陳元章

(1.中航工業(yè)南京伺服控制系統(tǒng)有限公司，江蘇 南京 210061；2.航空機電系統(tǒng)綜合航空科技重點試驗室，江蘇 南京 210061)

飛機液壓系統(tǒng)是飛機的重要系統(tǒng)，它是以液壓傳動與控制為核心的系統(tǒng)，現(xiàn)代飛機的飛控系統(tǒng)、起落架收放系統(tǒng)、機輪剎車、地面轉(zhuǎn)向、發(fā)動機反推控制等系統(tǒng)均使用了液壓系統(tǒng)，因此，飛機液壓系統(tǒng)對飛機安全影響極大。據(jù)有關(guān)資料介紹，有50%左右的飛機事故是由液壓能源系統(tǒng)故障引起的，所以，如何提高液壓系統(tǒng)的可靠性是亟待解決的問題[1]。目前，提高液壓系統(tǒng)安全性和可靠性的研究方向之一是余度設(shè)計。

飛機液壓系統(tǒng)與通常的液壓系統(tǒng)一樣，也由液壓泵組、控制部件和執(zhí)行部件等構(gòu)成，因此，飛機液壓系統(tǒng)的余度設(shè)計也包括這些方面。飛機液壓系統(tǒng)與地面液壓系統(tǒng)很大的不同，體現(xiàn)在液壓系統(tǒng)、液壓回路的多分支、多源特性方面。

余度設(shè)計，顧名思義是指采用兩種或者兩種以上的設(shè)計對象共同作用在同一目標(biāo)體上，以提高該目標(biāo)體的可靠性。飛機作為一個對可靠性要求很高的對象，為保證系統(tǒng)的安全性，從主系統(tǒng)到子系統(tǒng)層級采用相互隔離的系統(tǒng)，不同的液壓系統(tǒng)從泵源到被控對象均為一路系統(tǒng)，其他的被控對象采用不同的油源系統(tǒng)提供能源，單一系統(tǒng)的故障不會影響其他系統(tǒng)的工作，空客A330等飛機的液壓系統(tǒng)就采用了這種余度設(shè)計，這也是飛機液壓系統(tǒng)余度設(shè)計的一種。同時，飛機作為一個復(fù)雜的目標(biāo)體，特別是飛機液壓系統(tǒng)包括了飛控系統(tǒng)、起落架收放系統(tǒng)等多個液壓系統(tǒng)，任何液壓系統(tǒng)余度的提高均能提高飛機液壓系統(tǒng)的可靠性，因此，飛機另一種余度設(shè)計是提高飛機系統(tǒng)回路中各子回路的余度以及子回路中各元件的余度，例如增加泵站數(shù)量、增加泵源種類均屬于這種方式[2-5]。

1 飛機典型液壓系統(tǒng)

液壓系統(tǒng)在飛機上的應(yīng)用最早開始于第二次世界大戰(zhàn)，其最初的作用是給當(dāng)時的高速飛機的平尾助力器提供液壓動力。20世紀(jì)60年代以來，隨著液壓技術(shù)和電氣電子技術(shù)、自動控制理論等相關(guān)學(xué)科的不斷融合，液壓技術(shù)逐漸成為機械電機工程領(lǐng)域的主要方向，飛機液壓系統(tǒng)也得到了突飛猛進的發(fā)展，承擔(dān)著飛機的特性操縱與驅(qū)動任務(wù)。目前，絕大多數(shù)飛機作動器系統(tǒng)都是電液伺服系統(tǒng)，現(xiàn)代飛機最主要的飛機舵面全部采用電液伺服系統(tǒng)驅(qū)動，起落架收放動作幾乎都采用液壓傳動系統(tǒng)實現(xiàn)，此外液壓系統(tǒng)還擔(dān)負著飛機操縱系統(tǒng)、機輪剎車及地面轉(zhuǎn)向駕駛、發(fā)動機反推控制等工作，對飛機的安全飛行起著極為重要的作用[6-10]。

飛機液壓系統(tǒng)液壓泵組是飛機液壓系統(tǒng)的心臟，相較于地面泵組，其對安全性、可靠性和體積質(zhì)量有更高的要求。為了提高液壓泵站的可靠性，飛機的液壓系統(tǒng)的液壓泵源基本都配備1～5個液壓泵，而且采用多種非相似余度設(shè)計，一般采用發(fā)動機驅(qū)動泵、電動馬達驅(qū)動泵、空氣驅(qū)動泵和沖壓空氣渦輪驅(qū)動泵中的兩種或多種組合形成液壓泵站。多種類型的液壓泵組合形成了非相似余度的泵組液壓源，且大多數(shù)飛機由8個以上的泵組成獨立的4套以上的液壓泵組。圖1為空客A380的液壓泵源，采用包括EDP、電機泵、手動泵等形式的13個泵組成了7組相互獨立的液壓泵源[11-13]。

圖1 空客A380液壓泵組

圖2為Cessna公司某型飛機液壓系統(tǒng)原理圖[14]，它采用了兩個發(fā)動機驅(qū)動泵控制主液壓系統(tǒng)，同時增加了一路回路用于單獨控制機輪剎車，有效提高了系統(tǒng)安全性。

圖2 Cessna公司某型飛機液壓系統(tǒng)原理圖

該液壓系統(tǒng)雖然簡單，但體現(xiàn)了飛機液壓系統(tǒng)設(shè)計的一個基本思想：增加泵組數(shù)量保證泵源安全、采用回路間的物理隔離以保證相互間的獨立性。

簡單系統(tǒng)如此，復(fù)雜系統(tǒng)也體現(xiàn)了這種思路，圖3為空客A330液壓系統(tǒng)原理圖，它是由3套主液壓系統(tǒng)組成，3套液壓系統(tǒng)完全獨立，分別控制3路系統(tǒng)。

圖3 空客A330-200/300液壓系統(tǒng)原理圖

雖然這種相互獨立的液壓系統(tǒng)層次分明，當(dāng)一套液壓系統(tǒng)故障甚至管路破裂時不會影響其他液壓回路，但這種液壓回路布置系統(tǒng)利用率較低，且質(zhì)量較大、所占空間較大，一般寬體飛機多采用這種系統(tǒng)。

圖4為Boeing707的液壓系統(tǒng)圖，它由一個主控能源系統(tǒng)和兩套輔助液壓能源系統(tǒng)構(gòu)成。主控液壓能源由兩個發(fā)動機驅(qū)動泵并聯(lián)構(gòu)成，兩套輔助能源系統(tǒng)各由一個電機泵構(gòu)成。主控能源系統(tǒng)控制主回路，第二輔助系統(tǒng)主要控制方向舵，并通過一剎車連通閥備份控制剎車系統(tǒng)，第一輔助系統(tǒng)主要控制內(nèi)側(cè)擾流板系統(tǒng)，并與第二輔助系統(tǒng)常通，同時通過一互聯(lián)閥控制主回路。這種互聯(lián)閥實現(xiàn)了油路的備份，防止主控能源系統(tǒng)因突然失效而不能控制起落架、襟翼等重要系統(tǒng)。

圖4 Boeing707-120/320/420液壓系統(tǒng)圖

這種系統(tǒng)間的互通既能保證系統(tǒng)回路的隔離，也能保證系統(tǒng)的有效利用。

上述互聯(lián)閥連通兩套液壓回路的結(jié)構(gòu)雖然有效降節(jié)約了系統(tǒng)空間并減小了體積，同時提高了系統(tǒng)利用率，但當(dāng)系統(tǒng)中泵組故障時仍會影響系統(tǒng)安全性，甚至這種流體交互式的方式在管路破裂時可能還會影響非故障側(cè)的系統(tǒng)，因此，開發(fā)出了一種避免油液交換的PTU(Power Transfer Unit)裝置。Boeing717-200就采用這種液壓系統(tǒng)設(shè)計，它主要由左右兩路液壓系統(tǒng)組成，左系統(tǒng)由一個發(fā)動機驅(qū)動泵構(gòu)成，右系統(tǒng)由一個電機泵和一個發(fā)動機驅(qū)動泵并聯(lián)組成，兩路系統(tǒng)各控制一路系統(tǒng)，中間采用雙向PTU連通兩系統(tǒng)，如圖5所示。當(dāng)左側(cè)系統(tǒng)故障時，右側(cè)系統(tǒng)能通過PTU為左側(cè)系統(tǒng)重啟能源系統(tǒng)，同理，當(dāng)右側(cè)系統(tǒng)故障時，PTU同樣能重啟右側(cè)系統(tǒng)[15-17]。

圖5 Boeing717-2000液壓系統(tǒng)圖

空客A300系列和A310系列更是把這種PTU的使用發(fā)揮到了極致，3路主液壓系統(tǒng)兩兩利用PTU實現(xiàn)互通。圖6為空客A310的液壓系統(tǒng)圖[18]。

圖6 A310液壓系統(tǒng)圖

雖然這種在系統(tǒng)間的主回路上安裝PTU裝置的方法能有效地提高系統(tǒng)的安全等級，但這種主回路之間的PTU裝置需要更大的功率、更大的質(zhì)量，所占的空間也更大，而且各類飛機都有各自的特點，使得各類飛機對液壓子系統(tǒng)的重視度不同。例如民機系統(tǒng)一般剎車系統(tǒng)、起落架收放系統(tǒng)更為重要，渦槳直升機更注重槳葉驅(qū)動系統(tǒng)，轟炸機更注重武器艙門啟閉系統(tǒng)。在主液壓系統(tǒng)安全性足夠的情況下可單獨對所關(guān)注的液壓子系統(tǒng)進行余度設(shè)計[19-20]。

波音公司使用PTU就采用了這種策略，例如Boeing747-100/200/300 和Boeing767-200/300/400利用單向PTU將一路系統(tǒng)中的液壓能源僅供給另一液壓系統(tǒng)中的水平安定系統(tǒng)，具體如圖7所示。

圖7 Boeing767-200/300/400液壓系統(tǒng)圖

這種局部子系統(tǒng)所使用的PTU相較主回路所用的PTU，由于所需功率更小，因此，質(zhì)量更輕，所占體積也更小。

關(guān)斷閥不僅可以使用在液壓系統(tǒng)主回路之間，也同PTU一樣可使用在系統(tǒng)子系統(tǒng)之間，相比于PTU，閥類結(jié)構(gòu)更簡單、質(zhì)量更輕，多用于軍用飛機等對空間質(zhì)量要求更為苛刻的場合。

圖8為Bombardier Learjet 40/50液壓系統(tǒng)圖，一個兩位三通閥分別利用兩套液壓泵站控制襟翼、起落架和前輪操縱系統(tǒng)。

圖8 Bombardier Learjet 40/50液壓系統(tǒng)圖

圖9為Boeing737-600/700/800/900液壓系統(tǒng)圖，為提高主起落架系統(tǒng)、前起落架系統(tǒng)(含前輪操縱系統(tǒng))的安全余度，通過一個起落架選擇閥把A系統(tǒng)、B系統(tǒng)連通，共同作用于子系統(tǒng)。當(dāng)A系統(tǒng)、B系統(tǒng)中任一系統(tǒng)故障時，切換至另一液壓系統(tǒng)控制子系統(tǒng)(默認A系統(tǒng)與子系統(tǒng)連通)。

圖9 Boeing737-600/700/800/900液壓系統(tǒng)圖

同時，為提高剎車系統(tǒng)的安全性，用一個剎車能源選擇閥控制主剎車系統(tǒng)和備份剎車系統(tǒng)，剎車能源選擇閥同時連通A系統(tǒng)、B系統(tǒng)和正常剎車系統(tǒng)C1、備份剎車系統(tǒng)C2，形成了A-C1、A-C2、B-C1和B-C2共4種控制邏輯。

圖10為F-18液壓系統(tǒng)圖，采用了大量的選擇開關(guān)分別利用兩套液壓回路控制襟翼、副翼和方向舵系統(tǒng)[21-23]。

圖10 F-18液壓系統(tǒng)圖

圖11為B-2A液壓系統(tǒng)圖，同樣采用了大量的選擇開關(guān)分別利用兩套液壓回路控制起落架、武器艙門和空中加油等系統(tǒng)。

圖11 B-2A液壓系統(tǒng)圖

2 飛機典型液壓系統(tǒng)余度設(shè)計部件

由以上典型液壓系統(tǒng)原理圖可知，飛機液壓系統(tǒng)的余度設(shè)計包括泵站的余度設(shè)計和液壓系統(tǒng)回路的余度設(shè)計。

液壓泵站的余度設(shè)計通過發(fā)動機驅(qū)動泵、電動馬達驅(qū)動泵、空氣驅(qū)動泵和沖壓空氣渦輪驅(qū)動泵4種形式的不同組合實現(xiàn)。

液壓系統(tǒng)回路的余度設(shè)計采用完全獨立的液壓系統(tǒng)回路和互相連通/隔離的液壓回路實現(xiàn)。

2.1 泵控類余度設(shè)計

2.1.1 純泵控

純泵控的余度設(shè)計基本是完全獨立的液壓回路實現(xiàn)的余度設(shè)計，現(xiàn)階段最大的民用客機A380上采用了3個高度集成的直流電機泵實現(xiàn)了前輪操縱、起落架剎車等系統(tǒng)的余度設(shè)計，如圖12所示。

圖12 A380液壓系統(tǒng)原理圖

2.1.2 PTU類

PTU類是利用一個液壓系統(tǒng)的部分液壓動力來補充另一個液壓系統(tǒng)的液壓動力，而不需要在兩個系統(tǒng)時間進行流體交換。PTU可以設(shè)計成只在一個方向上(單向)將能源從一個系統(tǒng)傳遞到另一個系統(tǒng)，也可以設(shè)計成在兩個系統(tǒng)之間(雙向)傳遞能量。圖5～圖7所示的飛機液壓系統(tǒng)均采用了PTU結(jié)構(gòu)[24-25]。

PTU是由同軸且排量恒定的液壓馬達和液壓泵共同組成，工作時，A液壓系統(tǒng)的液壓能源驅(qū)動PTU中的液壓馬達轉(zhuǎn)動，液壓馬達帶動液壓泵轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動，而液壓泵從B液壓系統(tǒng)吸油，并使B液壓系統(tǒng)建立壓力。常見的PTU原理如圖13所示。

圖13 PTU原理圖

常見的PTU分為單向運轉(zhuǎn)PTU和雙向運轉(zhuǎn)PTU，單向運轉(zhuǎn)PTU系統(tǒng)連接方式如圖14所示，雙向運轉(zhuǎn)PTU系統(tǒng)連接方式如圖15所示。

圖14 單向運轉(zhuǎn)PTU系統(tǒng)連接圖

圖15 雙向運轉(zhuǎn)PTU系統(tǒng)連接圖

單向運轉(zhuǎn)PTU是把1系統(tǒng)的液壓能源轉(zhuǎn)換到2系統(tǒng)中，PTU的運轉(zhuǎn)由一個電動馬達操作的開關(guān)閥控制，以實現(xiàn)單向PTU馬達液壓油的供應(yīng)。

PTU的電機入口支路上安裝有一流量控制閥，而泄漏口安裝在PTU泵的出口回路上。常見的單向運轉(zhuǎn)PTU如圖16所示。

圖16 常見的單向運轉(zhuǎn)PTU

雙向運轉(zhuǎn)PTU比單向運轉(zhuǎn)PTU應(yīng)用范圍更廣，因為其能在兩套液壓系統(tǒng)中雙向轉(zhuǎn)換液壓能源，當(dāng)任一液壓能源系統(tǒng)故障時，另一套液壓系統(tǒng)能為故障液壓系統(tǒng)供壓。雖然雙向運轉(zhuǎn)PTU功能更強大，但其結(jié)構(gòu)更為復(fù)雜，且運行效率比單向運轉(zhuǎn)PTU低10%左右，最小啟動速度也更差。常見的雙向運轉(zhuǎn)PTU如圖17所示。

圖17 常見的雙向運轉(zhuǎn)PTU

常見的雙向運轉(zhuǎn)PTU雖然能實現(xiàn)兩套液壓系統(tǒng)之間的能量轉(zhuǎn)換，但當(dāng)某一套液壓系統(tǒng)故障時，另外一套液壓系統(tǒng)提供的備份能源所提供的壓力、流量可能不同?，F(xiàn)在，慢慢發(fā)展出了一種雙向變位移PTU，它能實現(xiàn)兩套系統(tǒng)提供的壓力、流量完全相同。Boeing的C-17、MD11以及McDonnell Douglas的DC-10等機型采用了雙向變位移PTU。常見的雙向變位移PTU如圖18所示。

圖18 雙向變位移PTU

PTU既可以用于主系統(tǒng)回路之間的互通，也能用于子系統(tǒng)之間的互通。

表1給出了幾種機型所用PTU的參數(shù)，從表1中可以看出，Boeing727和Boeing747-100/200/300等機型所用的PTU功率明顯小于其他機型，這就是由于PTU從主系統(tǒng)回路轉(zhuǎn)移到子系統(tǒng)回路，僅控制子系統(tǒng)，極大地降低了所需功率，也降低了PTU的體積和質(zhì)量，實現(xiàn)了由整個系統(tǒng)回路余度變?yōu)橹攸c分(子)系統(tǒng)、重點部件(部位)的余度設(shè)計，從而減輕了飛機質(zhì)量。

表1 幾種機型的PTU參數(shù)

2.2 閥控類

由于泵控余度控制系統(tǒng)較為復(fù)雜，使飛機體積和質(zhì)量會有一定的增加，且復(fù)雜系統(tǒng)增加了系統(tǒng)的維護成本、降低了可靠性，因此，飛機上也存在很多閥控類余度設(shè)計。

2.2.1 隔離通斷類

常用的隔離通斷閥一般用于系統(tǒng)間的冷備份，正常工作時，隔離通斷閥隔離兩路系統(tǒng)，當(dāng)一套液壓系統(tǒng)發(fā)生故障時，打開該類隔離閥，使備用系統(tǒng)連接被控系統(tǒng)[26]。其結(jié)構(gòu)相對簡單，通常是兩位兩通閥或者兩位三通控制閥。圖4、圖8和圖11所示的飛機液壓系統(tǒng)均采用這種余度方式。但當(dāng)另一路系統(tǒng)發(fā)生管路破裂等故障時，這種油液交互式的余度方式可能會危及自身回路，因此，這種余度方式存在很大限制。

另外一種隔離閥是被稱為液壓保險(Fuse)的裝置(也叫速度保險器)，正常工作時兩系統(tǒng)處于熱備份狀態(tài)，如圖19所示。當(dāng)系統(tǒng)的液體壓力突然減小時，F(xiàn)use可保證系統(tǒng)安全，即使系統(tǒng)受到破壞也可以繼續(xù)運轉(zhuǎn)，或是至少不會出現(xiàn)災(zāi)難性的失效。其原理是當(dāng)流量超過某一限制值時，不讓液體從Fuse流過，或是大幅限制液體的流動[27]。

圖19 Fuse液壓原理圖

Fuse可以雙向流動，正常工作時的作用類似連通上下系統(tǒng)的管路，當(dāng)系統(tǒng)下路管路破損泄壓時，封閉管路；當(dāng)系統(tǒng)上路管路破損時，仍能流出一部分油液。

系統(tǒng)下路管路破損時，F(xiàn)use前后壓差達到設(shè)定值時，為保證下路系統(tǒng)的正常工作，并非瞬間隔離管路，而是仍輸出一定壓力、流量的液體供子系統(tǒng)工作，同時為保證主系統(tǒng)的安全性，最終通過Fuse隔離破損子系統(tǒng)。由于Fuse可以通過一定容積的液體，因此也叫定量器。

圖9所示的Boeing737飛機液壓回路中使用的Fuse多達9個，圖8中的簡單液壓回路也使用了Fuse。

2.2.2 雙系統(tǒng)共同作用類

雙系統(tǒng)作用閥一般是兩套液壓系統(tǒng)工作控制一套液壓分系統(tǒng)或者子系統(tǒng)，當(dāng)一套液壓系統(tǒng)發(fā)生故障時，切換至另外一套液壓系統(tǒng)來控制子系統(tǒng)。兩套系統(tǒng)可以熱備份也可以冷備份。

圖9～圖11所示的飛機液壓回路中大量使用了這種雙系統(tǒng)共同作用閥。其可分為流量控制閥和壓力控制閥。由于系統(tǒng)回路均由進油和回油部分組成，因此流量控制閥一般為六通閥(兩路系統(tǒng)進油、兩路系統(tǒng)回油，一路負載進油和一路負載回油)。壓力控制閥由于少兩路回路，一般為三通閥或者四通閥。

這種雙系統(tǒng)共同作用的閥與PTU一樣，也避免了系統(tǒng)間的油液轉(zhuǎn)換，一套系統(tǒng)為子系統(tǒng)供壓的同時隔離另外一套系統(tǒng)。

圖20為2種流量控制閥，圖21為壓力控制閥。

圖20 流量控制閥

圖21 壓力控制閥

3 結(jié)束語

飛機液壓系統(tǒng)是飛機重要系統(tǒng)，為提高飛機液壓系統(tǒng)的安全性和可靠性，飛機液壓系統(tǒng)采用了大量的余度設(shè)計，本文從噴氣式直線飛機、殲擊機、轟炸機、民用客機的液壓能源、液壓回路等方面介紹了飛機液壓系統(tǒng)的余度設(shè)計，并介紹了互通式液壓回路的PTU、Fuse、雙系統(tǒng)共同作用閥等各種系統(tǒng)的互連互通和隔離裝置。

隨著這些基礎(chǔ)液壓元件功能的提升，特別是這種系統(tǒng)互連互通和隔離裝置的技術(shù)能力提升，既有效提高了系統(tǒng)間的隔離度，又提高了飛機液壓回路系統(tǒng)的利用率，因此，采用互連互通式液壓回路也是飛機液壓余度回路設(shè)計的一個發(fā)展方向。