摘要：航空发动机液压反推作动系统作为反推力装置的核心驱动子系统，通过控制反推装置的展开与收起来改变发动机外涵道气流方向，在飞机着陆及中断起飞过程中产生反推力以缩短滑跑距离，对飞机运行安全具有重要保障作用。为深入探究该系统在不同工况下的运动特性与行为规律，本研究综合采用试验测试与数值仿真方法，系统分析了液压反推作动系统在额定工况下的展开/收起运动特性，以及不同步外载荷、油液压力变化和环境温度等因素对系统性能的影响机制。试验研究基于专用试验台架开展，测控系统同步采集位移、速度、流量、压力等多维参数；数值仿真依托AMEsim软件平台，通过构建控制阀、作动筒、同步传动线系及缓冲机构的模块化数学模型实现系统集成建模。研究结果表明：在额定设计工况下，系统展开时间在2 s以内，收起时间在3 s以内；展开运动末端的楔形缓冲结构能够将活塞速度降至150 mm/s以下，有效削弱末端机械撞击效应；不同步外载荷对系统双侧同步精度影响显著，当外部载荷超过1500 N时同步误差显著增大；油液压力和温度变化会使系统运动性能显著偏离设计状态，适当提高油液压力和工作温度可缩短系统展开时间；数值仿真结果与试验数据在除大载荷工况外保持较高的一致性，验证了所建模型对系统运行评估的有效性与工程适用性。
关键词：液压反推作动系统；运动性能；AMEsim仿真；同步特性；缓冲结构；非额定工况
第一章、引言
1.1 液压反推作动系统的重要意义
航空发动机液压反推作动系统属于反推力装置的关键子系统，其核心功能是驱动移动外罩和阻流门等运动部件执行展开与收起动作，改变发动机外涵道气流的流动方向，帮助飞机在着陆或中断起飞过程中产生有效的反向推力，从而缩短滑跑距离并保障飞行安全。反推力装置通常安装于机翼下方的发动机短舱中部，典型结构形式包括叶栅、扭矩盒、阻流门、拉杆和滑轨等部件。其中C形叶栅式反推装置因其结构紧凑、气动效率高等优势而被广泛应用于大型运输机和民用客机的推进系统配置中。
液压反推作动系统的稳定性和精确性直接关系到反推力装置的正常工作状态。据统计，航空发动机反推作动系统能够在着陆过程产生超过40%的有效反向推力，较大幅地降低了飞机对机轮刹车的依赖程度。尤其在湿滑跑道或紧急状态条件下，反推系统的高效投入对于确保飞机安全停靠具有不可或缺的重要意义。反推装置通常处于关闭状态，只有在飞机着陆或中断起飞过程中才允许激活使用。当系统工作时，反推控制手柄向作动系统发送打开或关闭指令，液压控制活门向作动筒提供高压油源以驱动反推装置实现展开和收起。
1.2 国内外研究现状及技术进展
国外在航空发动机反推作动技术领域的研究起步较早，技术体系发展较为成熟。欧美航空工业巨头通过对反推装置及其驱动系统的持续优化，已建立起完整的设计、分析与验证体系。近年来，国外研究关注的焦点逐渐从传统的液压驱动系统向更高效的电动驱动方案过渡。如柯林斯宇航公司的elecTRAS电动反推作动系统已经在超过600架空客A350飞机上完成了180万次以上的着陆验证，其系统重量较传统液压方案减轻15%到20%，部件数量更少，安装复杂性和认证周期亦显著降低。
国内针对反推装置的研究起步相对较晚，研究工作主要围绕反推装置的结构设计、气动性能优化以及作动系统的安全性分析与故障诊断等方面展开。张国栋等系统研究了叶栅进口气流角、过渡段半径和出口气流角等几何参数对叶栅式反推力装置气动性能的影响规律；何杰、高吴浩等在反推装置运动学和动力学模型基础上开展了结构优化数学建模，提出了改进型结构方案；张云浩等采用气动－结构耦合设计方法对反推力装置的综合性能进行了预测分析；隋杰飞等针对反推力装置的三道独立控制机械锁开展了防线设计与优化改进研究；张少军等借助多体动力学软件对叶栅式反推装置的载荷传递和受力分布过程进行了系统研究。陈永琴、田杨涛等学者则基于AMEsim仿真平台，在反推作动器的缓冲特性与系统热力学性能方面开展了较为深入的探索。然而，现有研究在反推力装置驱动系统的运动性能评估方面仍存在一定不足，尤其是针对不同工况条件、不同步外载荷和不同环境温度对液压作动系统运动特性的综合影响，尚缺乏系统深入的对比分析。本研究正是在此背景下，以液压反推作动系统为研究对象，综合运用试验测试和数值仿真两种技术手段，对系统的运动特性和服役性能开展了全面的分析与评估。
第二章、液压反推作动系统的工作原理
2.1 反推装置结构及工作原理
叶栅式反推装置通常由叶栅、扭矩盒、阻流门、拉杆、滑轨等核心部件组成，装置整体分为左右两个半部，通过张力锁连接保持结构整体性和工作状态的稳定。在飞机巡航和进近阶段，反推装置保持关闭状态，发动机涵道内气流通过喷口正常排出，为正推力输出提供必要的气动条件。
当飞机着陆滑跑或中断起飞时，在液压作动系统高压油源的驱动作用下，反推作动器活塞杆开始伸出，带动移动外罩从原始位置向后方位移。移动外罩的运动同时驱动连接其末端的折流门运动部件沿着滑轨向后平动并逐步翻转。随着移动外罩位移的持续增大，折流门逐渐进入竖直工作位置，将发动机外涵道的气流路径重新导向至叶栅出口，气流经过叶栅向外斜前方斜向喷出，从而将发动机原有的正向推力转变为反向推力，实现飞机减速。当反推功能完成需要收起时，反推作动器处于缩回状态，移动外罩向前复位，折流门随之向上收起，涵道气流恢复至正常喷口排出。
2.2 液压反推作动系统原理
C形叶栅式反推装置液压反推作动系统由电子控制器、液压控制活门、反推作动器、第三防线锁和同步软轴等功能模块构成。系统以飞机液压源（压力21 MPa）和电源（DC 28 V）作为基本动力与能源来源。反推操作流程中，驾驶舱反推手柄向电子控制器发送展开或收起指令，电子控制器判定系统安全状态并将指令信号传递给液压控制活门。液压控制活门接收指令后，通过隔离阀的接通使油源进入系统回路，方向控制阀根据控制信号调整作动器有杆腔和无杆腔的压力配比，从而实现作动器活塞杆的伸出或收回。
在正常的展开运动中，方向控制阀切换至供油位置，高压油液经隔离阀和换向阀后进入作动器无杆腔，推动活塞杆向外伸出；有杆腔内油液经回流通道回到油箱。在伸出运动的末端，活塞杆上的节流缓冲孔介入液压回路，有效地减低活塞运动速度，削弱机械冲击作用。当系统接收到收起指令后，方向控制阀切换至相反工作位置，高压油液流入有杆腔，推动活塞杆缩回，无杆腔中的油液则回流至液压油箱。作动器活塞和筒体之间的相对运动产生位移和力输出，通过作动器内部的丝杠螺母副和蜗轮蜗杆副转化为旋转运动输出。相邻作动器的蜗杆通过同步软轴连接，软轴在两作动器之间传递扭矩和旋转角度信息，从而约束各作动器之间的运动位移差异，达到系统双侧高精度同步运动的目的。反推控制器还具备系统自检和故障监控功能，作动器上的位移传感器将移动外罩的位置信号实时发送至发动机电子控制器，并最终呈现在驾驶舱显示装置上，便于飞行机组的操作监控和故障诊断。
第三章、液压反推作动系统运动性能试验
3.1 试验设备组成
液压反推作动系统运动性能试验台由试验台架、能源系统、测控系统和模拟系统四部分构成。液压能源系统提供系统所需的21 MPa高压油源和必要的低压回油回路，能源系统还配备了必要的过滤、冷却和蓄能装置以保证油液的品质和系统的稳定运行。
测控系统是试验台的核心组成部分，该系统完成反推作动系统各部件的位移信号、控制指令的接收与发送，同时兼具试验台压力、流量、温度、力等多路传感器信号的实时采集、数据处理和运算分析功能。试验件控制器与测控系统之间通过总线通讯通道，完成控制指令的下发和试验数据的汇总传输。试验台加载系统采用液压伺服加载方案，安装于专用的试验台架之上，由加载控制计算机构成力闭环控制回路，确保试验过程中加载力的稳定和精确。
3.2 系统参数
本文研究对象的液压反推作动系统采用节流阀同步控制方案，以21 MPa液压源为系统主要动力源驱动反推装置进行展开和收起运动。系统共配置四个作动器（左作动器Ⅰ、左作动器Ⅱ、右作动器Ⅰ、右作动器Ⅱ），作动筒在机体上呈对称排布，对称安装角度分别为40.5°和26.23°。每个作动器运动行程设计为550.7 mm，系统展开运动目标控制时间为2 s以内，收起运动目标控制时间在3 s以内。
试验开展前，对所有测量传感器进行精密校准，确保采集数据的准确性。在测控系统发送展开或收起控制指令后，试验数据采集系统实时记录系统进油流量、回油流量以及每个作动器的位移、速度等关键参数。为了达到系统两侧高同步运动精度的要求，在进入左右两侧系统（左作动器Ⅰ和右作动器Ⅰ）的液压管路上安装节流控制阀，并辅以流量传感器分别监控进入系统两侧的瞬时流量和累积流量。试验过程对相同工况条件进行多次重复测量，并对数据进行均方根处理，以有效减小试验台的测量系统误差。
3.3 试验边界条件
试验在设计工况和非设计工况两类条件下分别进行。设计工况条件设定为系统进油压力21 MPa，回油压力0.34 MPa，系统各作动器所受外部承载的合力为0，试验环境温度为室温条件（约20℃）下进行。
非设计工况主要覆盖三类典型偏离情形：其一为不同步外载荷工况，以右侧作动器Ⅱ为基准参考点，分别在右侧作动器Ⅰ和左侧作动器Ⅱ上施加不同步递增的外部力载荷（800 N、1500 N和4000 N），考察外部非同步载荷对系统运动同步性的影响；其二为非额定供油压力工况，将进口压力分别提高至25 MPa（过压状态）和降低至15 MPa（欠压状态），研究压力变化对系统展开和收起运动速度、运动时间等性能指标的影响；其三为油液温度变化工况，将系统工作介质温度分别调至－40℃、20℃和70℃三种状态，分析介质黏度、密度等物理性质变化对作动系统运动特性的综合影响。
第四章、液压反推作动系统的数值模拟
4.1 数学模型的建立
4.1.1 控制阀数学模型
液压反推作动系统控制阀由隔离阀模块和方向控制阀模块两部分功能复合而成。隔离阀模块在系统接收到有效控制指令之前处于隔断状态，阻止高压油液进入驱动回路，起到安全保护作用；当接收到系统开通指令后，电磁铁通电动作，推动阀芯运动，使隔离阀转换为沟通状态，高压油源进入作动系统油液回路。方向控制阀则负责实现对作动筒有杆腔和无杆腔油源的通断控制，通过阀芯位置的不同改变供油和回油路径，从而实现作动筒的伸出和收回动作。在数学建模中，通过质量－弹簧－阻尼系统的运动方程描述阀芯的动力学行为，采用节流孔流量公式描述流经各控制阀口的液压油流量和压降特性。
4.1.2 作动器数学模型
作动器作为液压反推作动系统的关键执行元件，在液压反推作动系统的运动过程中起到核心的驱动作用。作动器为双作用液压缸结构，主要组成包括筒体、活塞、活塞杆和活塞接头等。当高压油液驱动作用在无杆腔时，活塞杆向外伸出；当高压油液作用于有杆腔且无杆腔低压回油时，活塞杆缩回。
4.1.3 同步传动线系数学模型
同步传动线系由丝杠螺母副和蜗轮蜗杆副两个传动环节串联构成。在作动器运动过程中，活塞将直线位移传递给驱动螺母，带动丝杠旋转；丝杠的旋转运动经蜗轮蜗杆副传动后，以适当的减速比改变旋转速度和输出力矩。相邻两个作动器之间的蜗杆通过同步软轴机械耦合连接。当各作动器受到不一致的外部负载而产生不同步位移时，同步软轴由于两侧旋转角度不等而产生扭矩，该扭矩经由蜗轮蜗杆传动转化为丝杠上的轴向作用力，形成对各作动器运动偏差的补偿和约束。本研究的液压反推作动系统中，左右两侧各有两只作动器分别相连，两侧作动器之间不存在交叉的同步软轴，其第一和第四位置的作动器仅承受单侧同步软轴扭矩作用。
4.1.4 缓冲数学模型
液压反推作动器在运动至行程末端阶段，活塞杆上的楔形节流孔开始进入缓冲腔区域，造成有杆腔和无杆腔之间油液流动面积急剧收缩，产生明显的液阻效应，使运动部件的速度逐渐降低。根据楔形变截面节流原理，将缓冲过程分为平稳运动、节流缓冲和止动运动三个递进阶段进行数学描述。在节流缓冲阶段，流经楔形节流孔的油液流量与缓冲腔压降的定量关系由薄壁小孔流量公式给出。对于本系统的楔形缓冲结构，缓冲开始时的阀口开度尺寸、油液黏度以及活塞运动速度共同决定了缓冲过程的速度衰减特性和冲击减弱效果。
4.2 系统仿真模型的构建
基于前述数学模型，利用AMEsim软件液压库、液压元件设计库、机械库和信号库，构建液压反推作动系统的完整数值仿真模型。
控制阀模型采用液压元件设计库中的模块组合搭建，阀芯依据圆柱形或圆锥形截面建模，并按实际需要设置阀芯的质量集中参数和行程限制条件，默认设定阀芯仅沿轴向移动；作动筒模型使用液压元件设计库建立双作用液压缸结构，在筒体右端连接外部载荷模型以模拟负载力，左端连接质量模块和位移传感器，将位移信号作为同步传动线系模型的输入参数。传动线系模型选择AMEsim机械库中的丝杠螺母副和蜗轮蜗杆副模块进行建模，模块接口中可分别定义接触刚度、阻尼系数、传动比和摩擦特性等关键参数，以准确模拟传动线系的力学行为和运动特性；同步软轴采用线性弹簧单元进行等效替代，通过弹簧刚度参数表征软轴扭矩－转角对应关系。
缓冲模型的构建基于所建立的楔形缓冲结构数学模型，使用AMEsim信号库中的逻辑判断和计算模块，通过位移反馈信号选择平稳运动、节流缓冲和停止三个阶段中对应的节流通流面积和流量系数，实现模型在运动过程中依次调用不同子模型的动态切换。最后，按照系统实际工作原理中的能量流、物质流和信息流传递关系，将各部分仿真模块连接集成，形成涵盖液压控制部分、机械传动部分和缓冲功能的完整的液压反推作动系统综合仿真平台。
4.3 仿真模型的试验验证
为确保液压反推作动系统仿真模型的准确性和工程适用性，将仿真模型的输出结果与同工况下的试验测试数据进行全面的对比验证。选取额定设计工况条件下的系统缓冲速度和运动速度特性作为关键对比指标。研究表明，数值仿真获得的运动速度特性曲线在系统加速阶段、匀速运动阶段和末端缓冲阶段的变化规律均与试验测量结果保持良好的一致性。系统运动时间方面，仿真模型给出的展开和收起时间与试验值之间的相对偏差在可接受工程范围内，且速率变化趋势与试验情况基本吻合。但在仿真过程中，系统运动速度整体上略高于试验测试值，其主要原因是仿真建模时未能将系统中所有运动部件在运行过程中的摩擦阻尼效应全部考虑在内。此外，各作动器在压力建立阶段存在的时滞差异也在仿真中表现为较理想的瞬时同步建立情况，而对实际系统中液压流体惯性和阀芯响应延迟的影响尚可进一步精细化建模。综合对比结果表明，本研究建立的数值仿真模型具有较高的置信度，可以作为液压反推作动系统运动性能研究、设计评估和运行分析的有效技术手段。
第五章、结果分析与讨论
5.1 额定工况下的系统运动性能
在额定设计工况（进油压力21 MPa，系统各作动器所受外力为0，20℃油温）条件下，液压反推作动系统表现出优良的运动性能。系统从隔离控制阀收到展开通电指令起到作动器活塞运动至设计行程终点，展开过程总运动时间在2 s以内。初始阶段控制系统进行压力重构和流量调配，约有0.06 s的启动加速过渡期。之后系统在压力稳定状态下进入匀速运动行程，在匀速运行约一秒钟后进入距终点位置约30 mm处，由于活塞杆上的楔形节流缓冲孔开始介入，油液流通面积由大逐步减小，运动部件的速度从约200～220 mm/s逐渐下降至150 mm/s以下，未出现速度突变为0的瞬态冲击情况。收起过程运动时间在3 s以内完成，全程运动平稳。在速度特性方面，仿真结果与试验测试值之间在位移和速度的响应曲线存在有限差异，但整体趋势基本一致。
系统同步性能的分析结果表明：在设计工况下，系统单侧同步精度优于0.5%，双侧同步精度优于3%。仿真条件下，同步误差随展开运动和收起运动的时间累积而略微增大。试验测量结果则表明，同步误差的最大值为系统起始运动位置处的瞬时同步偏差，这是由试验开始时各作动器调压阀和主控阀的建压不一致对响应初始时间的影响所引起，后续运动过程中同步软轴机械约束和节流阀液压调节共同作用使得不同作动器的运动偏差逐步可控。试验台加载系统在整个运动过程中也会产生摩擦阻力和附加载荷，这些力学因素在系统不同运动阶段正向或反向地影响着作动器两端的受力平衡，从而使同步特性呈现出试验与仿真的微小偏差。
5.2 非额定工况下的系统运动性能
不同步外载荷对系统的同步运动特性影响显著。在系统右侧作动器Ⅰ和左侧作动器Ⅱ上施加不同外部载荷（800 N、1500 N和4000 N），考察外部不同步力对单侧和双侧同步精度的影响。结果表明：当外部承载力不大于800 N时，系统展开和收起过程的单侧同步精度优于1%，双侧同步精度约为5%；当不同步外部力增加到1500 N时，系统展开和收起过程的双侧同步精度分别下降至约10%和20%；当外部不同步载荷超过1500 N后，仿真结果与试验结果的偏差显著增大，不同步载荷超过4000 N时，系统同步性能已经严重劣化。究其原因在于随着外部力的不断增大，作动器之间通过同步软轴传递的约束扭矩已经接近甚至超过软轴和蜗轮蜗杆传动副的承受极限，导致机械同步约束能力下降；同时，液压控制系统受两侧非对称负载影响产生的不对称流量分配使同步控制难以有效维持。
供油压力变化条件下，系统表现出明显的非线性响应特性。当系统进口压力从21 MPa降至15 MPa（欠压状态）时，系统的展开运动速度显著减慢，运动时间超过2 s的目标时长，这将对飞机着陆减速距离和安全性产生不可忽视的影响。当进口压力提高至25 MPa时，系统展开运动速度提升，运动时间有所缩短，反推功能的投入时刻提前。系统过压情况下与欠压情况下的运动变化过程基本相似，但过压状态有助于反推装置快速打开，从而更充分地发挥反推力效果。
介质温度变化的影响主要体现在工作油液的黏度和流量的特性之间复杂的耦合关系上。将系统工作油液温度分别设定为－40℃、20℃和70℃后发现，降低油液温度使油的黏度显著升高，流经节流孔、楔形缓冲孔处的流量系数下降。在－40℃低温条件下运行时，活塞运动速度远低于20℃和70℃条件的对应速度值，尤其在缓冲阶段，低温黏度对油液沿程阻力的不利影响随缓冲行程增大而加剧。升高油液温度至70℃则有利于降低黏性阻力、改善系统的运动响应速度。然而液压油温度变化的影响不仅仅是改变黏度和流量系数，还通过影响介质的体积压缩系数、系统内密封件摩擦力水平以及缸体内部泄漏量等间接因素，综合作用于作动系统的整体运动性能。因此，对于温度对液压反推作动系统节流缓冲和运动特性的精准提取，仍需开展更多的关键因素的深入研究和交叉验证环节。
第六章、液压反推作动系统的发展趋势及技术展望
航空发动机液压反推作动系统的技术发展正处在从传统液压驱动向多种新型驱动模式并存并逐步过渡的关键时期。欧美航空工业领先厂商近年已在电动反推作动技术领域取得突破性进展，以柯林斯宇航公司elecTRAS为代表的电驱动方案已完成了超过180万次着陆循环的飞行验证，其相比于传统液压系统具有系统质量降低15%至20%、部件数量显著减少、安装复杂性降低、维护便利性提高等突出优势。然而必须承认，现有电动反推技术在大推力高速需要场景下的系统功率密度和瞬态响应性能方面与高压液压系统相比尚存在一定差距，其技术进一步成熟需要更大量的飞行时间和更多型号的平台验证。
在国内，液压反推作动系统仍将是未来较长时期产业主力机型的技术基础配置，推动液压反推作动系统向高精度、高同步、高可靠方向发展依然是当前工程需求的核心落脚点。在液压作动系统的建模与仿真方面，进一步提高数值仿真模型的精度、全面考虑多物理场（流体－机械－热）的耦合效应、引入智能化优化算法与机器学习技术进行系统参数的自适应辨识和故障预测，将是仿真技术研究的主要发展方向。随着多电飞机和全电飞机概念的日益推进，液压系统与电力系统共存并协同整合的趋势将进一步明确，液压反推作动系统在智能化监测、健康管理和故障诊断等方面的技术需求将日益突出，仿真手段和在线监测方法的结合将在保障系统服役安全性中发挥越来越重要的工程价值。
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