机

【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

对于民用飞机机翼的系统布置来说，液压管路在机翼上的布置安装是一个难点。不光是超临界翼型给液压管路系统在机翼上的布置带来机翼内部空间狭小的困难，还要考虑一系列适航条款符合性验证。为解决这一问题，本文分析了液压管路在机翼内布置所必须考虑的因素，细化研究了管路在各个通道中布置存在的困难，并给出相应的分析结论。

1 机翼上液压导管的用户

液压能源系统作为飞机上的二次能源，液压能源系统的主要功能是为飞机液压用户提供液压能源。对于飞机机翼上的系统来说，一般飞控系统是液压能源系统的主要用户，根据飞控用户的功能及安全等级要求，现代民用飞机液压能源系统的常规系统构架一般由三套相互独立的子系统组成。以某机型为例，在机翼上的液压用户主要包括：副翼作动器、扰流板作动器、襟翼作动器和缝翼作动器等。

因此常规情况下，民用飞机机翼区域需要有三套液压能源系统的导管通过，且通常均将导管沿机翼后梁后的区域布置，以给液压用户提供液压能源。液压能源系统导管在机翼上的常规布置如图1所示[1]。

2 机翼导管的总安装设计原则

机翼上导管的设计以系统安全可靠、工作寿命长、复杂性低、重量轻、维修性好，且将可能的损坏和泄漏减至最少为总则来设计。在进行机翼导管安装设计时应遵循以下基本原则：

1）机翼上各套系统间管路应尽量隔离，通常情况下不同系统管路的间隔必须保证一定距离，以防止共因故障和共因事件；

2）液压系统布置在没有易燃气体、热源、引气管或电气打火点的地方，或者与其隔离。当液压系统元器件和管路临近热源或火源时，应考虑用防火墙，屏障或类似方法隔离，以免将液压系统泄漏的液压油点燃；

3）尽量减少弯管和分支；

4）导管和导管、结构、运动件及其他系统之间，保证有合理而足够的间隙；

5）导管及固定件的设计应充分考虑机翼变形；

6）考虑导管、管接头的可维护性。

3 管路布置的安全性考虑

3.1 适航条款的要求

民用飞机液压管路布置需考虑CCAR等适航条款的要求[2]，具体有但不限于以下条款：

1）液压系统相关的条款：25.611，25.1301，25.1309，25.1435；

2）机翼油箱结构：25.609；

3）EWIS：25.1707（f），25.1723。

3.2 特殊风险的影响

液压元件及液压导管原则上不允许在轮胎爆破区域、发动机转子爆破区域、APU转子爆破区域及垂尾鸟撞区域上安装布置，如果不得已在上述区域安装液压系统，应采取措施，以使爆破产生的对液压能源系统的破坏作用限制在适航允许范围内。另外还需考虑失效转轴和结构破损对液压系统的影响。

3.2.1 转子爆破

在液压系统设计时，必须CCAR25.903（d）（1）中的非包容性转子爆破。每套液压系统的元器件和管路必须充分隔离，以保证发生非包容性转子爆破时，不会导致所有液压系统失效。

必须尽量保证影响安全飞行和着陆的液压用户在转子爆破后能正常工作，如主飞控系统、高升力系统、刹车和起落架收放系统。为了符合这些要求，可以将液压系统沿翼盒或机翼前后梁分开布置。

尽量将同一套液压系统的管路集中布置，不同的系统管路分开布置，从而将转子爆破的影响控制在系统余度范围内。

3.2.2 轮胎爆破

在液压系统设计时，必须考虑CCAR25.729（f）中的轮胎爆破保护。在机翼上布置液压元器件和管路时，必须考虑尽量减少轮胎爆破对液压系统的破坏，例如，如果只有一套备份液压系统时，损失不能超过一套液压系统。

在选择液压管路材料时，需要考虑起落架收起和放下状态时轮胎爆破的影响。如有必要，当轮胎爆破会导致超过一套液压系统失效时需要考虑适当的保护措施。

3.2.3 失效转轴保护

转轴失效，如襟翼驱动系统失效，对液压系统会有潜在的破坏风险。应该限制转轴失效后的破坏性运动。同时在布置液压管路时，尤其是多套液压管路通过该区域时，尽量考虑将管路合理布置以减少转轴失效对液压系统的影响。

3.2.4 将结构破坏对液压系统的影响最小化

应考虑将液压系统管路沿机翼前后缘布置以保证液压系统的余度。当飞机发生空中相撞，但结构仍允许飞行时，仍能保证足够的液压系统供飞机进行飞行控制。

4 三套液压系统的机翼内布置研究

基于以上原则，液压管路在机翼内的布置的通道有：机翼前缘布置、机翼盒段布置（燃油箱内）和机翼后缘布置，见图2所示。

下面依次分析，在前缘、盒段和后缘布置液压管路方案的可行性。

4.1 前缘布置液压管路可行性

第一，一般而言从空间的角度来看，机翼固定前缘空间有限，考虑到翼吊飞机需要布置发动机的引气管路、前缘防冰管路、缝翼作动器/扭力杆及相应的线束等，因此，再布置一套液压管路已经是非常困难的。若在这个区域内布置2套液压管路，即使勉强塞下，该方案会使2套液压管路之间的距离非常接近，也不满足不同液压系统之间的隔离要求。

第二，从安全性的角度来看，即使前缘能布置一套液压管路，也离防冰引气管、引气总管、以及发动机主馈电线距离非常近，会受到高温和间隙要求的影响。另外对于翼吊发动机的民用飞机来说，前缘位置如果布置有液压系统管路，则管路是位于发动机转子爆破区、鸟撞区和摆动杆影响区，一旦这些特定风险事件对液压管路造成损伤，前缘布置的多套系统同时失效的可能性非常大。

第三，从重量的角度来看，由于大部分液压用户位于机翼后缘，该方案会使得大部分液压管路从翼尖绕过油箱最外侧的肋，再连接至机翼后缘的液压用户，该方案会大大增加液压管路的重量。

因此，液压管路在机翼固定前缘的布置方案，布置2套或以上的液压管路存在布置空间不足，且安全性非常差，严重影响飞行安全；即使布置1套液压管路也存在布置空间紧张、安全性较差的问题。

4.2 盒段布置液压管路可行性

液压管路若布置在盒段内（即布置在机翼油箱内），会存在管路泄漏从而液压油进入燃油箱的风险以及液压管路发热使燃油温度升高的问题，因此对于燃油箱内是否能布置液压管路的方案，需要进行论证。

4.2.1 液压管路泄漏影响分析

1）液压泄漏可能性

机翼翼盒里采用的液压管接头均为国际通用的永久压接接头。该永久接头经过了长时间的广泛应用，接头质量稳定，压接工艺和工具已经十分成熟、简便。在飞机总装后，机翼燃油箱尚未加注燃油时，进行液压导管加压试验，并对压接点进行检查，如果出现泄漏，则对泄露处进行更换。如果压接正确，永久压接接头的寿命与机体同寿，全寿命免维护。

通过调查，在其它机型使用过程中未发现有燃油箱中液压导管接头的泄漏问题。

2）液压泄露模式分析

尽管永久压接接头的寿命与机体同寿，全寿命免维护，但在燃油箱里的三套液压导管管接头也会存在理论上的泄漏可能。

根据液压系统安全性分析，单套液压系统所有管接头（包括大量可拆卸接头）泄漏的概率必须低于1×10-6/FH。现在每套液压系统采用的管接头分两种，一种是可拆卸接头，一种是永久压接接头，永久压接接头泄露率远低于可拆卸接头。

机翼翼盒里采用的液压管接头均为永久压接接头。如果正确压接，其寿命与机体同寿，全寿命免维护，其泄漏概率远低于1×10-6/FH。如果在燃油箱里同时出现两套液压导管管接头泄漏，其概率低于1×10-12/FH，凡低于1×10-9/FH的事件均被视为极不可能事件，无需分析。因此，在分析泄漏问题时，将不考虑两套液压管路和三套液压管路同时泄漏的可能性，仅考虑在同一时间出现概率极低的单套液压系统泄漏的可能性。

另外，接头泄漏形式分为滴漏和接头爆裂两种。滴漏的泄漏量极少，接头爆裂则将导致该套系统的大量液压油漏入燃油油箱。虽然接头滴漏和爆裂的情况发生的可能性极低，仍从理论的角度对其进行风险分析。

3）燃油箱中液压接头泄漏的影响

如果油箱里的液压接头出现滴漏，对液压系统本身的影响极小，但如果出现接头爆裂，则将导致该套液压系统失效。但单套液压系统失效，飞机仍可安全飞行。另外，如果回油管爆裂，燃油将被吸入液压泵，从而导致火灾，为了避免将燃油吸入液压泵，每套液压系统都设有一个回油单向阀，其开启压力高于燃油箱压力，即使出现回油管爆裂，燃油也不会被吸入液压泵。所以即使发生可能性极低的单套液压系统在燃油箱中泄露情况，仍能保证飞机安全飞行。

翼盒内发生液压油泄漏会对燃油造成污染，对动力系统的安全性影响主要是是否影响发动机的正常工作，根据某型飞机发动机的要求，如果燃油箱内液压油的含量不超过2%，将不会对发动机性能产生重要影响。根据相关资料[1]，以某型飞机为例，即使液压系统满油状态且液压油完全泄漏在燃油箱里，而此时燃油箱只剩最小燃油贮量状态的情况下，燃油中液压油含量仅为1.3%（<2%），所以不会对发动机性能产生重要影响。液压系统每个油箱的液量能够显示在驾驶舱的EICAS上，若产生较大的泄漏问题，告警系统会对每个独立的液压油箱低容量报警，驾驶员可及时发现并采取相应措施阻止泄露情况的进一步恶化。由以上分析可得出，液压系统的泄漏问题不会对燃油的清洁度、发动机的寿命以及飞机飞行安全造成不可接受的影响。

4）液压接头泄漏后的维修

液压系统在设计时都考虑了燃油箱里液压导管的可达性，每套液压系统都尽可能靠近机翼维护口盖布置。

液压系统的维修是将燃油箱排空，借助灯光设备通过维护口盖目视检查泄漏处，找到泄漏接头后，将液压系统卸压，将泄漏接头两端管路切断，根据现场情况对需要补上的液压管路进行取样制造，换上新的永久压接接头，压接完成后即完成修复。

4.2.2 液压管路发热分析

液压系统在工作过程中，液压油的温度会升高，因此，油箱中的液压导管会对燃油的温度产生影响。根据液压系统原理可知，液压油箱上装有温度调控开关，它可将油箱内的温度（液压系统最高温度）控制在一定温度以下。其工作原理为，若油箱内液压油的温度设定，防火切断阀将自动切断该系统对外供压，这样就不可能促使大量燃油温度的大幅度升高。而且，每个液压系统油箱的油液温度能够显示在驾驶舱的EICAS上，若温度大幅度升高，驾驶员能够及时发现并采取措施。因此，液压系统不会在温度问题上给燃油系统带来危险。

另外，从目前主流的在役机型来看，A320飞机没有使用液压系统热交换器，左右机翼各有一套液压系统布置在机翼燃油箱中，从A320飞机的使用情况来看，未发现液压系统机翼管路热量导致燃油温度过高问题。

B737飞机没有导管布置在燃油箱中，但有两套液压系统的热交换器装在燃油箱中，也就是说该机型没有导管在燃油箱中散热，但大量的热还是通过热交换器散入了燃油中，但使用中未出现燃油温度过高问题。

通过以上分析可知，盒段内是可以布置液压管路的，且盒段内空间较为宽敞，系统布置密度较低，布置1套或2套液压管路是基本可行的，考虑到安全性的因素，不建议3套液压管路均布置在盒段内。由于机翼盒段的维护通道只能通过机翼下壁板的口盖，盒段内布置液压管路时需要考虑液压管路的维修性。

4.3 后缘布置液压管路可行性

相比前缘来说，机翼后缘舱内布置空间相对要宽敞些，可参见图4所示。单侧机翼后缘舱内主要布置有个扰流板、副翼和襟翼作动器等飞控系统及相应的支架，液压系统管路均需连接至后缘舱附近的上述飞控系统用户，一般后缘舱下部都有可拆卸的维修口盖，且相应的舵面都可打开，因此后缘舱区域的维修性和可达性较好，因此认为布置1套液压管路是基本可行的。另外，后缘一般位于发动机转子爆破大碎片的影响区域以外，且有后梁结构的保护，液压管路布置在此处，相对前缘而言是比较安全的。但要布置2套或3套液压管路，空间相对而言就很紧张，几乎很难同时将2套液压系统管路及EWIS电缆从如此狭小的空间穿过，也不满足不同系统之间的隔离要求。对于安全性，大部分后缘舱内布置有襟翼扭力管，属于摆动杆影响区，一旦特定风险事件对液压管路造成损伤，若布置2套及以上液压系统，则液压系统同时失效的可能性非常大，可能造成极大的安全隐患。

综上，后缘舱空间相比于前缘要大，且受影响的特殊风险项目要少，因此液压管路布置在后缘舱内是较为可行的。但受限于空间，一般只能布置1套系统管路（少数较早期的飞机能够布置2套），后缘舱很难为2套及以上液压系统管路提供足够的布置空间，且安全性差，会影响飞行安全。

4.4 液压系统管路布置优选

根据上述4.1到4.3章节的论述，表1罗列了所有的机翼内理论上液压管路的布置方案，并进行了可行性分析。参照表1可见，盒段内布置2套、后缘布置1套液压管路的方案是相对较佳的方案；其次是盒段内布置1套、后缘布置2套液压管路的方案。在民机的液压管路初步布置时，要根据飞机机翼实际的液压用户布置方案、机翼结构空间大小及规划的管路通道大小、最新适航条款等来具体分析可行的液压系统布置方案。在规划好管路总的布置方案后，需根据相应的设计原则来开展管路的细化设计工作。

最新型B787飞机的3套液压管路布置方案见图5，从中可以看出，B787采用的是在机翼盒段内布置2套液压管路、后缘布置1套液压管路的方案，从另一个侧面印证了本文分析的可行性。

5 总结

本文简述了民用飞机的液压系统在机翼上布置需考虑的原则与因素，详细论述了液压管路布置在机翼前缘、盒段和后缘可能会存在的问题，重点论证了液压管路布置在盒段内对飞机可能产生的影响，最后提出了机翼上3套液压系统的最优配置方案，形成了可供参考的民用飞机机翼上液压系统的布置方案。

【参考文献】

[1]肖翔，夏语冰，姜逸民，郑占君，戴攀.超薄翼型上液压系统布置的设计分析[J].民用飞机设计与研究，2010（4）.

[2]运输类飞机适航标准.中国民用航空规章.第25部，CCAR-25-R4[S].中国民航总局，2009.

[责任编辑：王楠]