多電飛機電動水平安定面作動系統(tǒng)體系架構(gòu)設(shè)計及評估

摘 要：電動水平安定面作動系統(tǒng)是一種冗余式的電力驅(qū)動和復雜機械承載傳輸?shù)臋C電作動系統(tǒng)，主要用于驅(qū)動水平安定面完成飛機的俯仰配平工作。然而當前電動水平安定面作動系統(tǒng)的架構(gòu)設(shè)計缺少系統(tǒng)性、完整性的設(shè)計流程及評估指標，導致新產(chǎn)品開發(fā)周期長、可靠性不高、設(shè)計裕量大。針對這一問題，從輕量化指標出發(fā)，本文提出了一套系統(tǒng)性的架構(gòu)設(shè)計及評估方法。該方法從系統(tǒng)余度架構(gòu)設(shè)計開始，利用啟發(fā)式算法確定系統(tǒng)余度數(shù)目及余度方案配置，對系統(tǒng)各部件展開了詳細的分析及篩選，并基于相似率對各部件參數(shù)進行設(shè)計，在得到的32種可行方案中選取了4個典型架構(gòu)，分析了余度配置形式、部件功能形式以及關(guān)鍵設(shè)計參數(shù)等對架構(gòu)重量的影響。最終實現(xiàn)了架構(gòu)的自動生成、篩選和定量評估，為國產(chǎn)電動水平安定面作動系統(tǒng)的設(shè)計研制和冗余式機電作動系統(tǒng)在關(guān)鍵飛控舵面上的應用提供技術(shù)支撐。

關(guān)鍵詞：水平安定面作動器； 架構(gòu)設(shè)計； 冗余配置； 傳力路徑； 輕量化

中圖分類號：V242.5 文獻標識碼：A DOI：10.19452/j.issn1007-5453.2024.03.009

基金項目： 航空科學基金（20200007051001）；北京航空航天大學2021年研究生精品課程建設(shè)項目（07113107）

近年來綠色航空的發(fā)展理念和多電飛機的技術(shù)需求越發(fā)緊迫，采用功率電傳技術(shù)的機電作動系統(tǒng)（EMA）憑借結(jié)構(gòu)簡單、維修性好、安裝空間小、無泄漏等優(yōu)勢，取代了飛機上某些傳統(tǒng)的液壓作動器[1]。但同時EMA也存在散熱困難、機械卡滯等一系列技術(shù)難題[2-3]，限制了其在主飛控系統(tǒng)中的應用，目前僅應用于擾流板次級飛控舵面和機輪剎車中。

水平安定面作動系統(tǒng)（THSA）是民用飛機的水平尾翼舵面的作動系統(tǒng)，其主要作用是驅(qū)動水平安定面完成飛機的俯仰配平工作，提供飛機在縱向軸線即俯仰運動的穩(wěn)定性[4]。傳統(tǒng)的THSA是液壓能驅(qū)動，如空客A320和波音737飛機的THSA采用的是雙液壓馬達驅(qū)動，但最新的多電飛機空客A350和波音787的THSA都改進為雙電機驅(qū)動，即電動水平安定面作動系統(tǒng)（ETHSA），它取消了原有的大量液壓管路，消除了泄漏的風險，提高了系統(tǒng)整體的維修性。然而，ETHSA這一新產(chǎn)品的應用存在也諸多的研究熱點，如電機及驅(qū)動器的熱管理、系統(tǒng)的功重比優(yōu)化、安全及可靠性的提升等。雖然國產(chǎn)商飛ARJ21和C919也采用了 ETHSA，但均是國外供應商的配備產(chǎn)品。為了提升該技術(shù)產(chǎn)品的自主研發(fā)能力，需要突破以ETHSA為代表的這類復雜冗余式EMA的架構(gòu)設(shè)計和性能評估等核心關(guān)鍵技術(shù)。

作動系統(tǒng)的架構(gòu)設(shè)計及評估是根據(jù)需求對作動系統(tǒng)的余度形式和數(shù)目、關(guān)鍵部件的動能形式進行設(shè)計，并對其相關(guān)屬性如重量（質(zhì)量）、成本、尺寸等進行對比評價。Zhu等[5]首先使用故障樹評估了作動系統(tǒng)的可靠性和不同余度配置下的失效概率，提出了兩個并聯(lián)雙三相電機驅(qū)動的EMA配置，具有防卡滯功能，并對其容錯能力進行了驗證。王琦等[6]對飛行管理系統(tǒng)進行余度配置的優(yōu)化，從安全性、經(jīng)濟性和可靠性三個維度考慮，將飛管系統(tǒng)分解為子系統(tǒng)，由于問題的復雜程度較高，收斂條件較多，選擇使用遺傳算法對問題進行求解。結(jié)果表明，遺傳算法可以在較快的收斂速度前提下，有效地解決多約束條件下的余度配置方案。Tobias等[7]采用了基于模型的方法對減速式EMA進行了多目標架構(gòu)/概念設(shè)計，通過EMA功能階段的劃分和建立部件知識庫進行了架構(gòu)生成，并根據(jù)部分設(shè)計約束和快速重量估算篩選出備選架構(gòu)，針對備選架構(gòu)進行基于模型的多目標優(yōu)化，優(yōu)化目標包括重量和成本。但其設(shè)計過程中未考慮可靠性設(shè)計要求，因此未關(guān)注各部件的余度數(shù)目。綜合而言，傳統(tǒng)的單余度EMA的架構(gòu)設(shè)計及評估已有大量的研究，但針對多余度和復雜承力路徑的EMA或者ETHSA，仍缺乏一套系統(tǒng)性的架構(gòu)設(shè)計及評估方法。

本文在詳細研究國外現(xiàn)役的ETHSA架構(gòu)的基礎(chǔ)上對性能需求展開分析，在功能、性能和安全等多重設(shè)計約束下，采用遺傳算法優(yōu)化設(shè)計余度架構(gòu)形式，并對電機、齒輪箱和絲杠副等關(guān)鍵部件進行篩選匹配設(shè)計，從生成的32種可行架構(gòu)中優(yōu)選出4種架構(gòu)，并以輕量化指標為核心目標對架構(gòu)優(yōu)劣展開評估，最終實現(xiàn)了在設(shè)計過程中架構(gòu)的自動生成、篩選和定量評價。

1 系統(tǒng)設(shè)計分析

1.1 系統(tǒng)組成

圖1為EMA的基本結(jié)構(gòu)組成，包括伺服控制器、功率驅(qū)動單元、電機、絲杠副、傳感器和舵面。

各部件的主要功能為：（1）伺服控制器接收飛控計算機指令，并實現(xiàn)閉環(huán)控制律的算法；（2）功率驅(qū)動單元接收伺服控制器的信號控制電機；（3）電機將電能轉(zhuǎn)換為機械能，提供轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速，必要時可接齒輪減速裝置；（4）絲杠副將機械旋轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)換為直線運動，從而驅(qū)動舵面偏轉(zhuǎn)；（5）傳感器可采集電流、速度、位置信號；（6）舵面承受空氣負載力的擾動。

水平安定面面積大，微小的偏轉(zhuǎn)會改變飛機穩(wěn)定性，在飛行過程中舵面位置不能處于漂浮狀態(tài)和失控，否則可引發(fā)嚴重事故甚至災難，其安裝位置如圖2所示。因此對于驅(qū)動該舵面的ETHSA，要求其具備故障容錯能力，同時配備防逆轉(zhuǎn)機構(gòu)防止大負載力反驅(qū)造成供能裝置的損壞。而目前傳統(tǒng)的單余度EMA無法滿足該功能需求。

為滿足飛控系統(tǒng)的可靠性和安全性要求，須增加故障/安全部件以配置余度等級，如波音787采用的就是由MOOG公司制造的ETHSA，如圖3所示。它包括兩個并聯(lián)的電機，其控制單元采用分布式布置，與作動器本體相互分離，接收來自飛控計算機的指令，發(fā)送給對應的作動器，并反饋電機和位置測量等相關(guān)信息。ETHSA兩個電機采用速度綜合的齒輪傳動機構(gòu)，可以實現(xiàn)主/備工作模式，且每個電機還配備了一個失電剎車（POB）裝置。機械傳輸采用雙傳遞力的路徑，備用路徑采用安全桿和備用螺母。三個位置傳感器分別將信號反饋到兩個控制器和主飛控計算機。因此，可以實現(xiàn)對位置信號監(jiān)測正確性的表決，提高作動器的故障定位能力。

1.2 性能需求分析

ETHSA在滿足安全可靠的條件下，根據(jù)其功能特點具有如下設(shè)計需求：（1） 水平安定面作動器系統(tǒng)需要反饋當前水平安定面的位置；（2） 作動系統(tǒng)需具備兩種工作模式：正常和故障安全/鎖定模式；（3）作動器停止工作時具備在氣動載荷下保持靜止的能力；（4）作動器需滿足設(shè)計的帶載速率要求：載荷FL1 = 30kN，作動器運動速率v1 = 15mm/s；載荷FL2 = 40kN，作動器運動速率v2 = 12mm/s；載荷FL3 = 50kN，作動器運動速率v3 = 8mm/s；（5）作動器承力路徑在額定壓載和額定拉載下均不發(fā)生塑性變形。

對于需求（3），ETHSA停止工作時，在氣動載荷作用下，為防止?jié)L珠絲杠副被反向驅(qū)動，必須設(shè)置防逆轉(zhuǎn)機構(gòu)；舵面在空氣載荷作用下處于飄浮狀態(tài)會引發(fā)事故，為保證防逆轉(zhuǎn)機構(gòu)的安全可靠，至少配備一種純機械的形式。

根據(jù)需求（4），電機的額定轉(zhuǎn)速、最大轉(zhuǎn)速、最大轉(zhuǎn)矩分別需要滿足式（1）

2 系統(tǒng)余度架構(gòu)設(shè)計

基于系統(tǒng)組成分析，本文提供了符合我國民機發(fā)展的ETHSA架構(gòu)設(shè)計方案。余度技術(shù)是提高系統(tǒng)任務(wù)可靠性和安全性的有效手段之一[8]。因此，本文根據(jù)民航的適航標準要求，從余度數(shù)目、余度形式兩點進行系統(tǒng)余度架構(gòu)設(shè)計，形成了對ETHSA的余度配置方案。

2.1 余度配置策略

隨著余度數(shù)目增加，系統(tǒng)可靠性的增加速度放緩，但成本和重量等卻在加速增長。因此每個部件的余度數(shù)目的設(shè)計和配置要兼顧經(jīng)濟性和重量等因素。

ETHSA余度數(shù)目配置求解復雜，可行域較大，且存在非線性因素制約，傳統(tǒng)的求解算法計算效率低，因此引進了整數(shù)優(yōu)化的遺傳算法，以可靠性為目標，重量為約束的余度數(shù)目選擇優(yōu)化方法[9]。

最終得到的余度數(shù)目配置為控制器三余度，其他部件雙余度。符合目前國際主流產(chǎn)品的設(shè)計結(jié)果[10-12]。由于可靠性數(shù)據(jù)和重量都是通過工程經(jīng)驗和查閱相關(guān)文獻得到，本文的余度數(shù)目優(yōu)化結(jié)果僅作為所提研究方法的可行性參考。遺傳算法能夠更高效地解決以上問題，如果各個部件重量、安全性和成本等參數(shù)更加準確，就可以改進為多目標的優(yōu)化問題。

2.2 功能部件架構(gòu)篩選設(shè)計

依據(jù)2.1節(jié)優(yōu)化得到的余度數(shù)目將各功能部件的實現(xiàn)形式進行實例化設(shè)計，詳細架構(gòu)篩選流程如圖5所示。

其中黑色實線表示根據(jù)部件功能形式進行架構(gòu)的發(fā)散搜索，紅色虛線表示當前架構(gòu)下篩選淘汰的配置，不會向下繼續(xù)發(fā)散搜索，最終可行的架構(gòu)方案共計32種。

工程中常用的旋轉(zhuǎn)電機類型包括了直流電機（DC Motor）、梯形波反電動勢的無刷直流電機（BLDC Motor）和正弦波反電動勢的永磁同步電機（PMSM Motor）。直流電機成本低且控制簡單，控制器的成本也低。然而， 其工作效率和功率密度不高，內(nèi)部電刷還容易受到惡劣環(huán)境的干擾。而PMSM和BLDC兩種類型電機，由于不需要電刷，大大降低了維護需求，可靠性優(yōu)勢明顯，能滿足惡劣環(huán)境下的使用要求。此外，雙電機的工作配置可以分為主/主和主/備兩種模式，主/主在重量指標上有優(yōu)勢，但是需要通過復雜控制策略解決力矩紛爭難題，需要很高的控制開發(fā)成本。

齒輪箱是連接電機和絲杠之間重要的機械傳動部件，針對雙電機工作形式，齒輪箱可選擇轉(zhuǎn)矩或速度綜合形式。速度綜合能容許某通道的卡滯，可是一旦某通道力矩輸出異常會引起所有通道失效。

梯形絲杠副簡稱ACME，其摩擦因數(shù)較大，傳動精度和效率也較低，相同尺寸下其容許載荷遠小于滾珠絲杠，因此在大承載的機電作動系統(tǒng)很少采用ACME絲杠，但在部分小型公務(wù)機有少量應用。滾珠和滾柱絲杠副具有效率高、承載大、壽命長等優(yōu)點，廣泛用于航空航天和機床加工等高精度或高效率要求的場合。由于接觸點增加，同等結(jié)構(gòu)尺寸下，滾柱絲杠副與滾珠絲杠副相比具有更高的承載能力和更低的接觸應力[13]，但滾柱絲杠加工制造更復雜，成本大大增加，因此滾柱絲杠的適用性需要結(jié)合工程需求和產(chǎn)品的經(jīng)濟性共同決定。

ETHSA冗余的機械承力路徑，根據(jù)其安裝形式可以分為同軸并聯(lián)式或分離并聯(lián)式[14]。前者需要在主絲杠內(nèi)部同軸安裝安全拉桿，兩條承力路徑工作在主/備模式，主路徑正常工作時輔助路徑不承載；后者安裝方式簡單，兩條機械路徑平行安裝，主/主工作，共同承載。

3 系統(tǒng)體系架構(gòu)評估

系統(tǒng)體系架構(gòu)常見的評估指標包括重量、成本、可靠性或安裝空間等。本文將重量作為主要評估指標，其余指標作為設(shè)計約束。最后選取了4種典型方案對評估指標進行說明。

3.1 相似率法則的指標計算

相似率法則是使用一個已知的成品為基準對象，在小范圍內(nèi)對相似的系列產(chǎn)品進行完整參數(shù)估計，以獲取待設(shè)計產(chǎn)品的尺寸參數(shù)、重量及仿真等參數(shù)，目前該方法已經(jīng)廣泛應用于機電產(chǎn)品的設(shè)計中[15]。其中，相似率有兩個基本假設(shè)[16]。

對于電機，按照溫升極限和強度極限，電機的相似率定義參數(shù)可以選擇為最大轉(zhuǎn)矩[16]。

考慮齒輪箱的最大傳動比和電機轉(zhuǎn)速極限，齒輪箱的備選減速比也可定義為N維的矢量。因此，最后得到的各部件重量估算結(jié)果和總重量均為和絲杠導程和齒輪箱減速比相關(guān)的M×N矩陣。齒輪箱各級減速齒輪的定義參數(shù)可以選擇為傳遞的扭矩和傳動比，設(shè)計約束選擇為輪齒接觸疲勞應力和彎曲應力，相似律推導可以參閱參考文獻[17]。

對于絲杠副，主要考慮其在最大軸向負載力（拉載或壓載）下不發(fā)生塑性變形，同時為保證其壽命和可靠性，額定動載荷要滿足疲勞極限，最后還需要考慮絲杠副的最大極限轉(zhuǎn)速。

防逆轉(zhuǎn)機構(gòu)的定義參數(shù)為鎖定舵面所需的防逆轉(zhuǎn)摩擦扭矩和棘輪齒數(shù)，設(shè)計約束為許用接觸線應力和許用彎曲應力，其中非標準的棘輪棘爪和摩擦盤的重量可通過相似率進行估算，而推力軸承這類標準件，其重量可以從產(chǎn)品樣本中獲取。

3.2 系統(tǒng)架構(gòu)輕量化評估

多電飛機機載機電系統(tǒng)的輕量化設(shè)計是飛機工程師關(guān)注的重點問題之一，因此選取4種比較典型的ETHSA架構(gòu)進行研究。

3.2.1 架構(gòu)方案描述

表2為4種典型ETHSA架構(gòu)，包含了各架構(gòu)的余度和部件組成。

架構(gòu)1的結(jié)構(gòu)組成如圖6（a）所示，目前應用于空客A350飛機的THSA，采用主/備電機驅(qū)動模式，每個電機都配備了扭矩限制器，齒輪箱采用力矩綜合的方式。防逆轉(zhuǎn)機構(gòu)用于在電機無扭矩輸出時的制動，它配備了失電剎車POB組件，在斷電后可對機械傳動軸進行鎖定。作動器的機械承載機構(gòu)也是余度配置，采用主/備雙傳力路徑，正常操縱時，滾珠絲杠和主螺母作為主傳力路徑承受來自舵面的氣動載荷；單主路徑失效時，無法傳遞氣動載荷后，啟用安全拉桿和備用螺母組成的輔助傳力路徑。若主路徑滾珠絲杠發(fā)生故障，輔助傳力路徑的間隙被消除，安全拉桿開始承受氣動載荷；當主螺母出現(xiàn)故障，備用螺母轉(zhuǎn)為工作模式，代替主螺母傳遞氣動載荷。由于存在間隙，安全拉桿、備用螺母和備用接頭作為輔助傳力路徑不承受載荷。架構(gòu)2如圖6（b）所示，作動器采用兩個主/主工作模式的電機，其他的配置與架構(gòu)1類似。

架構(gòu)3和4的機構(gòu)組成分別如圖6 （c）和圖6 （d）所示，不同于架構(gòu)1和2，其將安全拉桿設(shè)置在主承力路徑的內(nèi)部，采取雙滾珠絲杠的傳動方式，因此正常情況下，負載在兩個承力路徑上是均勻分布的。載荷路徑的布置形式可以是垂直于機身排列，也可以是沿機身縱向排列。當采用垂直于機身的布置形式時，任何一條承力路徑失效，對于作動系統(tǒng)的影響是相同的，不對稱載荷會產(chǎn)生不確定的扭矩。當采用縱向排列形式時，兩個負載路徑的速度比必須恒定，存在速度不同、兩個滾珠絲杠的磨損也不同的問題，同時會導致力紛爭，因此需要采用機械同步或者載荷控制的約束。

3.2.2 架構(gòu)輕量化影響因素分析

圖7所示為ETHSA的架構(gòu)設(shè)計及評估流程，通過調(diào)研分析和算法編程即可完成各架構(gòu)的參數(shù)估算，根據(jù)計算結(jié)果可以構(gòu)建架構(gòu)的三維模型，進一步評估系統(tǒng)的重量開展輕量化影響因素的分析。圖8為4種典型架構(gòu)的最小重量對比分析圖。

通過對比1～4架構(gòu)下最小總重量和各部件重量，可以看出架構(gòu)2的總重量最優(yōu)；從圖8 （b）可以看出，絲杠副重量占據(jù)主導作用，且承力路徑結(jié)構(gòu)形式影響較大，而防逆轉(zhuǎn)機構(gòu)的重量變化不大。當采用分離安裝的并行承力路徑時，單根絲杠副設(shè)計載荷減半，絲杠軸徑減小，絲杠可選擇更小的導程，從而架構(gòu)3和4的齒輪箱減速比相對架構(gòu)1和2較小。此外，雙電機主/主模式（架構(gòu)2和4）相對于主/備模式（架構(gòu)1和3）重量明顯減輕。另外，小導程絲杠副會使得電機至絲杠端的總減速比增加，降低了電機需求扭矩，減小了電機的重量，因此相比于架構(gòu)2，架構(gòu)4更具有重量優(yōu)勢。

圖9 （a）表示采用架構(gòu)1和2的雙電機工作模式對架構(gòu)重量的影響。它們的區(qū)別僅在于雙電機工作模式的差異，防逆轉(zhuǎn)機構(gòu)、絲杠副和齒輪箱的組成相同，重量無明顯差異。主/主模式下，電機的扭矩需求值理論上是主/備模式下一半，電機本身減重34.8%，總重量減重8.3%。

圖9 （b）表示采用架構(gòu)1和3的冗余承力路徑安裝方式對架構(gòu)重量的影響，一個是同軸并聯(lián)安裝，另一個是分離并聯(lián)安裝。絲杠導程分別為10mm和8mm，絲杠公稱直徑分別為45.1mm和38.0mm，減速比分別為85和71。架構(gòu)1只有一個絲杠，整體重量更小，而架構(gòu)3中兩條路徑同時承載，絲杠公稱直徑較小，選用導程更小，齒輪箱和電機重量更小，但綜合下來絲杠副的重量仍占主導作用，相對于架構(gòu)1，架構(gòu)3絲杠副增重41.4%，總重量僅增重5.8%。

4 結(jié)論

本文以國產(chǎn)電動水平安定面作動系統(tǒng)為研究對象，對其體系架構(gòu)設(shè)計及評估方法進行了研究，得出了如下結(jié)論：

（1）針對大型多電飛機水平安定面的性能需求，利用啟發(fā)式算法和相似率法則篩選計算得到32種可行的電動水平安定面作動系統(tǒng)的設(shè)計方案，并選取了其中4種典型架構(gòu)開展了分析，研究表明絲杠副對系統(tǒng)總重量的影響最大。

（2）在滿足安全性的前提下，開展了電動水平安定面作動系統(tǒng)不同部件功能形式下重量影響因素的理論分析，其中雙電機主/主工作模式較主/備模式的設(shè)計可減重8.3%，機械承力路徑分離并聯(lián)的設(shè)計形式較同軸并聯(lián)的形式增重5.8%。

（3）基于系統(tǒng)工程的設(shè)計理念，形成了一種電動水平安定面作動系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計和體系評估流程，解決了高可靠機電作動系統(tǒng)的多余度驅(qū)動和復雜承力路徑的均衡配置難題，為推動多電化的作動系統(tǒng)在未來國產(chǎn)大型多電飛機關(guān)鍵舵面上的應用奠定了基礎(chǔ)。

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Architecture Design and Evaluation of Electrical Trimmable Horizontal Stabilizer Actuation System for More Electric Aircraft

Ma Haolin， Fu Jian， Zhang Wensen， Zheng Chaoqun Beihang University， Beijing 100191， China

Abstract： Electrical trimmable horizontal stabilizer actuation system is a special electromechanical actuation system with redundant electrical power drive paths and complex mechanical transmission loads， which drives the trimmable horizontal stabilizer to achieve the pitching work of the aircraft. However， the current architecture design of the electrical trimmable horizontal stabilizer actuation system lacks a systematic and integrated design process and evaluation index， which leads to long development cycle， low reliability， and a large design margin of the new system. To solve this problem， a systematic architecture design and evaluation method based on the lightweight index is proposed. At the beginning of the design of the system redundancy architecture， a heuristic algorithm is used to determine the number of system redundancy and the configuration of the redundancy scheme. The components of the system are analyzed and reviewed in detail， and the parameters of each component are designed based on the scaling laws. From the 32 possible schemes， 4 typical architectures are selected to analyze the influence of the form of the redundancy configuration， form of component function and the main design parameters on the weight of the architecture. Finally， the automatic generation， screening and quantitative evaluation of the architecture are realized， which provides technical support for the design and development of a domestic electrical trimmable horizontal stabilizer actuation system and the application of redundant electromechanical actuation system for the key flight control surfaces.

Key Words： trimmable horizontal stabilizer actuator； architecture design； redundant configuration； load path； lightweighting