摘要：前緣襟翼作為飛機(jī)增升裝置的重要組成部分，在起降階段通過改變機(jī)翼彎度來提升升力系數(shù)，對(duì)保障飛機(jī)起降安全具有不可替代的作用。隨著現(xiàn)代航空技術(shù)向高安全性、高可靠性方向發(fā)展，傳統(tǒng)單一能源驅(qū)動(dòng)的襟翼作動(dòng)系統(tǒng)已難以滿足飛機(jī)任務(wù)可靠性的日益嚴(yán)苛的要求。本文以旋轉(zhuǎn)式前緣襟翼作動(dòng)系統(tǒng)的高安全性設(shè)計(jì)需求為背景，提出了一種以閥控液壓馬達(dá)為主驅(qū)動(dòng)、電機(jī)驅(qū)動(dòng)為備份的“液主電備”作動(dòng)系統(tǒng)方案。在系統(tǒng)闡述前緣襟翼作動(dòng)系統(tǒng)技術(shù)背景的基礎(chǔ)上，對(duì)三種主流備份方案進(jìn)行了全維度對(duì)比分析，論證了“液主電備”模式在任務(wù)可靠性方面的綜合優(yōu)勢(shì)。進(jìn)而詳細(xì)介紹了系統(tǒng)的組成構(gòu)造、核心功能、部件設(shè)計(jì)及三種工作模態(tài)的工作原理，并基于AMESim和Matlab/Simulink軟件平臺(tái)建立了系統(tǒng)仿真模型，對(duì)主工作模態(tài)和備份工作模態(tài)下的偏轉(zhuǎn)角度、額定速度、最大載荷工況速度等關(guān)鍵性能指標(biāo)進(jìn)行了仿真驗(yàn)證。此外，通過對(duì)系統(tǒng)的階躍響應(yīng)、頻率響應(yīng)及滯環(huán)等動(dòng)態(tài)特性進(jìn)行分析，全面評(píng)估了系統(tǒng)的伺服控制品質(zhì)。研究結(jié)果表明，該系統(tǒng)各項(xiàng)性能指標(biāo)均滿足設(shè)計(jì)要求，響應(yīng)迅速、運(yùn)行平穩(wěn)，在提高飛機(jī)起降安全性與任務(wù)可靠性方面具有顯著工程應(yīng)用價(jià)值。

關(guān)鍵詞：前緣襟翼；作動(dòng)系統(tǒng)；閥控液壓馬達(dá)；電機(jī)備份；高可靠性設(shè)計(jì)；仿真分析

一、前緣襟翼作動(dòng)技術(shù)前沿概述

1.1 前緣襟翼的功能定位與技術(shù)背景

襟翼是現(xiàn)代飛機(jī)機(jī)翼邊緣部分的一種翼面形可動(dòng)裝置，可安裝在機(jī)翼后緣或前緣，通過向下偏轉(zhuǎn)或前后滑動(dòng)來改變機(jī)翼的氣動(dòng)外形。依據(jù)安裝部位的不同，襟翼可分為后緣襟翼和前緣襟翼兩大類。其中，前緣襟翼位于機(jī)翼前緣，當(dāng)飛機(jī)在大迎角狀態(tài)下，襟翼向下偏轉(zhuǎn)，使前緣與相對(duì)氣流之間的角度減小，從而避免局部氣流分離產(chǎn)生的旋渦對(duì)升力造成的不利影響。

在飛機(jī)的起飛和著陸階段，飛行速度相對(duì)較低，但需要平衡相同的重力，這就要求增大升力系數(shù)。依托前緣襟翼等增升裝置，可在速度較低的起降階段實(shí)現(xiàn)機(jī)翼彎度的有效改變，進(jìn)而提高升力系數(shù)。前緣襟翼的核心功能可從兩個(gè)層面加以理解：其一，在飛機(jī)起降過程中增加機(jī)翼升力，縮短起降滑跑距離；其二，隨飛行馬赫數(shù)的變化調(diào)節(jié)飛機(jī)攻角，優(yōu)化氣動(dòng)特性。從技術(shù)發(fā)展的角度來看，前緣襟翼的作用已不再局限于改善起降性能——現(xiàn)代軍用飛機(jī)已將前緣機(jī)動(dòng)襟翼應(yīng)用于空中機(jī)動(dòng)飛行，通過偏轉(zhuǎn)襟翼來提升大迎角狀態(tài)下的升阻比和機(jī)動(dòng)能力。

1.2 飛機(jī)起降安全性與前緣襟翼作動(dòng)可靠性的關(guān)聯(lián)

在民航運(yùn)行領(lǐng)域，有所謂“黑色十分鐘”的說法，指的是飛機(jī)起飛階段的三分鐘和著陸階段的七分鐘。從全球已發(fā)生的飛機(jī)事故統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)來看，絕大多數(shù)事故都發(fā)生在這關(guān)鍵的十分鐘內(nèi)。高升力系統(tǒng)正是在這一關(guān)鍵時(shí)段發(fā)揮核心作用的飛機(jī)分系統(tǒng)，前緣襟翼作為高升力系統(tǒng)的核心組成部分，其作動(dòng)系統(tǒng)的可靠性直接關(guān)系到飛機(jī)的起降安全。

隨著現(xiàn)代飛機(jī)復(fù)雜程度的日益提高，對(duì)飛機(jī)安全性的要求也持續(xù)提升。作動(dòng)系統(tǒng)作為驅(qū)動(dòng)襟翼偏轉(zhuǎn)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，如果出現(xiàn)故障，將導(dǎo)致襟翼無(wú)法正常收放，嚴(yán)重影響飛機(jī)的起降性能，甚至可能引發(fā)災(zāi)難性后果。正因如此，前緣襟翼的任務(wù)可靠性對(duì)飛機(jī)的整體安全性起著至關(guān)重要的作用，前緣襟翼作動(dòng)系統(tǒng)的高可靠性設(shè)計(jì)已成為航空機(jī)載系統(tǒng)領(lǐng)域亟待突破的關(guān)鍵技術(shù)問題。

1.3 功率電傳作動(dòng)技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)

隨著航空技術(shù)的不斷進(jìn)步，功率電傳（Power-By-Wire，PBW）作動(dòng)系統(tǒng)已經(jīng)成為現(xiàn)代飛機(jī)設(shè)計(jì)的重要發(fā)展方向。傳統(tǒng)飛機(jī)依賴集中式液壓系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)各舵面，液壓管路貫穿機(jī)身，存在重量大、維護(hù)復(fù)雜、單點(diǎn)故障風(fēng)險(xiǎn)高等固有問題。多電飛機(jī)（More Electric Aircraft，MEA）理念的提出，推動(dòng)了電靜液作動(dòng)器（EHA）和機(jī)電作動(dòng)器（EMA）等新型功率電傳作動(dòng)技術(shù)在飛控系統(tǒng)中的廣泛應(yīng)用。

在這一技術(shù)趨勢(shì)下，如何在保持液壓驅(qū)動(dòng)高功率密度優(yōu)勢(shì)的同時(shí)，引入電氣備份以提高系統(tǒng)的任務(wù)可靠性，成為前緣襟翼作動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵命題。本文所介紹的一種帶電機(jī)備份的閥控液壓馬達(dá)式前緣襟翼作動(dòng)系統(tǒng)，正是在這一技術(shù)背景下提出的創(chuàng)新方案。

二、旋轉(zhuǎn)式前緣襟翼作動(dòng)系統(tǒng)可靠性設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)整體方案概述

為確保飛機(jī)起降的安全性，旋轉(zhuǎn)式前緣襟翼作動(dòng)系統(tǒng)需要進(jìn)行高任務(wù)可靠性設(shè)計(jì)。本文介紹的方案采用將閥控液壓馬達(dá)驅(qū)動(dòng)構(gòu)型作為主構(gòu)型、電機(jī)驅(qū)動(dòng)作為備份的主-備工作形式。該設(shè)計(jì)理念的核心在于：正常飛行條件下由液壓系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)襟翼偏轉(zhuǎn)，充分發(fā)揮液壓驅(qū)動(dòng)功率密度高、響應(yīng)迅速的優(yōu)勢(shì)；當(dāng)液壓主系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí)，備份電機(jī)能夠迅速介入，確保襟翼仍可實(shí)現(xiàn)基本的收放功能，保障飛機(jī)安全起降。

系統(tǒng)設(shè)計(jì)了三種工作模態(tài)以適應(yīng)不同運(yùn)行場(chǎng)景：主工作模態(tài)（正常液壓驅(qū)動(dòng)）、備份工作模態(tài)（應(yīng)急電機(jī)驅(qū)動(dòng)）和把持工作模態(tài)（舵面制動(dòng)保持）。系統(tǒng)可在三種模態(tài)之間進(jìn)行平穩(wěn)可靠的轉(zhuǎn)換，確保在任何工況下都能維持對(duì)前緣襟翼的有效控制。

2.2 三種備份方案的對(duì)比分析

旋轉(zhuǎn)式驅(qū)動(dòng)功率轉(zhuǎn)化方式一般包括液壓馬達(dá)和電機(jī)兩種。以旋轉(zhuǎn)式伺服閥控液壓馬達(dá)為核心驅(qū)動(dòng)單元的系統(tǒng)主要存在三種主流備份方案，分別為雙伺服閥控液壓馬達(dá)備份、伺服閥控液壓馬達(dá)主-電磁閥控液壓馬達(dá)備份，以及伺服閥控液壓馬達(dá)主-電機(jī)備份（即“液主電備”模式）。以下從任務(wù)可靠性、重量、成本和基本可靠性等維度對(duì)三種方案進(jìn)行系統(tǒng)對(duì)比分析。

（1）雙伺服閥控液壓馬達(dá)備份模式

該模式即完全復(fù)制其中一套液壓馬達(dá)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，形成雙通道冗余配置。當(dāng)單側(cè)液壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)出現(xiàn)故障時(shí)，另一側(cè)仍可獨(dú)立工作，理論上可保證產(chǎn)品性能不降級(jí)。然而，該方案的缺點(diǎn)也十分顯著。首先，產(chǎn)品體積與重量明顯增加，兩套完整的液壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)需要雙倍的伺服閥、液壓馬達(dá)及相應(yīng)的管路和控制器，對(duì)于重量敏感的航空裝備而言代價(jià)高昂。其次，雙通道系統(tǒng)仍然依賴單一的液壓能源，一旦飛機(jī)液壓系統(tǒng)全部失效（如液壓泵故障或管路大面積破裂），兩側(cè)液壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)將同時(shí)喪失作動(dòng)能力，導(dǎo)致前緣襟翼控制功能的徹底失效。因此，該方案雖然解決了部件級(jí)單點(diǎn)故障問題，但未能消除系統(tǒng)級(jí)的共因失效風(fēng)險(xiǎn)。

（2）電磁閥備份模式

該模式在伺服閥控液壓馬達(dá)的基礎(chǔ)上增加一部分控制閥與油路，實(shí)現(xiàn)備份驅(qū)動(dòng)功能，具有明顯的體積與重量?jī)?yōu)勢(shì)，成本較低。其工作原理是通過電磁閥控制備用油路來實(shí)現(xiàn)對(duì)同一液壓馬達(dá)的驅(qū)動(dòng)。然而，這一備份模式的根本缺陷在于：兩種控制方式共用同一個(gè)液壓馬達(dá)和公共油路。一旦公共油路出現(xiàn)堵塞、泄漏或液壓馬達(dá)本身發(fā)生故障（如軸承損壞、柱塞卡滯等），兩種控制方式將同時(shí)失效，導(dǎo)致前緣襟翼控制功能喪失。因此，在任務(wù)可靠性方面，電磁閥備份模式并未實(shí)現(xiàn)真正意義上的非相似冗余。

（3）“液主電備”模式

該方案在伺服閥控液壓馬達(dá)驅(qū)動(dòng)裝置之外，備份一套由控制器控制電機(jī)的獨(dú)立驅(qū)動(dòng)裝置，是一種完全非相似的冗余備份方式。其核心優(yōu)勢(shì)在于：液壓驅(qū)動(dòng)與電動(dòng)驅(qū)動(dòng)采用完全不同的能量來源和動(dòng)力傳遞路徑。液壓系統(tǒng)依賴飛機(jī)集中式液壓能源，而電機(jī)驅(qū)動(dòng)則依賴飛機(jī)電網(wǎng)供電。即使機(jī)上液壓系統(tǒng)完全失效，備份電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)仍能發(fā)揮作用，驅(qū)動(dòng)前緣襟翼完成應(yīng)急收放，確保飛機(jī)起降安全。在任務(wù)可靠性維度上，“液主電備”方案由于消除了液壓系統(tǒng)的共因失效風(fēng)險(xiǎn)，實(shí)現(xiàn)了真正的非相似冗余，故任務(wù)可靠性在三種方案中最高。

綜合重量、任務(wù)可靠性、成本和基本可靠性等維度進(jìn)行對(duì)比分析：在重量方面，“液主電備”模式介于雙伺服閥備份（最重）和電磁閥備份（最輕）之間，重量適中；在任務(wù)可靠性方面，“液主電備”顯著優(yōu)于其他兩種方案；在成本方面，雖然高于電磁閥備份，但遠(yuǎn)低于雙伺服閥備份。經(jīng)綜合權(quán)衡，在重量相對(duì)適中的前提下，“液主電備”模式的任務(wù)可靠性最高，因此優(yōu)選“液主電備”模式作為旋轉(zhuǎn)式前緣襟翼作動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案。

三、作動(dòng)系統(tǒng)的組成與工作原理

3.1 系統(tǒng)總體組成構(gòu)造

旋轉(zhuǎn)式前緣襟翼作動(dòng)系統(tǒng)主要由三大部分構(gòu)成：功率驅(qū)動(dòng)裝置、扭力桿與旋轉(zhuǎn)作動(dòng)器。從功能模塊的角度來看，又可細(xì)分為功率驅(qū)動(dòng)裝置（含液壓驅(qū)動(dòng)部分和電機(jī)驅(qū)動(dòng)部分）、傳動(dòng)軸組件和旋轉(zhuǎn)作動(dòng)器組件。

功率驅(qū)動(dòng)裝置是系統(tǒng)的核心執(zhí)行部件，集成了液壓驅(qū)動(dòng)功能和電機(jī)備份驅(qū)動(dòng)功能，負(fù)責(zé)接收飛控計(jì)算機(jī)的指令信號(hào)，輸出相應(yīng)的扭矩和轉(zhuǎn)速。傳動(dòng)軸組件通過花鍵連接結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)各部件之間的扭矩傳遞和運(yùn)動(dòng)耦合。旋轉(zhuǎn)作動(dòng)器安裝在襟翼與機(jī)體結(jié)構(gòu)之間，起到鉸鏈連接作用，同時(shí)通過內(nèi)部行星齒輪機(jī)構(gòu)進(jìn)行減速增扭，驅(qū)動(dòng)襟翼偏轉(zhuǎn)至目標(biāo)角度。

3.2 系統(tǒng)的主要功能

旋轉(zhuǎn)式前緣襟翼作動(dòng)系統(tǒng)具備三項(xiàng)核心功能：液壓驅(qū)動(dòng)功能、備份電機(jī)驅(qū)動(dòng)功能和模態(tài)轉(zhuǎn)換功能。

（1）液壓驅(qū)動(dòng)功能。液壓功率驅(qū)動(dòng)執(zhí)行部件采用液壓、機(jī)械單余度配置，包括一臺(tái)電液伺服閥和一臺(tái)液壓馬達(dá)。電液伺服閥通過控制輸入馬達(dá)的流量和液壓油流動(dòng)方向來控制馬達(dá)的輸出轉(zhuǎn)速和旋轉(zhuǎn)方向。馬達(dá)輸出的扭矩和轉(zhuǎn)速經(jīng)過放大后帶動(dòng)扭矩傳動(dòng)軸組件旋轉(zhuǎn)，進(jìn)而將運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力傳遞給各旋轉(zhuǎn)作動(dòng)器，保證各旋轉(zhuǎn)作動(dòng)器同步輸出，帶動(dòng)前緣襟翼偏轉(zhuǎn)。馬達(dá)兩負(fù)載管之間設(shè)置有安全閥，在正常工作時(shí)可限制馬達(dá)負(fù)載管路壓力大小，從而限制馬達(dá)的最大力矩輸出值，起到過載保護(hù)作用。

（2）備份電機(jī)驅(qū)動(dòng)功能。電機(jī)驅(qū)動(dòng)執(zhí)行部件采用電氣單通道、機(jī)械單余度配置，包括電機(jī)驅(qū)動(dòng)單元、旋轉(zhuǎn)作動(dòng)器及傳動(dòng)軸組件。電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊接收襟翼收放位置指令，輸出相應(yīng)轉(zhuǎn)速和扭矩，經(jīng)旋轉(zhuǎn)放大后帶動(dòng)扭矩傳動(dòng)軸組件旋轉(zhuǎn)，驅(qū)動(dòng)前緣襟翼偏轉(zhuǎn)。電機(jī)驅(qū)動(dòng)單元對(duì)電機(jī)電流進(jìn)行限流和速度限制，從而約束電機(jī)的輸出力矩并防止堵轉(zhuǎn)損壞。電機(jī)驅(qū)動(dòng)單元中配置有電磁制動(dòng)器，主要功能是用于把持和解除把持電機(jī)輸出軸。

（3）模態(tài)轉(zhuǎn)換功能。系統(tǒng)中的控制器實(shí)時(shí)進(jìn)行IFBIT（機(jī)上內(nèi)建測(cè)試），當(dāng)系統(tǒng)主工作模式出現(xiàn)電氣雙通道故障、電液伺服閥電流電壓監(jiān)控報(bào)故、運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)報(bào)故或左右不對(duì)稱監(jiān)控報(bào)故等導(dǎo)致主工作模式失效的故障時(shí)，控制器發(fā)出模態(tài)轉(zhuǎn)換指令。此時(shí)，伺服模態(tài)電磁控制閥下電，電機(jī)驅(qū)動(dòng)單元中電磁制動(dòng)器上電解制動(dòng)，電機(jī)根據(jù)控制器指令輸出相應(yīng)的轉(zhuǎn)速和扭矩，驅(qū)動(dòng)后端傳動(dòng)線系及前緣襟翼舵面偏轉(zhuǎn)，完成從主工作模態(tài)到備份工作模態(tài)的平穩(wěn)切換。

3.3 各部件的功能設(shè)計(jì)

（1）功率驅(qū)動(dòng)裝置。當(dāng)功率驅(qū)動(dòng)裝置接收飛控計(jì)算機(jī)的指令信號(hào)時(shí)，由液壓馬達(dá)工作輸出扭矩和轉(zhuǎn)速，驅(qū)動(dòng)前緣襟翼作動(dòng)線系運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)襟翼的精確位置控制。當(dāng)功率驅(qū)動(dòng)裝置掉壓且液壓制動(dòng)器制動(dòng)時(shí)，應(yīng)急驅(qū)動(dòng)單元輸出端的運(yùn)動(dòng)可通過花鍵傳遞到功率驅(qū)動(dòng)裝置中的齒輪差動(dòng)機(jī)構(gòu)，驅(qū)動(dòng)功率驅(qū)動(dòng)裝置輸出端運(yùn)動(dòng)，從而驅(qū)動(dòng)前緣襟翼作動(dòng)線系運(yùn)動(dòng)。這一差動(dòng)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)是實(shí)現(xiàn)主-備驅(qū)動(dòng)無(wú)沖突耦合的關(guān)鍵——當(dāng)一側(cè)驅(qū)動(dòng)工作時(shí)，另一側(cè)可通過差動(dòng)機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)的獨(dú)立傳遞，避免兩套驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)之間的力紛爭(zhēng)。功率驅(qū)動(dòng)裝置掉壓制動(dòng)時(shí)，液壓制動(dòng)器能實(shí)現(xiàn)對(duì)前緣襟翼當(dāng)前位置的把持，并能將功率驅(qū)動(dòng)裝置輸出的角度位置和轉(zhuǎn)速信號(hào)反饋給前置ART（遠(yuǎn)程終端單元），用于系統(tǒng)閉環(huán)控制及狀態(tài)監(jiān)控。

（2）電機(jī)驅(qū)動(dòng)單元。電機(jī)驅(qū)動(dòng)單元接收前置ART的速度控制指令，驅(qū)動(dòng)電機(jī)啟/停、正轉(zhuǎn)/反轉(zhuǎn)，并實(shí)現(xiàn)要求的扭矩和轉(zhuǎn)速輸出。在非工作狀態(tài)下，電磁制動(dòng)器通電制動(dòng)，將電機(jī)輸出軸制動(dòng)并把持在當(dāng)前位置。電機(jī)驅(qū)動(dòng)單元具備故障處理及電磁制動(dòng)器狀態(tài)監(jiān)控功能。當(dāng)電機(jī)發(fā)生堵轉(zhuǎn)、順載工況或高速制動(dòng)時(shí)，通過完善的限流和緩沖保護(hù)策略，不會(huì)對(duì)應(yīng)急驅(qū)動(dòng)單元本身及機(jī)上電網(wǎng)造成沖擊和損壞。值得說明的是，備份電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)僅在正常液壓伺服模式失效后介入，僅起到應(yīng)急收放襟翼的作用，用于輔助飛機(jī)緊急起飛和降落，持續(xù)時(shí)間通常不超過2秒，因此幾乎可以忽略電機(jī)發(fā)熱量的影響?；谶@一短時(shí)工作制特點(diǎn)，電機(jī)本體、電機(jī)控制器及電磁制動(dòng)器均按電氣單余度配置，在保證功能可靠性的同時(shí)最大限度地控制了系統(tǒng)重量和成本。

（3）旋轉(zhuǎn)作動(dòng)器。旋轉(zhuǎn)作動(dòng)器兼具連接機(jī)體與襟翼的鉸鏈功能和驅(qū)動(dòng)襟翼運(yùn)動(dòng)的能力。它接收前級(jí)傳遞過來的扭矩和轉(zhuǎn)速，通過中心傳動(dòng)軸將轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩傳遞給下一個(gè)旋轉(zhuǎn)作動(dòng)器，實(shí)現(xiàn)多個(gè)作動(dòng)器之間的同步驅(qū)動(dòng)。同時(shí)，旋轉(zhuǎn)作動(dòng)器內(nèi)部的齒輪機(jī)構(gòu)（行星齒輪減速器）將高轉(zhuǎn)速降低、扭矩放大，以適配襟翼偏轉(zhuǎn)所需的大扭矩低速運(yùn)動(dòng)特性，實(shí)現(xiàn)襟翼的平穩(wěn)收放。

（4）傳動(dòng)軸組件。傳動(dòng)軸組件通過花鍵連接結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)各部件的機(jī)械耦合，軸向使用螺釘定位，具備連接系統(tǒng)功率驅(qū)動(dòng)裝置和旋轉(zhuǎn)作動(dòng)器以及連接各旋轉(zhuǎn)作動(dòng)器的功能。在各部件之間，傳動(dòng)軸組件負(fù)責(zé)傳遞扭矩和轉(zhuǎn)速，是確保多個(gè)旋轉(zhuǎn)作動(dòng)器同步輸出的關(guān)鍵機(jī)械傳動(dòng)環(huán)節(jié)。

3.4 三種工作模態(tài)的工作原理

旋轉(zhuǎn)式前緣襟翼作動(dòng)系統(tǒng)具有主工作、備份工作和把持工作三種工作模態(tài)，三種模態(tài)之間的平穩(wěn)可靠轉(zhuǎn)換是確保系統(tǒng)任務(wù)可靠性的關(guān)鍵。

（1）主工作模態(tài)。襟翼計(jì)算機(jī)發(fā)出主工作模態(tài)指令，功率驅(qū)動(dòng)裝置中的電磁閥上電，功能轉(zhuǎn)換閥打開，高壓油與電液伺服閥進(jìn)油口和液壓制動(dòng)器活塞腔接通，液壓制動(dòng)器解制動(dòng)。電液伺服閥根據(jù)指令信號(hào)向液壓馬達(dá)輸出相應(yīng)的流量，液壓馬達(dá)輸出與流量對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)速和扭矩，由扭力桿傳遞給旋轉(zhuǎn)作動(dòng)器。旋轉(zhuǎn)作動(dòng)器將扭矩和轉(zhuǎn)速通過行星齒輪機(jī)構(gòu)減速增扭后輸出，驅(qū)動(dòng)前緣襟翼偏轉(zhuǎn)至目標(biāo)角度。同時(shí)，功率驅(qū)動(dòng)裝置中的角位移傳感器向計(jì)算機(jī)反饋輸出位置信號(hào)，構(gòu)成位置閉環(huán)控制，確保襟翼偏轉(zhuǎn)角度的精確控制。

（2）備份工作模態(tài)。當(dāng)系統(tǒng)檢測(cè)到主工作模態(tài)故障后，襟翼計(jì)算機(jī)發(fā)出備份工作模態(tài)指令。功率驅(qū)動(dòng)裝置中的電磁制動(dòng)器通電解制動(dòng)，電機(jī)接收襟翼計(jì)算機(jī)指令信號(hào)，輸出與指令對(duì)應(yīng)的運(yùn)動(dòng)速度和扭矩，同時(shí)通過旋轉(zhuǎn)變壓器向襟翼計(jì)算機(jī)反饋轉(zhuǎn)子位置信號(hào)。旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)經(jīng)加法器（差動(dòng)機(jī)構(gòu)）、減速機(jī)構(gòu)減速增扭后輸出，由扭力桿傳遞給旋轉(zhuǎn)作動(dòng)器，旋轉(zhuǎn)作動(dòng)器驅(qū)動(dòng)前緣襟翼偏轉(zhuǎn)。功率驅(qū)動(dòng)裝置中的角位移傳感器持續(xù)反饋輸出位置信號(hào)，用于位置閉環(huán)控制。

（3）把持工作模態(tài)。當(dāng)功率驅(qū)動(dòng)裝置處于斷電、斷壓狀態(tài)時(shí)，掉壓制動(dòng)器和掉電制動(dòng)器分別把持液壓馬達(dá)和電機(jī)，功率驅(qū)動(dòng)裝置輸出端處于制動(dòng)保持狀態(tài)。該模態(tài)確保在系統(tǒng)掉電或液壓源喪失的極端工況下，前緣襟翼能夠被可靠地保持在當(dāng)前位置，防止襟翼在氣動(dòng)載荷作用下產(chǎn)生非指令偏轉(zhuǎn)，保障飛機(jī)飛行安全。

四、旋轉(zhuǎn)式前緣襟翼作動(dòng)系統(tǒng)仿真分析

4.1 系統(tǒng)主要技術(shù)參數(shù)與性能指標(biāo)

旋轉(zhuǎn)式前緣襟翼作動(dòng)系統(tǒng)的主要設(shè)計(jì)指標(biāo)包括：偏轉(zhuǎn)名義角度范圍為0°～30°；空載偏轉(zhuǎn)速度不低于28°/s；空載流量不大于75 L/min；額定載荷（即設(shè)計(jì)正常工況下的氣動(dòng)鉸鏈力矩）為16000 N·m；額定載荷下的偏轉(zhuǎn)速度不低于20°/s；最大工作載荷為30000 N·m；最大工作載荷下偏轉(zhuǎn)速度大于0°/s（即在大載荷工況下系統(tǒng)仍需具備驅(qū)動(dòng)襟翼運(yùn)動(dòng)的能力，不允許出現(xiàn)卡滯停滯現(xiàn)象）。

仿真模型的主要參數(shù)設(shè)置為：油液壓力28 MPa；伺服閥空載流量75 L/min；液壓馬達(dá)排量9 mL/r，容積效率0.9，機(jī)械效率0.87，額定轉(zhuǎn)速8000 r/min，空載轉(zhuǎn)速10000 r/min；電機(jī)額定功率8300 W，額定轉(zhuǎn)速8000 r/min，空載轉(zhuǎn)速12000 r/min，最大輸出力矩9.85 N·m；減速機(jī)構(gòu)總傳動(dòng)比1270:1，機(jī)械效率0.7。減速機(jī)構(gòu)的高傳動(dòng)比設(shè)計(jì)使得液壓馬達(dá)和電機(jī)的高轉(zhuǎn)速小扭矩輸出得以轉(zhuǎn)換為驅(qū)動(dòng)襟翼所需的低轉(zhuǎn)速大扭矩，是實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)緊湊化設(shè)計(jì)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。

4.2 主工作模態(tài)仿真分析

根據(jù)旋轉(zhuǎn)式前緣襟翼作動(dòng)系統(tǒng)的工作原理，在AMESim軟件平臺(tái)中建立系統(tǒng)的液壓-機(jī)械聯(lián)合仿真模型。模型綜合考慮電氣輸入指令、液壓源輸入和外部負(fù)載干擾等因素，對(duì)系統(tǒng)的各項(xiàng)功能和性能指標(biāo)進(jìn)行仿真分析。

（1）偏轉(zhuǎn)角度分析。系統(tǒng)在空載運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)的偏轉(zhuǎn)角度為29.86°，在帶載運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)偏轉(zhuǎn)角度為29.85°，均緊密吻合名義行程角度0°～30°的指標(biāo)要求?？蛰d與帶載工況下的角度差異僅為0.01°，表明系統(tǒng)在不同負(fù)載條件下具有優(yōu)異的角度控制一致性。

（2）額定速度分析。系統(tǒng)在額定載荷（16000 N·m）狀態(tài)下，正常模式運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)翼面下放的最大偏轉(zhuǎn)速度為22.59°/s，翼面收回的最大偏轉(zhuǎn)速度為22.58°/s，下放與收回速度幾乎一致，且均滿足系統(tǒng)額定偏轉(zhuǎn)速度不低于20°/s的指標(biāo)要求，并留有一定的性能裕度。

（3）最大載荷工況速度分析。系統(tǒng)在最大工作載荷（30000 N·m）下，正常模式運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)的偏轉(zhuǎn)速度為9.77°/s（逆載工況，即襟翼運(yùn)動(dòng)方向與氣動(dòng)載荷方向相反的最嚴(yán)酷工況），滿足最大載荷下逆載時(shí)運(yùn)轉(zhuǎn)速度大于0°/s的指標(biāo)要求，表明系統(tǒng)在極限載荷條件下仍有足夠的驅(qū)動(dòng)能力。

4.3 備份工作模態(tài)仿真分析

備份工作模態(tài)的仿真模型是在對(duì)其工作原理進(jìn)行分析的基礎(chǔ)上，利用Matlab/Simulink軟件對(duì)電機(jī)驅(qū)動(dòng)部分進(jìn)行獨(dú)立建模，分析其主要性能指標(biāo)，驗(yàn)證元部件的設(shè)計(jì)參數(shù)。

經(jīng)仿真驗(yàn)證，系統(tǒng)帶載運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)偏轉(zhuǎn)角度為29.95°，滿足名義行程角度0°～30°的指標(biāo)要求；系統(tǒng)在空載狀態(tài)下的偏轉(zhuǎn)速度為28.4°/s，滿足空載偏轉(zhuǎn)速度不低于28°/s的指標(biāo)要求；系統(tǒng)在額定載荷狀態(tài)下，正常模式運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)翼面逆載偏轉(zhuǎn)的最大偏轉(zhuǎn)速度為22.84°/s，滿足額定偏轉(zhuǎn)速度不低于20°/s的指標(biāo)要求；系統(tǒng)在最大工作載荷狀態(tài)下，翼面逆載偏轉(zhuǎn)的偏轉(zhuǎn)速度為9.6°/s，滿足最大工作載荷下偏轉(zhuǎn)速度大于0°/s的指標(biāo)要求。

通過主工作模態(tài)與備份工作模態(tài)仿真結(jié)果的對(duì)比分析可以得出，在空載和帶載工況下，旋轉(zhuǎn)式前緣襟翼作動(dòng)系統(tǒng)的偏轉(zhuǎn)角度、偏轉(zhuǎn)速度等各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)均滿足設(shè)計(jì)要求，且系統(tǒng)運(yùn)行過程平穩(wěn)，狀態(tài)良好。值得注意的是，備份工作模態(tài)下的各項(xiàng)性能指標(biāo)與主工作模態(tài)高度一致，表明電機(jī)備份系統(tǒng)能夠很好地替代液壓主系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)襟翼的可靠驅(qū)動(dòng)這一設(shè)計(jì)目標(biāo)，在保證基本功能的同時(shí)并未造成顯著的性能降級(jí)。

4.4 系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性能仿真分析

為全面評(píng)估系統(tǒng)的伺服控制品質(zhì)，從階躍特性、頻率特性和滯環(huán)特性三個(gè)維度對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行動(dòng)態(tài)性能仿真分析。

（1）階躍特性分析。在空載狀態(tài)下正常模式運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，以幅值為最大指令信號(hào)2%的階躍信號(hào)作為輸入指令測(cè)試系統(tǒng)的時(shí)域響應(yīng)特性。仿真結(jié)果顯示，系統(tǒng)輸出響應(yīng)的上升時(shí)間為0.311 s（上升時(shí)間定義為響應(yīng)從終值10%到終值90%所需時(shí)間）。這一結(jié)果表明系統(tǒng)具有良好的快速響應(yīng)能力，能夠在較短時(shí)間內(nèi)跟蹤指令變化，滿足襟翼位置伺服控制的實(shí)時(shí)性要求。

（2）頻率特性分析。設(shè)定輸入指令為正弦信號(hào)，幅值為最大指令信號(hào)的2%，系統(tǒng)載荷設(shè)定為額定載荷。當(dāng)正弦輸入信號(hào)的頻率逐漸增大，前緣襟翼作動(dòng)系統(tǒng)的位移幅值衰減到-3 dB（即幅值衰減至基準(zhǔn)值的70.7%）時(shí)，對(duì)應(yīng)的伺服控制頻寬為2.15 Hz，滿足控制頻率不低于2 Hz的指標(biāo)要求。這一頻寬意味著系統(tǒng)能夠?qū)? Hz以內(nèi)的指令擾動(dòng)進(jìn)行有效跟蹤，對(duì)于襟翼位置控制這一相對(duì)低頻的應(yīng)用場(chǎng)景而言具有充分的動(dòng)態(tài)響應(yīng)能力。

（3）滯環(huán)特性分析。設(shè)定測(cè)試指令波形為三角波，頻率為0.004 Hz，在全幅值輸入范圍內(nèi)循環(huán)（循環(huán)速度遠(yuǎn)低于系統(tǒng)動(dòng)態(tài)起作用的速度，以確保測(cè)得的是準(zhǔn)靜態(tài)滯環(huán)）。系統(tǒng)載荷設(shè)定為額定載荷，在加/卸載循環(huán)過程中記錄相同輸入量所對(duì)應(yīng)的輸出量，取二者之差的最大值作為滯環(huán)值。仿真結(jié)果表明，系統(tǒng)的滯環(huán)為33.7 mV（以反饋電壓表征），遠(yuǎn)低于前緣襟翼伺服控制滯環(huán)小于120 mV的指標(biāo)要求，說明系統(tǒng)具有良好的位置控制精度和較小的回程誤差，這對(duì)于襟翼角度的精確控制具有重要意義。

五、旋轉(zhuǎn)式前緣襟翼作動(dòng)系統(tǒng)可靠性優(yōu)勢(shì)分析

5.1 非相似冗余架構(gòu)的根本性安全提升

旋轉(zhuǎn)式前緣襟翼作動(dòng)系統(tǒng)采用“液主電備”的非相似冗余架構(gòu)，從系統(tǒng)設(shè)計(jì)層面實(shí)現(xiàn)了任務(wù)可靠性的根本性提升。所謂非相似冗余，是指?jìng)浞菹到y(tǒng)與主系統(tǒng)采用不同的工作原理、不同的能量來源和獨(dú)立的動(dòng)力傳遞路徑，從而消除了共因失效風(fēng)險(xiǎn)。這區(qū)別于雙伺服閥備份或電磁閥備份等相似冗余方案——后兩者雖然增加了冗余通道，但共用液壓能源或液壓馬達(dá)等關(guān)鍵部件，一旦這些共用部件發(fā)生故障，所有冗余通道將同時(shí)失效。

在本系統(tǒng)中，液壓主驅(qū)動(dòng)依賴飛機(jī)集中式液壓系統(tǒng)，電機(jī)備份驅(qū)動(dòng)依賴飛機(jī)供電網(wǎng)絡(luò)。這兩種能源系統(tǒng)在物理上是完全隔離的，液壓系統(tǒng)的失效（如液壓泵故障、管路破裂、油液泄漏等）不會(huì)蔓延至電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。反之，電氣系統(tǒng)的局部故障也不會(huì)影響液壓驅(qū)動(dòng)功能的正常運(yùn)行。當(dāng)機(jī)上液壓系統(tǒng)完全失效時(shí)，備份電機(jī)系統(tǒng)仍能獨(dú)立驅(qū)動(dòng)前緣襟翼完成應(yīng)急收放，確保飛機(jī)在緊急狀態(tài)下的起降安全。這種基于異質(zhì)能源的非相似冗余設(shè)計(jì)是實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)級(jí)高任務(wù)可靠性的關(guān)鍵技術(shù)手段。

5.2 模態(tài)轉(zhuǎn)換與故障診斷的可靠性保障

系統(tǒng)控制器實(shí)時(shí)執(zhí)行IFBIT功能，對(duì)電氣雙通道狀態(tài)、電液伺服閥電流電壓、運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)及左右舵面不對(duì)稱度等關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行連續(xù)監(jiān)控。一旦檢測(cè)到可能導(dǎo)致主工作模式失效的異常情況，控制器立即發(fā)出模態(tài)轉(zhuǎn)換指令，系統(tǒng)平穩(wěn)地從液壓主工作模態(tài)切換至電機(jī)備份工作模態(tài)。

模態(tài)轉(zhuǎn)換過程的平穩(wěn)性和可靠性是保障任務(wù)可靠性的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。在本系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，伺服模態(tài)電磁控制閥下電與電機(jī)電磁制動(dòng)器上電解制動(dòng)同步協(xié)調(diào)進(jìn)行，系統(tǒng)通過差動(dòng)機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)兩套驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的無(wú)沖突耦合，避免了切換過程中可能出現(xiàn)的力紛爭(zhēng)或運(yùn)動(dòng)沖擊。備份電機(jī)驅(qū)動(dòng)作為應(yīng)急收放手段，雖然工作時(shí)間短（不超過2秒），但足以完成襟翼的緊急收放動(dòng)作，輔助飛機(jī)安全降落。

5.3 多層級(jí)制動(dòng)與把持的安全兜底

系統(tǒng)在掉電掉壓的極端工況下，液壓制動(dòng)器和電磁制動(dòng)器同時(shí)作用，將液壓馬達(dá)和電機(jī)的輸出軸分別把持在當(dāng)前位置，確保功率驅(qū)動(dòng)裝置的輸出端處于可靠的制動(dòng)保持狀態(tài)。這一“雙保險(xiǎn)”把持機(jī)制有效防止了襟翼在氣動(dòng)載荷作用下的非指令偏轉(zhuǎn)，為系統(tǒng)提供了最后一道安全防線。即使在主驅(qū)動(dòng)和備份驅(qū)動(dòng)同時(shí)失效的最嚴(yán)重故障模式下，把持功能仍然能夠?qū)⒍婷婵煽康乇３衷诎踩恢?，避免襟翼失控?duì)飛機(jī)飛行安全造成的災(zāi)難性影響。

六、總結(jié)與展望

本文以帶電機(jī)備份的閥控液壓馬達(dá)式旋轉(zhuǎn)前緣襟翼作動(dòng)系統(tǒng)為介紹對(duì)象，圍繞飛機(jī)起降安全性的核心需求，系統(tǒng)開展了高任務(wù)可靠性方案設(shè)計(jì)與技術(shù)研究。通過雙伺服閥備份、電磁閥備份和“液主電備”三種方案的全面對(duì)比分析，從任務(wù)可靠性、重量、成本和基本可靠性等維度論證了“液主電備”方案的綜合優(yōu)勢(shì)，確定其為旋轉(zhuǎn)式前緣襟翼作動(dòng)系統(tǒng)的優(yōu)選方案。

在系統(tǒng)設(shè)計(jì)層面，本文詳細(xì)闡述了系統(tǒng)的組成構(gòu)造（功率驅(qū)動(dòng)裝置、傳動(dòng)軸組件、旋轉(zhuǎn)作動(dòng)器）、三大核心功能（液壓驅(qū)動(dòng)、電機(jī)備份驅(qū)動(dòng)、模態(tài)轉(zhuǎn)換）以及主工作、備份工作和把持工作三種模態(tài)的工作原理。通過建立AMEsim液壓-機(jī)械聯(lián)合仿真模型和Matlab/Simulink電機(jī)驅(qū)動(dòng)仿真模型，對(duì)系統(tǒng)在空載、額定載荷和最大工作載荷等多種工況下的偏轉(zhuǎn)角度、偏轉(zhuǎn)速度等關(guān)鍵性能指標(biāo)進(jìn)行了全面的仿真分析與驗(yàn)證。仿真結(jié)果表明，主工作模態(tài)和備份工作模態(tài)的各項(xiàng)指標(biāo)均滿足設(shè)計(jì)要求，系統(tǒng)響應(yīng)迅速、運(yùn)行平穩(wěn)、狀態(tài)良好。動(dòng)態(tài)性能仿真分析進(jìn)一步表明，系統(tǒng)的階躍響應(yīng)上升時(shí)間為0.311 s，伺服控制頻寬為2.15 Hz，滯環(huán)為33.7 mV，均滿足相應(yīng)的技術(shù)指標(biāo)要求，體現(xiàn)出優(yōu)異的伺服控制品質(zhì)。

在任務(wù)可靠性方面，“液主電備”非相似冗余架構(gòu)從根本上消除了液壓系統(tǒng)的共因失效風(fēng)險(xiǎn)，確保了即使在飛機(jī)液壓系統(tǒng)全部失效的極限情況下系統(tǒng)仍具備完整的驅(qū)動(dòng)能力；完善的故障檢測(cè)、模態(tài)轉(zhuǎn)換及多層級(jí)制動(dòng)把持機(jī)制為系統(tǒng)提供了全方位的安全兜底。這一解決方案有效提升了前緣襟翼作動(dòng)系統(tǒng)的任務(wù)可靠性，為保障飛機(jī)起降安全提供了堅(jiān)實(shí)的技術(shù)支撐。

展望未來，隨著多電飛機(jī)和全電飛機(jī)技術(shù)的持續(xù)演進(jìn)，前緣襟翼作動(dòng)系統(tǒng)將朝著更高功率密度、更深電氣化程度和更強(qiáng)智能化的方向發(fā)展。電靜液作動(dòng)器（EHA）和機(jī)電作動(dòng)器（EMA）等新型功率電傳作動(dòng)技術(shù)將逐步成熟并走向工程應(yīng)用，有望在進(jìn)一步提升系統(tǒng)可靠性的同時(shí)實(shí)現(xiàn)減重增效。同時(shí)，自適應(yīng)變彎度機(jī)翼等前沿技術(shù)也為未來襟翼作動(dòng)系統(tǒng)的智能化設(shè)計(jì)提供了新的技術(shù)路徑。本文所研究的“液主電備”架構(gòu)作為傳統(tǒng)液壓驅(qū)動(dòng)向全電驅(qū)動(dòng)演進(jìn)過程中的過渡性解決方案，既充分繼承了液壓驅(qū)動(dòng)成熟可靠的技術(shù)積累，又前瞻性地融入了電氣備份的冗余設(shè)計(jì)理念，對(duì)同類航空作動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與研制具有重要的參考價(jià)值和工程指導(dǎo)意義。

湖南泰德航空技術(shù)有限公司于2012年成立，多年來持續(xù)學(xué)習(xí)與創(chuàng)新，成長(zhǎng)為行業(yè)內(nèi)有影響力的高新技術(shù)企業(yè)。公司聚焦高品質(zhì)航空航天流體控制元件及系統(tǒng)研發(fā)，深度布局航空航天、船舶兵器、低空經(jīng)濟(jì)等高科技領(lǐng)域，在航空航天燃/滑油泵、閥元件、流體控制系統(tǒng)及航空測(cè)試設(shè)備的研發(fā)上投入大量精力持續(xù)研發(fā)，為提升公司整體競(jìng)爭(zhēng)力提供堅(jiān)實(shí)支撐。

公司總部位于長(zhǎng)沙市雨花區(qū)同升街道匯金路877號(hào)，株洲市天元區(qū)動(dòng)力谷作為現(xiàn)代化生產(chǎn)基地，構(gòu)建起集研發(fā)、生產(chǎn)、檢測(cè)、測(cè)試于一體的全鏈條產(chǎn)業(yè)體系。經(jīng)過十余年穩(wěn)步發(fā)展，成功實(shí)現(xiàn)從貿(mào)易和航空非標(biāo)測(cè)試設(shè)備研制邁向航空航天發(fā)動(dòng)機(jī)、無(wú)人機(jī)、靶機(jī)、eVTOL等飛行器燃油、潤(rùn)滑、冷卻系統(tǒng)的創(chuàng)新研發(fā)轉(zhuǎn)型，不斷提升技術(shù)實(shí)力。

公司已通過 GB/T 19001-2016/ISO 9001:2015質(zhì)量管理體系認(rèn)證，以嚴(yán)苛標(biāo)準(zhǔn)保障產(chǎn)品質(zhì)量。公司注重知識(shí)產(chǎn)權(quán)的保護(hù)和利用，積極申請(qǐng)發(fā)明專利、實(shí)用新型專利和軟著，目前累計(jì)獲得的知識(shí)產(chǎn)權(quán)已經(jīng)有10多項(xiàng)。湖南泰德航空以客戶需求為導(dǎo)向，積極拓展核心業(yè)務(wù)，與國(guó)內(nèi)頂尖科研單位達(dá)成深度戰(zhàn)略合作，整合優(yōu)勢(shì)資源，攻克多項(xiàng)技術(shù)難題，為進(jìn)一步的發(fā)展奠定堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

湖南泰德航空始終堅(jiān)持創(chuàng)新，建立健全供應(yīng)鏈和銷售服務(wù)體系、堅(jiān)持質(zhì)量管理的目標(biāo)，不斷提高自身核心競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)，為客戶提供更經(jīng)濟(jì)、更高效的飛行器動(dòng)力、潤(rùn)滑、冷卻系統(tǒng)、測(cè)試系統(tǒng)等解決方案。