前言
液压系统是指从飞机上或者地面设备(发动机、APU、RAT、地面电源等)获得能源,并将获得的能量转换为液压能量,并对能量进行分配控制,传输给各类作动装置的系统。
20世纪30年代,液压系统开始出现在飞机上,此时液压系统仅用来进行起落架的收放。
第二次世界大战末期,液压伺服技术开始在飞机操纵系统上使用,液压助力器可以帮助飞行员在更高的速度下仍然能轻松的操纵飞机。
这是液压系统发展的一个里程碑事件。液压系统成为影响飞行安全的一个关键系统。
永恒的主题
研究表明:液压系统重量减少1KG,可以使飞机结构重量减少4KG,或者使飞机承载能力提高15KG。所以轻量化成为液压系统发展历史中的一个永恒主题。
知识点:如果保持液压系统的输出功率不变,即流量与压力的乘积不变,根据液压系统的相似准则,流量正比于液压元件体积的三分之二次方与流速的乘积。由此可见,提高液压系统压力可以减少流量需求,从而减小液压元件的体积与重量。
上表展示了以3000PSI为基准压力时,将系统压力提高到4000PSI、5000PSI、8000PSI时系统的重量和体积的变化。例如:将液压系统压力提高到5000PSI时,系统的重量将降低12.2%,体积缩小28.3%。
发展历程
从上图可以看出液压系统压力是一直在往高压化方向发展。起初,液压系统的压力从3000PSI开始应用,包括大家熟悉的波音737NG、空客A320飞机。
20世纪60年代以来,4000PSI的高压液压系统已成功为军用飞机提供液压动力。在协和式超音速客机上,采用4000PSI系统压力,这架客机在2003年停止运营。
第一次使用5000PSI的民航客机是空客的A380,将液压系统压力提升到5000PSI以及多电化技术的应用为飞机减少了1吨的重量。这次的液压系统是由伊顿公司负责的。
伊顿从20世纪80年代中期开始着手5000 psi液压动力技术的研发,和美国军方签署了一些相关的开发和研究合同,旨在完成从传统的3000 psi到具有 8000 psi能力系统的飞跃。其初衷是为了向战斗机提供重量更轻、压力更高的液压系统,最终应用于F-22机型。
就像A380飞机一样,高压液压系统已装在大量的军用飞机上。现在,伊顿公司从4000psi到5000 psi的高压液压系统已经应用到美国联合攻击战斗机F-35以及F-18 E/F, F-22 , C-17和V-22“ 鱼鹰”倾转旋翼飞机上。
另一家液压系统巨头,派克公司,目前使用5000 PSI系统的两架商用飞机是空客A350 XWB和波音B787梦幻客机。
值得一提的是,作为波音787项目的合作伙伴,派克率先提供了一种创新的模块化方法。派克将60个主要组件,加上数百个结构元件和紧固件,预先集成到一个单一的可交付吊架模块中。吊架支柱单元经过精心设计,可快速与机翼连接,简化安装,从而减少供应链基础设施。
派克在局部液压系统高度集成化的应用减少了管路配置,减轻了重量,减少了维修成本。
发展趋势
目前,民机液压系统大多采用集中式的液压能源系统,并且有三套或四套液压系统的容错设计。
A320飞机采用传统的三套液压系统架构,分别为黄系统、绿系统、蓝系统。A320的发动机驱动泵的功率为37GPM,由发动机运转直接驱动泵工作提供能源,不涉及电能;电动泵的功率为6.1GPM,由交流电源带动工作,属于小功率电动泵。
B787也是采用了传统的三套液压系统架构,分别为左、中、右液压系统。B787的发动机驱动泵的功率27GPM,相比737NG飞机的发动机驱动泵减少了10GPM;电动泵的功率为37GPM,是传统电动泵的6倍。很明显,对电能源的需求在增加。
随着大型客机的发展,集中式液压系统的缺点日益突出,长长的管道占飞机液压系统总重量的比重越来越大。
20世纪70年代,飞机多电技术的应用,分布式液压系统的概念开始在民航客机中出现。将电动液压能源布置在用户附近,自带控制模块,不仅可以降低飞机的重量而且能够大大提高飞机的可靠性。
A350/A380摈弃了传统的三套液压系统架构,采用2H/2E的方案,即两套液压系统+EHA/EBHA 的架构。应用多电技术成功取消了一套集中式液压系统。采用由电驱动的EHA、EBHA的方式作为备用系统,对电功率的要求也是非常高,特别是在应急的情况下。
下图是A380 EHA(Electro-Hydrostatic Actuators)和EBHA(Electrical Backup Hydraulic Actuators )的原理图。EBHA在正常情况下工作模式是液压模式,即传统的液压伺服作动,在备用的情况下是电控模式,这时候相当于EHA,电静液伺服作动,使用的是电能源。这两类作动器应用于不同的舵面中。
总体来说,在多电飞机技术的大背景下,液压系统正在被电能源系统逐步取代,至于未来液压系统将走向何方,会不会像引气系统一样被完全取代(B787取消了引气系统),请期待下集《飞机液压系统的宿命》。
1、民用飞机液压系统发展与展望_焦裕松
2、Aft Fairing Hydraulic Module | Parker NA
3、先进宽体客机液压能源系统设计特点_陈才
4、波音、空客相关手册