飞机操纵系统的液电征程

液壓系统干什么用？

　　机载液压系统是飞机实现姿态控制和保证飞机安全的重要子系统，液压技术由于其功率密度大、快速性好、刚度大，一直以来在航空领域广泛应用，普遍应用于飞机操纵控制舵机驱动、起落架收放等大负载、大功率、高响应速度、高伺服精度等场合，被称为“飞行器的血管和肌肉”。
　　对于机载液压系统，目前大多数的飞行器采用的是集中式的液压源，由飞机引擎驱动的液压泵产生高压流体，通过液压管路传递到飞机的操纵控制舵机、起落架等部件完成驱动功能。为保证机载液压系统工作可靠，特别是提高飞行操纵系统的液压动力源的可靠性，现代大型民用飞机上大多装有多套互相独立的液压系统，给飞机液压用户提供液压能源。

目前液压系统设计特点

　　空客A320飞机液压系统由3套相互独立的液压源系统组成。主液压系统是1号系统和3号系统，备用液压系统是2号系统。1号系统配备一台发动机驱动泵（EDP）作为飞机主要液压动力源。3号系统配备一台EDP的同时好友一台交流电动泵（EMP）作为备用液压动力源。2号系统配备一台EMP和一台冲压空气涡轮驱动泵（RAT）作为备用液压动力源。
　　辅助动力装置（APU）是一个完整的独立系统，位于飞机尾部防火舱内的一个燃气涡轮发动机，自己单独配备启动电动机，APU的作用是向飞机独立地提供电力和压缩空气，提供压缩空气和电能供飞机发动机启动。
　　与A320类似，波音B737飞机同样配备3套独立工作的液压能源系统。A系统和B系统相同，各配备一台EDP作为飞机主要液压动力源以及一台EMP作为飞机备用液压动力源。备用系统配备一台EMP作为飞机备用液压动力源。
　　早在20世纪40年代，美国人对液压能和电能作为飞机上二次能源的效率进行了研究比较，由于当时电力技术水平的限制，研究者得出的结论是采用基于液压能的飞机二次能源是最优的方案。此后，军用和民用飞机上主要飞行控制系统一直采用液压作动系统，并且在很长一段时间内液压系统仍将在飞机上占据不可替代的地位。
　　近年来，在“多电飞机”技术的迅猛发展之下，飞行器操纵控制领域用电能取代液压能的呼声越来越高，机载液压系统配置也逐渐开始出现多电构型，最具有代表性的是空客公司A380新型客机。

380的大胆触电

　　2005年4月27日首飞的A380飞机将液压能与电能有效结合，液压系统配置采用“2套液压系统和2套电系统”布局构型。其中，2套液压系统为传统液压动力作动系统作为飞机主要能源动力系统，每套液压系统配置4台EDP和2台EMP，为飞机操纵控制、起落架、前轮转弯相关系统提供液压动力。所有EDP通过离合器与发动机相连，单独关闭任何一个EDP都不会影响其它EDP工作性能和系统级工作性能，EMP作为液压系统的备用泵源。
　　2套电系统为分布式的电动静液作动器系统，用于取代早期传统空客机型的液压备份系统，由电动静液作动器（EHA）与备用电动静液作动器（EBHA）组成。4套系统中的任何一套都可以对飞机进行单独控制，使A380液压系统的独立性、冗余度和可靠性达到了前所未有的高度。EHA与分布式本地电动泵源（LEHGS）等新型技术在A380飞机上的成功使用，开启了飞机液压系统从传统液压伺服控制到“多电飞机”新型技术的先河。
　　A380的飞行控制系统中EHA与LEHGS结合运用的2套电系统，大大减少了机载液压元件与液压管路，降低了飞机重量，减少了能量消耗，提高了飞机的维护性。值得注意的是，A380选择多电构型代替的是传统机型的液压备份系统，配置的EHA和LEHGS只是作为备用作动器，主动作动器仍然是常规的机载液压系统。为了减轻A380的重量，创新设计的LEHGS通过微型泵技术为前轮转弯系统和刹车系统提供备用动力，当主机集中液压源故障失效时安装在各分系统附近的LEHGS在应急情况下为用户提供动力。
　　“多电飞机”和“全电飞机”的诸多好处使机载电能取代机载液压能成为一种趋势，A380客机的成功装备更是加深了这种看法，就长远发展而论，多电技术确实代表了包括液压系统在内的机载机电系统的发展方向，未来的机载液压系统将呈现多电化的发展方向。但是，就目前发展而言，电力作动与液压作动两者之间孰优孰劣还值得商榷，尤其在体积、质量、功率和效率、散热及控制管理方面。
　　电力作动技术带来的最大优势就是取消了复杂的液压管路，减轻了液压系统的重量，但是，同比增加的电缆质量和作动器质量却可能抵消这一优势。同时，“多电飞机”的再生功率是一大挑战，因为在飞行期间，电作动器会将再生功率强加给机载电力系统，飞机的电特性不允许电力系统有再生功率，通常的办法是使用大电阻就地消耗作动器的再生功率，但这将大大增加飞机热量管理的负担。
　　研制和发展大型宽体客机，不仅能适应快速增长的航空市场需求，同时也能促进关联产业发展和多学科进步，随着“多电飞机”技术的迅猛发展，机载液压系统面临严峻的生存挑战，但是“多电飞机”并不是对传统机载液压系统的否定，在未来很长一段时间内，两者将并行发展，机载液压能源系统在机载操纵控制领域仍然有着不可替代的地位，最具有代表性的就是波音公司B787客机。

787的权衡考量

　　2009年12月15日，波音B787试飞成功。B787的液压系统采用传统配置，配置左、中、右3套独立的液压系统，其中，1号液压系统和3号液压系统各配置一个EDP和一个EMP，EDP用作液压系统的主要动力源，EMP用来在系统功率需求较大的情况下补充主泵，EDP在飞机飞行时全程工作，EMP仅在起飞和着陆时工作。2号液压系统由两个EMP和一个RAT来提供压力，两个EMP可按照工作日交替充当主泵使用与备用泵使用。在系统配置上可以保证任何一套系统均能够满足飞行控制的操纵要求。并且，由于B787客机采用机电作动器（EMA）来控制部分舵面，液压用户显著减少，采用电刹车系统来替代传统的液压刹车系统，减少了液压管路及油液泄漏保护装置的设计，系统大大简化，系统可靠性得到了提高，避免了油液泄漏，降低了维修成本。
　　机载液压系统从诞生至今，在飞行器操纵控制领域走过了一条辉煌的发展道路，由于稀土永磁无刷直流电机的发展大大提高了电力驱动系统的性能，“多电飞机”和“全电飞机”计划的提出和实施挤压了传统机载液压系统的发展空间，不可否认，电力传动正在与航空液压进行着激烈竞争。但是，就目前情况来看，电力作动系统在质量、转矩、频宽等各方面完全达到液压的水平仍有一定困难，鉴于多年来液压系统的技术积累和技术成熟度，在后面很长一段时间内，机载液压系统的地位仍然不可替代，传统机载液压系统和新型多电系统，两者将相互借鉴，相互融合，并行发展。
　　责任编辑：武瑾媛

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