A380飛機(jī)液壓源系統(tǒng)的研究與啟示

程海龍

【摘 要】通過(guò)研究先進(jìn)的A380飛機(jī)液壓源系統(tǒng)，探明未來(lái)民用飛機(jī)液壓源系統(tǒng)先進(jìn)技術(shù)和發(fā)展趨勢(shì)，為我國(guó)民用飛機(jī)液壓源系統(tǒng)的研制提供啟示。

【關(guān)鍵詞】A380；民用飛機(jī)；液壓源系統(tǒng)

0 引言

飛機(jī)液壓源系統(tǒng)用于為飛機(jī)上液壓驅(qū)動(dòng)的活動(dòng)部位提供液壓動(dòng)力，主要用于飛機(jī)起落架系統(tǒng)、飛行控制系統(tǒng)、艙門、發(fā)動(dòng)機(jī)反推等的操縱，對(duì)飛行安全起著重要的作用。飛機(jī)上一般布置相互獨(dú)立的、能夠連續(xù)工作的左右兩套液壓源系統(tǒng)，其管路布置也需要相互隔離，以提高總體系統(tǒng)的可靠性和飛行的安全性。作為先進(jìn)民用飛機(jī)的代表，A380飛機(jī)的液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)折射出現(xiàn)代飛機(jī)液壓源系統(tǒng)的先進(jìn)技術(shù)和發(fā)展趨勢(shì)。

1 系統(tǒng)概述

A380飛機(jī)液壓源系統(tǒng)包括兩套由八臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)的液壓泵（EDP）和四個(gè)帶電控和保護(hù)系統(tǒng)的5000psi（磅/ 平方英寸）交流電動(dòng)泵的主液壓系統(tǒng)，以及由電動(dòng)液壓作動(dòng)筒和備用電動(dòng)液壓作動(dòng)筒組成的備份系統(tǒng)。主液壓系統(tǒng)分別為綠色液壓系統(tǒng)和黃色液壓系統(tǒng)，各套液壓回路同時(shí)工作，并且回路之間沒(méi)有油液轉(zhuǎn)換。A380飛機(jī)液壓用戶包括飛控系統(tǒng)、起落架系統(tǒng)以及貨艙門系統(tǒng)等。綠色液壓系統(tǒng)架構(gòu)如圖1所示，其中Reservior為系統(tǒng)油箱，ENG PMPS為發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)液壓泵，ELEC PMPS為電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)液壓泵，F(xiàn)IRE SHUT-OFF VALVE為油箱防火切斷閥，HSMU為系統(tǒng)監(jiān)測(cè)單元。

2 先進(jìn)技術(shù)

2.1 余度技術(shù)

隨著現(xiàn)代飛機(jī)性能的不斷提高，其對(duì)液壓系統(tǒng)的安全性和可靠性提出了更高的要求。提高液壓系統(tǒng)及其附件的安全性和可靠性成為現(xiàn)代先進(jìn)民用飛機(jī)液壓系統(tǒng)研究的重要方向。通過(guò)采用余度設(shè)計(jì)能夠很好地達(dá)到提高系統(tǒng)的可靠性的目標(biāo)。

為了保證飛機(jī)的安全和可靠，現(xiàn)代飛機(jī)液壓系統(tǒng)普遍采用了余度設(shè)計(jì)，具有多個(gè)獨(dú)立的液壓源系統(tǒng)。如波音737飛機(jī)、空客A320飛機(jī)都是采用了三套獨(dú)立的液壓源系統(tǒng)，而波音747飛機(jī)則采用了四套獨(dú)立的液壓源系統(tǒng)。對(duì)于三余度的液壓源系統(tǒng)，當(dāng)一套系統(tǒng)發(fā)生故障后，另兩套系統(tǒng)能夠正常工作，保障飛機(jī)的正常飛行；如果兩套液壓系統(tǒng)發(fā)生故障，第三套系統(tǒng)仍能夠保證飛機(jī)安全降落。

A380飛機(jī)采用了綠黃兩套液壓油路，“二液壓+二電”（“2H+2E”）的系統(tǒng)架構(gòu)，包括兩套主液壓源、兩套備份液壓源以及輔助液壓源。主液壓源由發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)泵提供正常工作的5000PSI壓力，其中每個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)帶兩個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)泵，每路液壓系統(tǒng)由四個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)泵組成，其用戶包括主飛控作動(dòng)、次級(jí)飛控作動(dòng)、起落架系統(tǒng)以及剎車轉(zhuǎn)彎系統(tǒng)等。備用液壓源是利用電能驅(qū)動(dòng)局部電液壓系統(tǒng)，為飛控系統(tǒng)、起落架系統(tǒng)提供液壓源。輔助液壓源用于在地面狀態(tài)，發(fā)動(dòng)機(jī)停車的情況下，為貨艙門系統(tǒng)提供作動(dòng)液壓源。分布系統(tǒng)設(shè)計(jì)和多余度的液壓系統(tǒng)構(gòu)架為飛機(jī)的飛行安全和可靠提供了保障。

2.2 高壓技術(shù)

傳統(tǒng)的民用航空飛機(jī)如A320飛機(jī)以及B737飛機(jī)都是采用3000PSI的液壓壓力為全機(jī)液壓用戶供壓，A380飛機(jī)則采用了5000PSI的高壓。國(guó)外研究的成果顯示，提高飛機(jī)液壓系統(tǒng)的工作壓力能夠顯著地減輕飛機(jī)液壓系統(tǒng)的重量，縮小液壓系統(tǒng)元器件及管路的體積。相對(duì)于當(dāng)今民用飛機(jī)普遍使用的3000PSI液壓系統(tǒng)，采用5000PSI液壓系統(tǒng)的A380飛機(jī)減輕了一噸的重量。高壓系統(tǒng)的構(gòu)建原理與傳統(tǒng)系統(tǒng)的相似，只是把大量的工作放到更小的工作包之中，只需要較少的液壓油和閥門。

A380飛機(jī)從增加系統(tǒng)功率、減輕系統(tǒng)重量，提高系統(tǒng)效率角度，采用了5000PSI的高壓，為其后的大型民機(jī)液壓系統(tǒng)壓力設(shè)計(jì)提供了參考。

2.3 機(jī)電一體化技術(shù)

在A380飛機(jī)液壓系統(tǒng)的架構(gòu)中，我們知道其兩路液壓油路采用了兩套電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)泵供壓的主液壓源以及兩套電驅(qū)動(dòng)液壓裝置的備用液壓源，即采用兩液兩電的混合作動(dòng)系統(tǒng)。作為備份液壓源，分別采用了電靜液作動(dòng)器（EHA）、電備份靜液作動(dòng)器（EBHA）以及局部電液壓系統(tǒng)（LEHGS）等先進(jìn)的機(jī)電設(shè)備和技術(shù)。

（a）電靜液作動(dòng)器

電靜液作動(dòng)器是功率電傳技術(shù)的體現(xiàn)。作為先進(jìn)的多電飛機(jī)，功率電傳（PWB）技術(shù)在A380飛機(jī)上得到了全面的應(yīng)用。功率電傳是指由飛機(jī)次級(jí)能源系統(tǒng)至作動(dòng)系統(tǒng)各執(zhí)行機(jī)構(gòu)之間的功率傳輸是通過(guò)電導(dǎo)線以電能量傳輸?shù)姆绞酵瓿傻摹?/p>

電動(dòng)靜液作動(dòng)系統(tǒng)由控制器、電動(dòng)機(jī)及其所驅(qū)動(dòng)的液壓泵、液壓作動(dòng)器組件、高壓液壓油箱組成。其中控制器包括數(shù)字控制和電機(jī)控制兩個(gè)部分，數(shù)字控制部分起著伺服控制的作用，實(shí)現(xiàn)回路閉合、系統(tǒng)監(jiān)控和余度管理等功能；并與飛行控制計(jì)算機(jī)和數(shù)據(jù)鏈接口，接受飛行控制計(jì)算機(jī)發(fā)出的電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)指令和把數(shù)據(jù)發(fā)送給飛行控制計(jì)算機(jī)進(jìn)行診斷。電機(jī)控制部分則響應(yīng)來(lái)自數(shù)字控制部分的指令，對(duì)電機(jī)實(shí)施脈寬調(diào)制，把電力加到電機(jī)上以驅(qū)動(dòng)液壓泵。系統(tǒng)中的電機(jī)驅(qū)動(dòng)一個(gè)液壓泵，把油液從其自身的小油箱中輸出，從而驅(qū)動(dòng)副翼，它的液壓系統(tǒng)與中央液壓系統(tǒng)相對(duì)獨(dú)立。A380的主飛控作動(dòng)就是采用的電靜液作動(dòng)器，作為發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)泵的備份液壓源。

（b）電備份靜液作動(dòng)器

電備份靜液作動(dòng)器比電靜液作動(dòng)器增加了液壓系統(tǒng)接口，保持了常規(guī)液壓系統(tǒng)工作的兼容性。其接收來(lái)自相關(guān)液壓通道和電通道的輸入，可有兩種工作模式：

正常模式：在正常模式，作動(dòng)器接受相關(guān)綠色或黃色系統(tǒng)的壓力，伺服閥按照電傳計(jì)算機(jī)指令調(diào)節(jié)輸入作動(dòng)器的供壓；

備用模式：在備用模式，作動(dòng)器工作如同電靜液作動(dòng)器，接受來(lái)自飛機(jī)上交流電氣系統(tǒng)的電功率，電傳計(jì)算機(jī)將指令輸入作動(dòng)器控制組建。電機(jī)的轉(zhuǎn)向和轉(zhuǎn)速確定了作動(dòng)器活塞的運(yùn)動(dòng)方向和速度。

在A380飛機(jī)上，同樣是飛控系統(tǒng)的作動(dòng)采用了電備份靜液作動(dòng)器作為主液壓源的備份。

（c）局部電液壓系統(tǒng)

局部電液壓系統(tǒng)是指采取分布式局部液壓中心（LHC）與大功率電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)液泵的結(jié)合及分布式油箱的液壓系統(tǒng)。研究表明在大型運(yùn)輸機(jī)中，局部電液壓系統(tǒng)的應(yīng)用是很有意義的。目前，用于LHC的液壓油冷電機(jī)驅(qū)動(dòng)功率已可達(dá)100kw，極大地提高了作動(dòng)效率。A380的局部電液壓系統(tǒng)負(fù)責(zé)為起落架系統(tǒng)的應(yīng)急剎車和前輪轉(zhuǎn)彎功能提供液壓備份。

先進(jìn)的機(jī)電一體化設(shè)計(jì)，形成電液備份的系統(tǒng)架構(gòu)，為A380飛機(jī)液壓系統(tǒng)提供了更高的可靠性保障，同時(shí)，也減輕了飛機(jī)重量，提高了液壓作動(dòng)效率。

2.4 監(jiān)控診斷技術(shù)

液壓系統(tǒng)監(jiān)控診斷技術(shù)是指以計(jì)算機(jī)為中心， 包括狀態(tài)信號(hào)的采集、數(shù)字信號(hào)的處理、系統(tǒng)元件狀態(tài)特征量的提取、以及故障診斷專家系統(tǒng)等。 A380飛機(jī)大量采用了集成模塊話航空電子系統(tǒng)和遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)集中器（RDIU），共有32個(gè)模塊化電子設(shè)備（IMA）模塊，完成顯示、告警及其他相關(guān)功能。飛機(jī)液壓系統(tǒng)的控制監(jiān)測(cè)由液壓系統(tǒng)監(jiān)測(cè)單元（HSMU）完成。直流供電的液壓系統(tǒng)監(jiān)測(cè)單元將通過(guò)采集系統(tǒng)狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)壓力指示、告警顯示、電動(dòng)泵控制等功能。隨著航空電子技術(shù)的發(fā)展，IMA技術(shù)將日趨成熟，應(yīng)用也將更加廣泛，這為包括液壓源系統(tǒng)在內(nèi)的機(jī)械系統(tǒng)的數(shù)字化、智能化提供了條件。

3 啟示

A380飛機(jī)液壓源系統(tǒng)充分反映了現(xiàn)代民用飛機(jī)液壓源系統(tǒng)先進(jìn)技術(shù)的發(fā)展方向和要求，對(duì)目前我國(guó)民用飛機(jī)液壓源系統(tǒng)的發(fā)展現(xiàn)狀，具有現(xiàn)實(shí)指導(dǎo)意義。

（1）多余度設(shè)計(jì)。對(duì)液壓源系統(tǒng)進(jìn)行余度設(shè)計(jì)，通過(guò)增加系統(tǒng)余度，提高系統(tǒng)的可靠性、安全性。目前，我國(guó)自主研發(fā)設(shè)計(jì)制造的正在試飛取證的新型渦扇支線客機(jī)ARJ21飛機(jī)和在研的大型干線客機(jī)C919飛機(jī)均采用的是三套液壓源系統(tǒng)。

（2）高壓設(shè)計(jì)。高壓設(shè)計(jì)能夠提高系統(tǒng)的工作效率，但是高壓技術(shù)同時(shí)也受制于液壓管路材料。目前ARJ21飛機(jī)和C919飛機(jī)均采用的是類似于A320飛機(jī)及B737飛機(jī)的3000psi壓力，但是，對(duì)于未來(lái)大型寬體客機(jī)來(lái)說(shuō)，A380飛機(jī)的5000psi壓力設(shè)計(jì)將具有重要的參考意義。

（3）機(jī)電技術(shù)。隨著多電飛機(jī)技術(shù)的發(fā)展，電能將更多地與液壓能源結(jié)合，作為飛機(jī)作動(dòng)的能源。A380飛機(jī)先進(jìn)的機(jī)電一體化技術(shù)的成功應(yīng)用，將推動(dòng)其在我國(guó)民用飛機(jī)上的發(fā)展。

（4）監(jiān)測(cè)控制技術(shù)。監(jiān)測(cè)控制技術(shù)包括平臺(tái)的構(gòu)建以及軟件的集成，通過(guò)與航電網(wǎng)絡(luò)的通信互聯(lián)，成為全機(jī)機(jī)電綜合的一部分。

作為飛機(jī)飛行安全的重要保障，液壓源系統(tǒng)的設(shè)計(jì)越來(lái)越得到飛機(jī)研制者的重視。A380飛機(jī)作為現(xiàn)代民用飛機(jī)的先進(jìn)代表，其液壓源系統(tǒng)的設(shè)計(jì)體現(xiàn)了民用飛機(jī)液壓源系統(tǒng)的發(fā)展方向和趨勢(shì)，也為我國(guó)民機(jī)液壓源系統(tǒng)的研制和發(fā)展提供了更多的啟發(fā)。

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[責(zé)任編輯：朱麗娜]