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电静液作动器:多电飞机的强健肌肉
航空航天
2018-09-21 13:03
作者  焦宗夏 徐兵 何永勇

押题图.jpg

研究人员解决了电静液作动器面临的多项挑战,使其成为飞机更加强健的肌肉。未来,它们将随飞机飞上蓝天,帮助各类飞机实现精准的姿态变化。

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飞鸟通过控制羽毛实现飞行,而人类则为飞机赋予了飞行控制功能,通过飞控舵面的偏转和高速流过的气体作用产生气动力矩,实现升降、转向等姿态变化。起到了类似于飞机肌肉的作用。由于飞机的速度远大于飞鸟,达到亚音速乃至超音速的水平,因此执行机构驱动舵面偏转就犹如在台风中快速精准地控制一扇门一样,需要非常强大的推力和控制精度。可以想象,飞机必须练就强健的肌肉才能精准、有效地实现各种姿态变化。考虑到航空业对重量的苛刻要求,体积小、力气大的液压伺服成为强健肌肉的首选,这也是过去半个多世纪以来飞机一直采用的技术。

一直沿用的集中式液压伺服系统采用发动机驱动液压泵产生高压流体,通过管路传输到各舵面的液压伺服作动器来实现舵面偏转控制。但这种系统带来了遍布机身的高压管路,而且重量大,安装和维护困难,可靠性也很低。随着大型客机对经济性、安全性、环保性和舒适性要求的不断提升,多电/全电成为此类飞机的主要发展方向,在这种多电/全电飞机中,发动机只产生电力,通过电缆将能量传输到各使用端,能够有效减轻重量,提高维护性和安全性。而这一转变也催生出了对电驱动作动器这种新型“肌肉”的需求。

电静液作动器(Electro-Hydrostatic Actuator,EHA)就是一种非常优秀的电驱动作动器解决方案。电静液作动器的基本工作过程看起来并不繁琐:伺服电机驱动双向液压泵旋转,产生高压油经过液压阀后流入作动筒,活塞杆在压差的作用下克服负载,推动飞机舵面偏转;通过传感器反馈作动器的位移,控制电机的转速和方向,就能实现舵面偏转的动态控制。电静液作动器虽然原理简单,但要形成满足航空业需求的产品却面临巨大的挑战,国内外已经开展了近40年的研究,直到近几年国外才开始在最先进的飞机上应用这项技术。国家973计划项目“大型飞机电液动力控制与作动系统新体系基础研究”的研究团队也将电静液作动器作为一项重要的内容进行攻关,针对多方面的挑战进行探索,取得了多项突破性的进展。

电静液作动器原理(1).jpg

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鉴于航空业对减重的极端要求,必须使用尽可能小的电机、泵和作动器,这就迫使电静液作动器向高速、高压方向发展,通过高压来减小液压缸的尺寸,通过高转速来减小电机和泵的尺寸。目前国际上采用的电静液作动器中,电机和泵的最高转速达到2万转/分,最高压力达到35兆帕。

高速高压化给电静液作动器的泵带来两大挑战。第一项挑战是泵内摩擦副的磨损和寿命较短。柱塞泵中存在滑靴和斜盘、柱塞和缸体以及缸体和配流盘3对摩擦副。其特点都是间隙极小、载荷大、速度高,这3对摩擦副作为柱塞泵的设计核心,其性能直接影响到柱塞泵的效率、可靠性与寿命。在高速高压工况下,摩擦副界面的PV值(即压力和速度的乘积)极大,同时微观压力变形和热变形问题严重,极易造成磨损、泄漏,甚至泵失效,很难满足飞行控制长寿命、低故障的要求。

为了解决这一难题,研究团队针对摩擦副界面的微观形貌优化,提出异性缸孔、织构化滑靴和配流盘等创新方法。其中,异性缸孔与柱塞之间会形成楔形油膜,产生动压效应,为柱塞提供额外的支撑力,表面织构的微小凹坑不仅可以产生动压效应,而且具有“藏污纳垢”和微米尺度的“润滑冷却”作用,有效地改善了摩擦副的密封性能,降低了摩擦磨损。

液压泵摩擦副改性设计和紊流调控(1).jpg

第二项挑战是高速柱塞泵的旋转组件在狭小的壳体内高速搅拌油液,这个过程可谓“翻江倒海”,会消耗大量能量,进而降低柱塞泵的效率;同时,高速搅拌产生的紊态流场不断地“侵扰”高速旋转组件,对旋转组件产生非周期性激振力,容易诱发旋转组件的失稳。为此,研究团队提出在旋转组件表面涂覆纳米疏油涂层,以降低旋转组件与紊乱油液的“亲密”程度,降低旋转组件在油液中的摩擦损失。此外,研究团队还给旋转组件“穿”上整流罩,将紊态外流场“拒之门外”,既降低了搅拌损失,又抑制了流场的外激振作用。研究团队通过这两项措施,有效提高了电静液作动器泵的寿命和效率。

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除了液压泵外,电静液作动器的另一个重要部件——电机也面临着一个难题:“发烧”。在飞行中,电静液作动器往往需要克服巨大的气动负载,稳稳地顶住舵面,这就要求给电机施加大电流,产生持续的大扭矩,驱动泵产生高压油顶住液压缸。电流通过绕组会产生大量的热,而电静液作动器的小体积和轻重量带来的一项后果是散热能力较弱,所以电静液作动器电机经常因此而“发高烧”,极大地限制了电静液作动器的应用,目前大飞机只敢把它作为备份使用。

解决这一难题的一个方法是采用变量泵,就像汽车变挡一样,在低速大扭矩的情况下,减小泵的排量,即减小传动比,从而减小电机电流,缓解发热,这种技术称为负载敏感。这项技术也存在短板,即刚度较低会造成动态特性不佳,不能满足快速调节舵面的要求。为了解决这一问题,研究团队创新性地提出了主动负载敏感电静液作动器,发明了新型压力控制阀,它可以主动控制负载敏感压力,实现自主控制泵是否为变量泵,从而在希望快速响应的时候保持大传动比,而在希望对抗低速大负载时采用小传动比,减小发热。

负载敏感电静夜作动器样机(1).jpg

通过以上几方面的努力,研究团队解决了旋转电静液作动器面临的几项巨大挑战,开发了高性能的电静液作动器。测试结果表明,该作动器的动态特性达到了7赫兹,而且长时间带载工作时发热很低,可以满足飞机作动器控制的需求。

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电静液作动器的挑战还远不止于此,其中泵的摩擦副工况及其恶劣,不可避免地会出现启停或者反转等过程,进而造成摩擦界面粗糙峰直接接触并发生磨损问题,降低电静液作动器的运行性能及服役寿命。针对电静液作动器是闭式系统这一特点,研究团队创新地采用了在液压油中加入添加剂的思路。研究团队通过不同材料的实验,选定了石墨烯。石墨烯是一种新兴的二维层状材料,具有优异的力学特性、化学稳定性和自润滑性能。研究团队在研发过程中,根据石墨烯的微观结构调控提出一系列石墨烯纳米润滑添加剂的制备工艺,并将其添加到电静液作动器的液压油中。测试表明,在电静液作动器运行过程中,石墨烯能够良好地分散在液压油中,并能够与液压油一同进入摩擦界面,通过物理和化学吸附作用稳定地吸附在摩擦界面上,形成吸附保护膜,提升界面润滑性能。另外,石墨烯独特的二维层状结构,在滑动过程中能够产生层间滑移作用,进一步提升摩擦界面的润滑减磨性能。最终,研究团队成功地自主研发出具有高效润滑特性的石墨烯纳米润滑添加剂,可以有效提升电静液作动器的可靠性和长寿命服役性能,具有重要的应用价值。

石墨烯纳米润滑添加剂制备工艺及其润滑机理(1).jpg

另外,目前国际上的电静液作动器大多是采用前面介绍的高速旋转电机驱动液压泵的方式,这种结构的本质是利用柱塞泵中的多个柱塞,通过改变旋转方向并改变不同柱塞之间的相位先后关系,实现作动器的往复运动控制。其缺点是在动态过程中需要控制整个电机和柱塞泵的往复,也就是需要克服整个电机和泵的惯性,这从机理上限制了电静液作动器动态特性的提高。能否另辟蹊径,化整为零,只调整其中一部分柱塞来实现不同柱塞之间的相位关系,进而实现往复运动呢?研究团队提出了一种基于新原理的模块化直线驱动电静液作动器,给出了肯定的答案。该电静液作动器采用新型高频谐振直线电机驱动柱塞往复运动,通过多个模块之间的拓扑实现配流,可以采用调幅、调相等复合控制方式实现高效、高频的作动控制,大幅提高了动态特性。除了响应频宽高外,该系统相较于传统电静液作动器还有着摩擦副简单、效率高、模块化等优点。目前样机的频宽高达15赫兹,是国内外电静液作动理论与技术方面的重要突破。

新原理直线驱动电静液作动器原理和样机(1).jpg

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综合来看,研究团队针对电静液作动器的难题提出了多个创新的思路和方法,既有原理的创新,又有扎实的具体技术细节突破,解决了限制电静液作动器应用的多个难题,获得多项国家发明专利授权,对于提升多电飞机的作动性能具有极大的促进作用。下一步,这些成果将转化为更为丰富的养分,形成更加强健的肌肉,助力我国下一代大型飞机实现腾飞。

致谢:感谢国家973计划项目“大型飞机电液动力控制与作动系统新体系基础研究“(项目编号:2014CB046400)的支持。

本文刊登于IEEE Spectrum中文版《科技纵览》2018年7月刊。

作者:焦宗夏、徐兵、何永勇

(焦宗夏:北京航空航天大学,教授、博士生导师,现任北京航空航天大学宁波研究院院长。国家杰出青年科学基金获得者,长江学者特聘教授,何梁何利奖获得者,国家973计划项目首席科学家,入选新世纪百千万人才工程国家级人选。“飞行器流体动力控制与操纵”长江学者创新团队带头人,“飞行器控制一体化技术”国防科技重点实验室主任。主持承担了多项国家973、863、国家自然科学基金、航空基金、国家大型工程与国家国际合作专项等重大项目。发表论文200余篇,其中SCI收录70余篇,EI论文100余篇,授权发明专利50余项;获国家技术发明二等奖1项,国家科技进步二等奖2项,省部级科技奖励多项。

徐兵:浙江大学,教授,博士生导师,现任流体动力与机电系统国家重点实验室副主任,机械电子工程系主任。国家“万人计划”科技创新领军人才,教育部“长江学者”特聘教授,浙江省151人才重点层次,创新人才推进计划中青年科技创新领军人才,教育部新世纪优秀人才,中国机械工程学会青年科技成就奖和浙江省青年科技奖获得者。主持承担了973、863、国家科技支撑计划及国家自然科学基金等国家和省部级纵向课题二十余项,发表SCI论文50余篇,EI论文80余篇,授权国家发明专利40余项。荣获国家科技进步二等奖1项,省部级科技进步一等奖4项及二等奖1项。

何永勇:清华大学,副研究员,博士生导师,现任清华大学天津高端装备研究院常务副院长。2005年入选教育部第二批“新世纪优秀人才支持计划”。先后主持和参加“九五”攀登计划项目、国家自然科学基金“九五”重大项目、国家自然科学基金青年基金、国家“973”项目、国家863项目和企业合作项目多项;发表论文150余篇,其中SCI收录60余篇,EI收录90余篇,论文被引用1000余次;获授权专利40余项;获浙江省科技进步一等奖一项、教育部高等学校自然科学一等奖一项、教育部高等学校科技进步二等奖一项、广东省科技进步二等奖一项。)

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