运输机类飞机液压系统故障模拟试飞方法

摘 要：液压系统是飞机的关键系统之一，在飞机安全运行中发挥着重要作用。液压系统故障模拟试飞是运输类飞机设计定型的重要科目，该文介绍某型机液压故障模拟试飞方法，首先对试验对象和条款要求进行剖析，介绍试飞科目的选取原则，以及常用的液压系统故障注入方式，对试飞过程中的注意事项和试飞风险进行简要分析和总结，在此基础上给出具体试飞方法，可为后续型号的试飞提供经验和借鉴。

关键词：液压系统;故障模拟;试飞;运输类飞机;风险分析

中图分类号：V267 文献标志码：A 文章编号：2095-2945（2024）34-0111-04

Abstract： Hydraulic system is one of the key systems of the aircraft， which plays an important role in the safe operation of the aircraft. Hydraulic system fault simulation flight test is an important subject in the design and finalization of transport aircraft. This paper introduces the hydraulic fault simulation flight test method of a certain type of aircraft. Firstly， the test object and clause requirements are analyzed. The selection principle of flight test subjects and the common fault injection methods of hydraulic system are introduced. The precautions and flight test risks in the flight test process are briefly analyzed and summarized. On this basis， the sJb11540w3NivKTPdAj68DYOelqh8xK0wf7Tdbo7SdCg=pecific flight test method is given， which can provide experience and reference for the flight test of subsequent models.

Keywords： hydraulic; system fault simulation; test flight; transport aircraft; risk analysis

飞机液压系统是重要的二次能源系统，利用液压油的压力，为飞机上多个系统传递动力。现代飞机液压系统是一种典型的多余度、大功率、高复杂度的综合系统，为保证工作可靠性，一般由多套相互独立且互为备份的独立系统组成。

液压系统与飞行控制系统、前轮转弯系统、刹车系统、起落架收放系统和舱门控制系统等多个飞机平台关键系统相交联，液压能源系统故障、失效可能导致飞机相关系统工作状态异常，使飞机的操纵品质、战术效能甚至安全性受到严重影响。当前国内国际上进行民用运输机适航审定时，也会要求进行液压能源故障试飞，用以表明飞机的操纵和响应特性、相关系统工作状态及安全性。民机的适航条款以及军用运输机的研制总要求、相关国军标[1-2]，对液压系统故障都有明确要求。液压故障模拟试飞的最大特点和优势在于验证环境真实、飞机和系统交联完整，这成为验证飞机液压系统设计符合性、支持飞机定型取证的最有效手段。因此，进行液压故障模拟试飞是十分必要的。本文以某型机为例，研究运输类飞机液压故障模拟试飞方法。

1 试验对象概述

某型运输机液压系统设置3套相互独立的、连续工作的1、2和3号液压能源系统，为飞机上的液压用户提供液压能源。1、2号液压系统分别由2台发动机驱动的液压泵（EDP）作为主液压源，还配备有1台交流电动泵（ACMP）作为辅助液压源。1号和2号液压能源系统之间设置功率转换装置（PTU）组件，当1号或2号能源系统低压故障（非泄漏引起）时，通过PTU组件进行功率转换，仍能保证向该故障系统内的用户供压。3号能源系统由2台交流电动泵和1台冲压空气涡轮（RAT）泵供压。

该型机液压系统EDP采用恒压变量柱塞泵，有“关”“开”“自动”3种工作模态。“关”位时，主泵卸荷;“开”位时，主泵正常工作，输出额定压力;“自动”位时，由机电管理计算机按设定的逻辑自动控制主泵卸荷或不卸荷。电动泵（ACMP）同样具有“关”“开”“自动”3种工作模态，“关”位时，泵关断;“开”位时，泵连续运转;“自动”位时，由机电管理计算机按设定的逻辑自动控制电动泵起停。

2 条款要求与分析

2.1 条款要求

2.1.1 适航审查基础

CCAR25.1309设备、系统及安装（c）（d）。

CCAR25.1435 液压系统（c）（2）。

2.1.2 研制总要求

液压系统任一系统失效时飞行品质不应降级。双套液压系统均失效时飞行品质不应低于3级。

2.1.3 国军标要求

GJB 1396—1992《飞机液压、应急气动系统试验要求和方法》中5.5.2故障状态试验。

2.2 条款剖析

CCAR25.1309（c）条款要求提供警告信息，向飞行机组告诫系统的不安全的工作情况[3]。

CCAR25.1309（d）条款要求用分析的方法，必要时采用适当的地面、飞行或模拟器试验来验证，每个失效状态的概率和故障严重性等级是关联的，以保证对可预见的失效或其他事件对安全性的影响进行评估。评估失效状态的严重性时，可以考虑下述方面。

1）对飞机的影响，如安全性裕度减小、性能降低、执行某些飞行操作能力的丧失或对结构完整性有潜在的或继发的影响。

2）对机组成员的影响，如工作量增加超过正常工作负荷，从而影响他们应付不利的操作或环境情况或继发失效的能力。

CCAR25.1435c（2）条款要求液压系统进行失效条件下的模拟试验，以验证液压系统的安全性。

研制总要求分别对单套液压系统故障、双套液压系统组合故障提出了飞行品质等级要求。这些要求可以分解为对液压故障状态下的短周期模态特性、荷兰滚模态特性、滚转模态特性、纵向静稳定性、横向静稳定性、航向静稳定性、滚转操纵效能和配平特性等方面的要求。

GJB 1396—1992要求进行液压故障状态下的飞行试验，以验证液压系统设计的充分程度。

3 故障试飞科目的选取

液压系统故障对飞机的安全性影响分为2个层次，一是导致飞机和系统功能丧失，二是导致相关系统模态降级、性能下降。故障模式及其组合数量庞大，不可能逐一试飞验证，而且故障模拟试飞又伴随着风险高、周期长等特点，因此在试飞科目选择过程中应当综合权衡。

在ARP4761A《民用航空器、系统和设备安全评估过程指南》中，描述了执行飞机认证安全评估的指南和方法。因此可以ARP4761A中的FHA（功能危险性评估）方法为框架，完成液压系统故障模拟试飞科目的选取。试飞验证过程以FHA中的功能丧失状态和系统主要故障工作模态替代。功能危险性评估的影响等级和分类见表1。

依据该型飞机液压系统FHA（功能危险性评估）报告，液压系统的故障37项，其中I类故障7项，III类故障7项，IV类故障9项，V类故障10项。对于完成FHA理论和模拟器评估的失效状态，在试飞科目的选取中，制定如下原则：对于I类和II类故障模式，由于其失效后可能会产生灾难性和危险的状态，试飞风险过大，考虑到试飞安全原则，不将其纳入试飞考核科目范畴。V类故障对飞机、机组和乘员的影响较小，考虑到必要性原则，不进行试飞验证。试飞主要针对III类和IV类故障，同时，考虑失效状态的难易程度，对于故障模式实现起来特别困难或者叠加其他重大风险的故障模式，不进行试飞考核。综上考虑之后，该型机液压故障模拟试飞的科目有：单套液压系统故障模拟试飞，双套液压系统组合故障模拟试飞，RAT工作试飞。

4 故障模拟方法

液压故障模拟试飞的关键点之一在于如何向飞机注入液压故障，模拟液压系统失效，使得液压系统无法向机上各用户提供压力。

液压系统的动力元件机上的多台液压泵，可通过模拟各液压泵故障来进一步模拟液压系统失效。发动机驱动泵（EDP）通过联轴器与发动机上的齿轮箱相联，随发动机起动而工作，EDP为恒压变量泵，正常工作时输出额定压力。EDP与发动机为机械连接，不能人工关闭。EDP内配有减压电磁线圈，当接收到卸荷指令后，EDP内减压电磁线圈通电，使得EDP的输出压力降低。在进行EDP故障模拟时，可采用EDP卸荷工作方式来进行模拟，当EDP卸荷时，其输出压力减小，由正常额定压力减小至卸荷压力，卸荷压力不足以支持液压用户的正常工作，能够模拟故障情况。电动泵（ACMP）故障模拟直接使用驾驶舱内的液压顶控板，将ACMP的供压控制旋钮置于“关”位，即可实现ACMP的故障模拟。因此，该型机使用液压控制面板上液压泵的供压旋钮便能完成液压系统的故障注入。

值得注意的是，使用卸荷工作来模拟EDP故障的前提是主泵的卸荷压力无法支持液压用户的正常工作，若EDP的卸荷压力过高，则不可直接采用卸荷工作方式来模拟EDP故障，需在机上设计加装专用的液压系统故障模拟设备。某民机EDP卸荷时，输出压力由正常额定压力减小至14 MPa，14 MPa的输出压力依然能够保持液压用户特别是主飞控的用户刚度，不能真实模拟故障情况。因此，为进行液压能源系统故障模拟试飞，该型机设计了一套专用的EDP故障模拟装置加装在飞机上[4-5]，该装置的原理是通过截止泵的输出流量，使得EDP的斜盘倾角调整至0°，实现EDP的零流量输出给液压系统用户，模拟EDP故障状态，以满足试飞要求。

5 风险分析及化解措施

5.1 风险分析

针对该型机的特点，分析试飞过程中可能出现的风险点，具体如下。

1）模拟液压系统故障后不能恢复到正常供压状态，部分飞控舵面、前轮转弯、起落架和刹车等用户丧失压力，无法正常工作，飞行员负担大，控制飞机或着陆困难。

2）模拟液压系统故障时，飞控系统降级，电传飞控不可恢复，飞控系统的三轴增稳功能丧失，保护功能丧失，纵向自动配平功能丧失，飞行品质降级，飞行员负担大，着陆困难。

5.2 化解措施

对于试飞中可能出现的风险点，化解措施具体如下。

1）试飞前，机组完成铁鸟台试验，熟悉液压系统故障时飞机的操纵特性和着陆特性;确定实际试验过程中的操纵量和操纵方式，避免过大的操纵量或过急剧的操纵输入导致飞控降级。

2）试飞前，通过机上地面试验检查液压故障注入及恢复情况，检查各相关系统告警指示是否正确。

3）试飞时，先进行单套液压系统故障试飞，后进行双套液压系统故障试飞，试验按照循序渐进的原则进行，逐步化解试飞风险，做到心中有数。

4）准备应急处置预案。试飞中若出现飞控降级现象，则后续试验终止，尝试将作动器恢复至电传控制，如无法恢复，则执行飞控降级检查单;若模拟液压故障后，液压系统不能正常恢复，则应执行相应的快速检查单。

6 试验安排

该型机飞控舵面为液压二余度配置，2个余度分别由两路液压源供压，在正常情况下，主舵面作动器为主备工作方式，且根据飞控上电进行切换。若主工作的作动器的液压压力过低，也会进行主备切换，转入备份系统工作。如果两路液压源均故障，作动器转入阻尼状态。因此，当液压系统故障时，并且当由该液压系统供压的作动器处于工作状态时，受其控制的操纵舵面需要完成作动器主备切换，然后舵面才能继续工作。反之，当由故障液压系统供压的作动器处于备份工作状态时，该操纵舵面无须进行作动器主备切换，仍然可以继续工作，不受故障液压系统的影响。因此，该型机液压故障模拟试飞时，飞控作动器的主备切换情况也是试飞过程中的一个考核点。若舵面为主供压，则不存在考核主备切换问题。

液压故障模拟试飞的具体试飞方法如下。

第一，飞机起飞爬升至目标高度后改平。

第二，按照预定计划，注入液压故障，检查各告警信息。

第三，待液压系统压力稳定后，依据飞机型号特点，完成液压故障状态下的机动性检查或飞行品质检查。

第四，完成液压故障状态下的模拟着陆复飞。

第五，根据型号要求，以正常模态着陆或以故障模态着陆。

液压系统故障模拟为高风险科目，在该科目试飞实施过程中，按计划首先完成了铁鸟台试验和机上地面试验，使得机组和课题人员对液压系统故障下的飞机特性和告警显示有更加充分和真实的了解，检查确认了液压系统故障注入和恢复方法的有效性，以及告警信息、简图页与控制面板指示的正确性，对设计逻辑在地面进行初步的验证。通过前期地面试验，发现飞控顶控板的指示灯显示问题。在正式开飞前发现了设计缺陷并及时贯改，避免将问题带上天，有效缓解了试飞风险。

在试飞过程中，按照循序渐进的原则开展，先单后双，先易后难，逐步使飞行员熟悉液压系统故障下的飞机操纵特性，增强飞行员信心。在单套液压故障试飞中，发现了多功能扰流板在液压失效状态下的上浮及卡滞问题，后确认该现象为设计缺陷。发现问题后，及时暂停试飞进度，由设计人员排故并贯改，经验证贯改措施有效后，继续开展试飞。依据前期的试验计划和安排，做到了试飞过程中所有现象均可预期并且可控，最终顺利完成了液压故障模拟风险科目的试飞，为型号定型画下了圆满句号。

7 经验与教训

根据该型号液压故障模拟试飞，有以下经验教训可供参考。

第一，试飞任务执行前，前期应当梳理液压故障后对各个用户系统的影响，评估飞机飞行状态，并制定针对性的安全操作程序和方法，以确保飞行安全和试验的顺利进行。

第二，液压系统故障模拟试飞，应安排在各用户系统故障模拟试飞之后开展，例如飞控系统舵面卡阻、飞控系统降级、起落架应急放、应急刹车和前轮转弯失效等科目。试飞前需梳理总结前期试飞结果，使试飞员和课题人员熟悉飞机状态。

8 结论

本文以某型运输机为基础，介绍了该型机液压系统故障模拟的条款要求，试飞科目选取原则及试飞实现方法，全面考虑液压系统失效对用户的影响，并对试飞过程中的注意事项和试飞风险进行了简要分析和总结，圆满完成了液压系统的故障模拟试飞，并且可为后续型号该科目的试飞提供经验和借鉴。

参考文献：

[1] CAAC.中国民用航空规章 第25部 运输类飞机适航标准：CCAR-25-R4—2011[S].2011.

[2] 飞机液压、应急气动系统试验要求和方法：GJB 1396—1992[S].1992.

[3] 赵越让.运输类飞机合格审定飞行试验指南[M].上海：上海交通大学出版社，2013.

[4] 孟庆堂.民机液压系统发动机驱动泵的卸荷工作及故障模拟分析[J].流体传动与控制，2011（5）：12-15.

[5] 韩定邦，周昌明.民用飞机液压能源系统故障模拟试飞实现方法[J].科技世界，2016（10）：13，24.

第一作者简介：赵翔（1993-），女，硕士，工程师。研究方向为飞机液压系统试飞。