民用飞机液压系统技术现状及趋势研究

陈宝琦

摘 要：目前民用飞机液压系统为保障安全性和操作性，在设计时通常会采用冗余和备份技术，但同时也会带来成本、重量和复杂性的问题。该文通过对波音和空客多款机型机载液压系统的研究，重点分析泵源、余度配置、替换逻辑与系统布局方案，总结了其液压系统体结构、冗余备份等方面的技术现状，指出未来民机液压系统应具有单源系统向多源系统发展、系统独立性提升、多电化和分布式、控制技术和健康监测技术的应用以及高压化低压力脉动的发展趋势。

关键词：民用飞机 液压系统 布局分析 发展趋势

中图分类号：V22 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2015）07（a）-0069-03

随着经济的发展和社会的繁荣，我国民航产业每年都以超过10%的增速快速增长，现已成为世界第二大民用航空市场。但作为航空大国，我国在大型民用飞机液压系统的研制方面却是刚刚起步，从元件级到系统级基本由国外供应商垄断，国内市场的供给量与巨大的需求极不匹配。

研制高效可靠的大型民用飞机液压系统，不仅可以在产品层级上为飞机减轻重量，提高安全性和效率，还可带动诸如新材料、电子、能源、精密制造等一系列相关的高新技术产业的发展，关系到整个国家航空系统集成能力的提高。

1 液压系统的定义及组成

按照ATA100（航空产品技术资料编写规范）的定义，民机液压系统是指使液压油在压力下供至公共点以便再行分配到其它规定系统的部件和零件。民用飞机液压系统按功能可分为液压能源系统和工作回路两个部分。液压能源系统为飞机上所有使用液压驱动的活动部位提供液压能源，并保证卸荷与散热等方面的要求。液压能源系统主要由泵源、能量转换装置、油箱、控制阀、管路及指示系统等组成。

2 典型民机液压系统技术现状

波音和空客是目前世界民航市场上两大巨头，均有多款产品在市场上获得巨大成功，具有极高的研究价值。

2.1 波音飞机液压系统的特点

波音公司的发展基本涵盖了整个民航发展历史，期间推出的多款机型均可代表不同时期民机液压系统的设计理念和先进技术。表1展示了波音各机型液压系统泵源配置的变化历程。该文选取其主流机型波音737和先进机型波音787进行详细分析。

2.1.1 波音737液压系统

波音737是波音公司研制的中短程客机，是世界航空史上最成功的民航客机。B737飞机拥有A、B和备份3套独立的液压系统，工作压力为3000psi。其中A、B系统为常规系统，在飞行过程中总是处于工作状态，为飞控、襟/缝翼、起落架和机轮刹车等提供动力，备用系统只在必要时才启用，仅为方向舵、反推和前缘装置提供动力。

早期型号B737-100/200的A系统有两台发动机驱动泵EDP，B系统有两台电动泵EMP，备用系统为一台EMP，且没有动力转换装置PTU，B系统可通过互联阀直接向A系统单向增压。油箱增压系统使用发动机引气增压，气压进入A系统油箱后，三个系统油箱通过压力平衡管串联从而达到全部增压的目的。

后续型号B737-300/400/500及NG系列中，对系统的泵源配置做出了改进，A、B系统各有一台EDP和一台EMP，备用系统为一台EMP，可有效避免共因故障，提高了可靠性；另外A、B系统间配置了PTU，可利用A系统对B系统部分增压，实现对襟/缝翼的供能；油箱采用两套独立的油箱增压系统，A系统油箱独立，B系统油箱与备用油箱通过平衡管连通，并采用气压集成回路代替部分分离式元件充气回路。

2.1.2 波音787液压系统

波音787是波音系列首次采用5000psi压力级别液压系统的机型，它有相互独立的左、中、右3套液压系统，为飞行控制系统、发动机反推、起落架及转弯系统等提供动力。其中左、右系统均由一台EDP和一台EMP组成，EDP为系统主泵，电动泵为备用泵，可为系统提供应急能源。与之前型号相比，左、右系统中的EMP额定流量大大提高，上升到了与EDP相当的水平。中央液压系统由两台EMP和一台冲压空气涡轮泵RAT组成。两台EMP完全相同，可轮流做为主泵和备用泵；RAT可为飞机提供应急能源。B787上还应用了较多的多电技术，采用了全电刹车取代了传统的液压刹车，同时可用电力驱动起落架的收放。总的来说，B787飞机是将传统飞机系统概念向多电系统概念发展的探索机型。

2.2 空客飞机液压系统特点

空客公司发展比波音较晚，但其型号上率先使用电传控制、多电化等新技术，同样取得了巨大的成功。表2展示了空客各机型液压系统泵源配置的变化历程。该文选取主流机型A320和先进机型A380进行详细分析。

2.2.1 空客A320液压系统

A320是空客为打破波音垄断垄断客机市场局面而研制的，是史上仅次于B737第二畅销的喷气式客机。A320的液压系统由三个子系统组成：绿、黄、蓝液压系统，额定工作压力为3000psi。三套液压系统相互独立，其中黄、绿系统为主系统，蓝系统为辅助系统。

绿系统使用一台EDP作为系统主泵，另装有一台手动泵用于地面维护。黄系统由一台EDP、一台EMP组成，EDP为系统主泵， EMP为辅助泵，共两级功率，仅在飞大流量工况及主泵故障时启动，系统中同样装有一台手动泵，用于货舱门的打开。黄绿系统之间还安装有双向PTU，当黄、绿系统的压差达到500psi时即可自动启动，为低压一端提供能源。蓝系统中有一台EMP和RAT， RAT仅在飞机失去电源或者全部发动机故障时开启，提供液压动力的同时也可以驱动恒速发达/发电机，为飞机提供电能源。

2.2.2 空客A380液压系统

A380率先在大型客机上应用了5000psi的高压液压系统技术和电动静液作动器（EHA）等多种新技术。A380飞机采用了双体系结构的飞行控制系统，这是一种混合的飞行控制作动电源分配系统，即把用于备份系统的分布式电作动器与主动控制的常规电传液压伺服控制（包括电液伺服阀）结合起来，形成4套独立的主飞行控制系统。其中2套系统采用传统的以液压为动力的作动系统，另外2套以电为动力，通过分布式电液作动器系统操纵舵面。这种体系结构也称为2H/2E结构布局。理论上，这4套系统中的任何一套都可以用来对飞机进行控制，这使A380飞机的飞行控制在系统独立性和余度上达到了前所未有的水平。

A380液压系统采用绿、黄两套液压系统，加上E1、E2两套电系统，用来代替传统的第三套液压系统。两套液压动力系统驱动常规的伺服控制作动器；两套以电为动力的回路驱动非常规的作动器，即电动静液作动器（EHA），这两套系统实际上是作为备份使用，称为功率电传系统。A380飞机的液压能源系统包括了8台EDP，使用脱开式离合器，任意一台泵发生故障均可与系统脱离。

3 民机液压系统发展趋势

民用飞机液压系统的设计，从发展历程看，具有如下发展趋势：

（1）能源系统由单源系统向多源系统发展。

这一趋势在波音飞机的发展过程中最为明显。早期的B707飞机，液压系统划分为功能系统和备用系统，系统之间存在存在明显的优先级区分，属于一主两备的结构；这样的配置，到B727的时候变成了A-B-备用系统的划分， A、B系统之间的重要性差别变小，但仍有一定的差别，形成了重要-主要-备份的系统结构，并延续到了B737的早期型号，在波音737-300及以后的型号中，A、B系统的差距逐渐消失；从B757之后的飞机，则形成了左-中-右三套系统的结构，共同承担重要的用户，系统之间的重要程度已趋于平均，这样的结构一直沿用至今。而波音747这样的超大型远程宽体客机，则开始采用四套液压系统。

空客系列的飞机由于研制较晚，避免了早期设计中的各种缺陷，系统从开始就采用了绿-黄-蓝三套液压系统的结构。在最新的A380中，采用2H/2E布局的飞行控制系统，引入了两套电系统取代蓝系统充当备份作用，绿系统和黄系统继续沿用下来。

截至目前，三套系统主-主-备的结构，仍然是现有民用客机的主流设计思路。

（2）系统独立性提升。

早期飞机的液压系统各子系统通常不是独立的，相互之间存在一定的交联，这样的交联体现在油箱和用户管路两部分上。波音公司的早期系列中，三套油箱是通过平衡管连接的，通过向A系统（或公共系统）注油，就能注满另外两个系统的油箱，复杂程度较高，使油源的安全性受到影响。随后的B747以后机型上，各子系统的油箱相互独立，提高了可靠性。早期飞机的液压管路并不独立，几套子系统之间是可以实现互联的。B707上方向舵和刹车系统的管路为共用管路，且1#备用系统可通过互联阀与公用系统相连。B727的液压系统独立性有了较大改善，引入了功率转换单元PTU，避免了油液交换。在B747以后的机型上，系统互联阀就基本消失了，系统之间相互备份提供动力全部通过PTU实现，系统之间相互隔离互不影响，有效的提高了安全性。

空客系列飞机的液压系统开始就使用了独立油箱，且各子系统之间没有油液交换，功率转换使用PTU等进行传递。

（3）多电化和分布式。

多电化和分布式在军用飞机上的应用已经较为广泛，随着电作动器等部件的发展和成熟，民用飞机也逐渐体现出了多电化和分布式的发展趋势。这点在最新型的波音B787和空客A380上尤为明显。A380使用两套功率电传系统取代了蓝系统。B787则使用了EMA来控制部分舵面，同时使用电刹车替代了传统的液压刹车。

除了系统级别的改变外，EMP在新机型中的重要性得到了进一步的提升，早期的飞机中EMP仅作为备份，使用和性能受到一系列的限制，而在最新的B787中，EMP的功率则提升到了和EDP相当的水平，并可实现两级功率的输出，有效的降低了无效能耗。

（4）控制技术和健康监测技术的应用。

早期飞机采用机械传动控制，随得电力电子和计算机技术的发展，复杂的逻辑控制方法引入液压系统备用泵的启停控制中，有效地降低了飞行员的操作负荷，提高了飞行的安全性。同时，随着传感器技术的发展，对系统状态参数和健康情况的监视也不断完善，有助于飞行员作出反应，还能够作为系统自动控制和故障重构的输入条件。

（5）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液压压力级别，并已保持了半个世纪。目前最先进的B787以及A380的工作压力都由3000psi增加到5000psi。高压化有利缩小动力元件尺寸、减轻重量，同时提高飞控系统的响应速度。另外，压力脉动引起的管路振动是液压系统失效的主要原因，随着飞机液压系统向高压、大流量和大功率方向发展，由动力源产生的流量压力脉动和由此诱发的管道振动也越来越突出。

4 结语

液压系统是飞机上的关键系统，其性能指标将直接影响飞机整机的性能。该文通过对现有飞机机载液压系统的体系结构进行分析，尤其对泵源配置、替换补偿逻辑、系统独立性、电传作动技术的应用等方面进行了重点研究，提出了我国民用飞机液压系统要获得进一步的发展，须重点在系统多源化、多电化、分布式、高压化、低压力脉动、健康监控技术、电传控制技术等方面展开，希望有助于我国先进民机液压系统的设计。

参考文献

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