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民机飞控作动技术发展历程
2016-05-05 10:20:22   来源:民机飞控作动技术发展历程   评论:0 点击:

 

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飞机在大气层内飞行,需要利用气动舵面偏转改变飞机的运动姿态和轨迹。飞控作动系统驱动舵面偏转,是飞机操纵的重要组成部分,按照二次能源的类型,形成了机械作动、流体作动(气压或液压)、电力作动等作动形式。

无论采用哪种作动形式,作动技术的发展始终围绕着飞机安全性和经济性。

机械作动:形式简单,操作复杂

机械作动是用钢索、连杆等机构将驾驶杆/盘的运动传递到舵面的一种作动方式。机械作动可以分为软式和硬式两种传动方式,软式传动由钢索、滑轮等构件组成;硬式传动由传动杆、摇臂等构件组成。软式传动构造简单、尺寸小、重量轻、易于绕过机内设备;但刚度小、弹性变形大。硬式传动刚度大、操纵灵敏度高;但构造复杂、重量大、难于绕过机内设备。实际使用中,两者经常混合使用;从主要传动部分来看,民机上常见软式传动,战斗机上常见硬式传动。

机械作动的操纵杆一般具有较大的位移量,例如中央杆、中央杆/盘。操纵杆的位移和力通过钢索或连杆传递到舵面上,其操纵杆力和位移可以通过杠杆原理进行调整。早期的民机尺寸小、速度低,飞行员完全凭借人力就可以克服舵面上的气动力,因此可以采用纯机械作动。

随着飞机尺寸和速度的增加,单独依靠人力难以克服舵面上的气动力,气动辅助的机械作动应运而生。调整片是气动辅助的一种实现方式,是位于正常舵面后部的一小块活动面,面积小于正常舵面;调整片的重要作用之一是减小飞行员操纵杆力,即通过调整片的帮助,飞行员通过较小的力可以操纵整个舵面偏转。例如EMB145飞机,其升降舵采用了两种调整片(Servo Tab和Spring Tab)来降低所需的操纵杆力。

机械作动形式简单、易行,适合于小型飞机,例如大多数的通用飞机、公务机等。但是机械操纵的复杂性随着飞机尺寸的增加而剧增,包括机械死区、非线性区、摩擦干扰以及空间布置等;而安全性也随之降低。即便是依靠气动辅助的机械操纵,飞行员在应付干线、亚音速飞机的操纵时也将捉襟见肘,此时需要有额外的辅助能量注入。例如B737-400飞机,其舵面使用了平衡调整片(Balance Tab)的同时,也使用了液压驱动的作动器。

 

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图为不可逆助力操纵

 

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图为可逆助力操纵

随后出现的液压作动是利用液压油产生的压力驱动舵面偏转。液压作动得到了广泛的应用,在汽车、航空、航天等多个领域得到普遍采用,其优势是作用力范围大,频率响应宽。

民机飞控中的液压作动成熟于上世纪中期,并很快成为了作动系统的标准。最初的液压作动是以助力的方式出现的,即在原有机械作动的基础上,在舵面前端增加了液压作动器,这种方式与汽车转向使用的机械液压助力相似。

液压作动器采用的是机械伺服阀加缸体的结构,机械伺服阀由飞行员的操纵杆位移量控制,改变流入缸体的液压流量和方向,驱动舵面偏转。

早期的液压助力操纵往往是和调整片辅助操纵同时存在,例如上面提到的波音737-400飞机,这种方式的正常舵面后面要安装若干个小的可动调整片,结构复杂,不便于维护。而当发展到波音737-800时,调整片就被取消了,而只使用单一的液压助力作动器。

从液压助力作动开始,飞行员与舵面之间的连接被切断了:飞行员可以操纵舵面,但是舵面的反馈不会传导至飞行员处。在某些亚音速飞机上,为了提供这种反馈,设计师在舵面与控制机械伺服阀的机械装置上增加了次级连接机构,可以将舵面的受载情况反馈给飞行员,也就是可逆助力操纵。

波音737-800飞机是液压助力作动的典型应用,利用遍布机身、机翼的钢索等机械结构,带动舵面前端的液压作动器工作。虽然改善了纯机械操纵下受力严苛、难于设计和调整等问题,但由于保留了传动杆系,其维护性仍然不佳,主要包括死区、非线性、摩擦、热胀冷缩等机械问题。如果能够用电缆替换传动杆系,那么上述问题将得到彻底解决,并且电缆的重量要低于钢缆的重量,提升飞机的经济性。

A320飞机将电传飞控成功引入民用客机,带来了技术的变革,这些变革也包含液压作动技术。

电传操纵取消了机械的钢索,取而代之的是电缆,取消了飞行员与舵面之间的机械连接关系。那么传统的机械液压助力无法适应,取而代之的是电液伺服机构,即由电控伺服阀完成原来机械伺服阀的功能,实现对液压的流量和方向的控制,从而控制气动舵面的偏转。

电液伺服作动在ARJ21-700飞机、C919大型客机、波音787等电传操纵飞机上大量采用,具有结构简单、可靠性高的优点。对于电液伺服作动,操纵杆与舵面之间通过计算机和电缆连接,无法得到飞机状态的反馈,其操纵杆的力感主要由弹簧和阻尼筒提供。

为了提供更加丰富的触觉感知能力,波音787飞机上提供了力感装置,用于改善操纵杆的力感特性。另外,主动侧杆利用电机等模拟力感也是一种改善力感特性的方式。

飞机液压系统正朝着重量轻、体积小、高压化、大功率、变压力、智能化、集成化、多余度方向发展。有研究表明:飞机液压系统减小体积和降低重量的最有利途径是提高压力。

现役客机多使用3000psi压力,如空客A320、A330、A340,波音767、777,其他的ARJ21、ERJ170等;而最新的宽体客机,例如A350、A380、B787飞机都使用了5000psi液压技术。我国在3000psi和4000psi液压方面都有应用,但5000psi的液压技术还不成熟,需要加紧研制和开发。

波音787飞机是采用电液伺服作动的典型应用,利用三套集中式液压为飞控系统提供作动能源,飞控作动器采用了最新的5000psi压力体制、远程控制电子装置(REU)等最新技术。但是仍然无法回避液压管路布置的难题。而且集中式的液压系统失效后,容易导致多个作动器同时失效;不易进行自检测,维护工作量大;使用遍布全机的管路,重量大。

如果能够将电力替代液压,安全余度会有所增加,飞机重量也可能会有所降低。

功率电传:噪音小、精度高、更环保

功率电传是伴随着电传飞控引进民机应用的,早期的功率电传适用于次级飞控系统,例如水平安定面配平作动器、襟缝翼作动器,这些作动器运动速度低、带宽小、功率大。这类作动技术经过多年的发展,可靠性可以达到数万飞行小时,ARJ21飞机上采用了这类成熟的技术。

但功率电传真正成为民机技术热点得益于高速永磁稀土电机技术的成熟,因为采用了高强度轻合金(铝镁合金等)制成,且多采用空心结构,使得电机体积更小、质量更轻,并且能够更好地满足功率电传作动系统的要求。

但是功率电传作动器体积是传统液压作动器的两倍,因此在小型飞机上布置相对困难。而大型客机则相对容易,最初将功率电传引入主飞控系统的是A380飞机,其后的B787、A350飞机推动功率电传更加成熟。

功率电传作动具有以下优点:维修性好,取消了液压管路接头,便于拆卸和更换;效率高,系统按需用电,避免液压系统的待机损耗,达到节省燃油的目的;容错力强,单个故障的电作动器不会引起其他作动器的故障,而单独的液压作动器液压泄漏可能导致其他液压作动器的丧失;节省费用,研制费用可能会有所增加,但后期的使用、维护费用低,全生命周期费用低。

目前的功率电传作动器主要有两类:电动静液作动器(EHA)、电机械作动器(EMA)。

EHA由控制器、电动机及其所驱动的液压泵、液压作动器组件、高压液压油箱等组成。其中控制器包括数字控制和电机控制两个部分,数字控制部分起着伺服控制的作用,实现回路闭合、系统监控和余度管理等功能;并与飞行控制计算机和数据链接口,接受飞行控制计算机发出的电动机驱动指令和把数据发送给飞行控制计算机进行诊断。电机控制部分则响应来自数字控制部分的指令,对电机实施脉宽调制,把电力加到电机上以驱动液压泵。

EMA可以分为旋转作动和直线作动两种形式,主要包括控制器、电机、减速机构等。控制器对位置、速度、电压、电流及温度等进行监控,提供对电机的闭环驱动控制,并进行一定的故障诊断和隔离以及余度管理。现役飞机采用的EMA作动器多采用滚柱丝杆的形式,具有较好的抗机械卡阻能力。

EMA和EHA的自身重量要高于传统的液压作动器,且因为增加了电子控制器,其可靠性也会有所下降。根据相关资料,副翼、升降舵、方向舵上使用的EMA略轻于EHA作动器,可靠性指标基本相同,两者的重量是传统液压作动器的2倍,可靠性是传统液压作动器的一半。

未来在作动器的改进方面可以进一步降低电机的尺寸和重量,优化功率电传的作动方式,从而达到传统作动器的重量水平。

从飞控系统层面来说,采用功率电传作动器会带来系统重量增加、可靠性下降、安装布置困难、研制及采购成本增加等不利影响。但如果将三分之一左右的液压作动器替换成功率电传作动器,进而撤掉一套液压能源系统,则会带来飞机层面的减重收益。因此,最终是否使用这项技术以及使用的程度,应根据飞机层面的权衡结果来决定。

作动技术发展趋势及展望

目前国内外开始对可变弯度操纵进行研究,利用分布式的电作动技术实现舵面的弯度改变,从而控制飞机姿态。利用这种柔性材料和作动技术可以实现4%~8%的能量收益。另外,未来也可能利用吸气、吹气、等离子体等各类流动控制对气流的状态和方向进行控制,例如在机翼上表面的后缘处开小孔吸气,延缓紊流的出现,从而实现增升的效果;或者在机翼的后缘位置开出狭缝并向外吹气,通过控制吹气可以改变流过机翼的气流方向,从而产生偏转力矩,这项技术在英国克莱菲尔德大学的验证机上进行过测试飞行。

民机飞控作动技术朝着功率电传方向发展,这在空客、波音飞机上都有所体现。而轻量化、高可靠功率电传将是未来的必然趋势,因此一体化电机泵设计、自适应变量泵、散热、余度管理等将成为研究的重点。

国内在传统的电液伺服集成方面还没有达到国际水平,如果贸然应用功率电传,将会带来更大的技术挑战。民机研制重要的驱动是满足客户需要,最新技术也许可以带来经济性的收益,但是不能以牺牲可靠性为代价,对于没有掌握的新技术,应该谨慎使用。国产民机应该为国内供应商提供机会,既可以避免国外供应商的垄断价格,又可以推动国内技术的进步。在飞控作动技术方面,应尽快建立地面集成测试和飞行测试平台,利用已有机型试验试飞国内外的功率电传作动器,以提高集成技术储备,有望在下一代国产民机的选装项上使用国内供应商的产品。

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