CC BY
272
п
I " л 1
Саяхов И. Ф. Sayakhov I. Е.
аспирант кафедры «Электромеханика», ФГБОУВО «Уфимский государственный авиационный технический университет», г. Уфа, Российская Федерация
Николаева А. Н. М^1аега А. N.
студент кафедры «Телекоммуникационные системы», ФГБОУ ВО «Уфимский государственный авиационный технический университет», г. Уфа, Российская Федерация
УДК 629.7.062
ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИЕ ПРИВОДЫ ДЛЯ УПРАВЛЕНИЯ АДАПТИВНЫМИ КРЫЛЬЯМИ ЛЕТАТЕЛЬНЫХ АППАРАТОВ
Для управления полетом современного самолета используется широкий набор аэродинамических поверхностей. Управление этими поверхностями производится различного рода силовыми приводами: гидравлическими, пневматическими и электрическими. Наиболее перспективными являются электроприводы ввиду их простоты конструкции и высоких массогабаритных показателей.
Усилия, необходимые для перемещения аэродинамической поверхности, для каждого самолета определяются площадью поверхности, скоростью, высотой полета и другими условиями.
Следует отметить, что основная масса несущей системы самолета и рулевых поверхностей сосредоточена в силовых приводах. Поэтому разработка простых электромеханических приводов с высокими массогабаритными показателями как замена гидравлическим системам является актуальной научно-технической задачей. В настоящее время электроприводы находят применение в системах управления положением самолета и механизацией крыла. Более широкое использование электроприводов ограничено вследствие необходимости обеспечения ресурса и надежности механической части электропривода, одним из решений данной проблемы является поглощение воспринимаемых аэродинамических нагрузок в фиксированном положении выходного звена.
Перспективным направлением в современном самолетостроении является применение адаптивного крыла с измененяемой формой и геометрией. Применение электроприводов с высокими энергетическими и массогабаритными показателями для управления адаптивными крыльями позволит снизить полетную массу и оптимизировать характеристики самолета.
Конструкция электропривода предполагает использование бесколлекторного электродвигателя с постоянными магнитами и датчиками положения совместно с двухступенчатым редуктором, электромагнитной муфтой и датчиками обратной связи. Однако электромеханические приводы имеют ряд недостатков, обусловленных низкой надежностью механического редуктора, наличием люфтов, а также возникновением высоких механических нагрузок под действием аэродинамических сил в пассивном режиме работы привода.
В разрабатываемом электроприводе критичным параметром является быстродействие, которое в основном определяется используемыми электродвигателем и редуктором.
Разработанная конструкция электропривода не уступает по своим энергетическим и массовым показателям зарубежным электрогидравлическим приводам и приводам-аналогам.
Ключевые слова: аэродинамические нагрузки, электромеханический привод, конструкция привода, адаптивное крыло, летательный аппарат.
Electrical facilmes and systems
ELECTROMECHANICAL ACTUATORS TO CONTROL ADAPTIVE COMPLIANT AIRCRAFT WINGS
A wide range of airfoil surfaces is used to control the flight of a modern aircraft. These surfaces are controlled by various power actuators: hydraulic, pneumatic, or electric. The latter are the most promising option thanks to their simple design and high mass-dimension value.
The effort required to move the airfoil surface is aircraft-specific and depends on the surface area, flight speed and altitude, and other factors.
Note that the power actuators represent the bulk of the airframe and control surfaces. That is why developing simple electromechanical actuators with higher mass-dimension values to replace the dominant hydraulic system is a topical scientific and technical problem. As of today, electric actuators are used to position the aircraft and control its high-lift devices. Use of such actuators is not being expanded because of the need to prolong the service life and improve the reliability of the mechanical portions of such actuator. One solution is to fix the position of the output arm and make it absorb aerodynamic loads taken.
Use of adaptive compliant wings with adjustable shape and geometry is a promising trend in modern aircraft building. Use of electric actuators with higher power and mass-dimension values to control adaptive compliant wings will reduce the flight weight and optimize the characteristics of the aircraft.
This electric actuator design implies using permanent magnet synchronous motors with position sensors, two-stage reducers, electromagnetic coupling, and feedback sensors. However, electromechanical actuators have a number of shortcomings due to less reliable mechanical gear, backlash, as well as high mechanical loads occurring under the effect of aerodynamic forces when the actuator operates in the passive mode.
For the electric actuator we are developing, the critical parameter is the actuator speed that mainly depends on the motor and the reducer in use.
The developed actuator design is not inferior to foreign-made electrohydraulic actuators and similar drives in terms of power and mass values.
Key words: aerodynamic forces, electromechanical actuator, actuator design, adaptive wing, aircraft.
Для управления полетом современного самолета используется широкий набор аэродинамических поверхностей (рисунок 1), для управления этими поверхностями применяются различного рода силовые приводы: гидравлические, пневматические и электрические. Наиболее перспективными в этом плане являются электроприводы ввиду простоты их конструкций и высоких массогаба-ритных показателей.
Усилия, необходимые для перемещения аэродинамической поверхности, для каждого самолета определяются площадью поверхности, а также режимами полета летательного аппарата.
Как видно из работы [1], электроприводы для управления рулевыми поверхностями самолета находят широкое применение и могут заменить гидравлические приводы, так как по своим параметрам они обеспечивают вполне конкурентные цифры. Так, при участии ФГУП «ЦАГИ» разработан и испытан линейный электропривод, предназначенный
для отклонения руля высоты самолета [2], в «МАИ» спроектирован электропривод руля направления вращательного и поступательного действия [3], в АО «Электропривод» разработаны несколько систем: электроприводы стабилизатора ЭПС-324 и триммирования ЭПТ-324 самолета Ту-324 [4]. В самолетах компании Embraer и Lockheed Martin применяются электроприводы стабилизатора.
Концепция построения системы электроприводов предполагает использование бесколлекторного электродвигателя с постоянными магнитами и датчиками положения совместно с двухступенчатым редуктором, электромагнитной муфтой и датчиками обратной связи. Однако электромеханические приводы имеют ряд недостатков: невысокая надежность механического редуктора, наличие люфтов, а также возникновение высоких нагрузок, обусловленных аэродинамическими силами в пассивном режиме работы привода.
Electrical and data processing facilities and systems. № 1, v. 13, 2017
На кафедре электромеханики Уфимского государственного авиационного технического университета разработаны конструктивные схемы, обеспечивающие повышение надежности и ресурса электропривода за счет снижения механических напряжений в пассивном режиме работы. В первом варианте (рисунок 2, а) снижение нагрузок осуществляется за счет демпфирования колебаний в пассивном режиме при помощи электромеханических демпферов, а во втором (рисунок 2, б) — при помощи упругой муфты. При этом компенсация электромеханическими демпферами не всегда нецелесообразна, так как для демпфирования больших механических нагрузок необходимы электромеханические демпферы с большими массогабаритными показателями.
На рисунке 2, а: 1 — корпус; 2 — шарико-винтовая пара; 3 — гайка шарико-винтовой пары, выполненная в виде двухстороннего конического зубчатого колеса; 4 — винт шарико-винтовой пары; 5 — упорный подшипник; 6 — электродвигатель; 7 — датчик положения ротора; 8 — система управления; 9 — электромеханические демпферы; 10 — зубчатые колеса; 11 — вал электродвигателя; 12 — коническое зубчатое колесо.
На рисунке 2, б: 1 — электродвигатель; 2 — датчики положения выходного звена; 3 — корпус; 4 — шарико-винтовая пара; 5 — гайка шарико-винтовой пары; 6 — винт шарико-винтовой пары; 7 — электромагнитная муфта сухого трения; 8 — аксиальный подшипник; 9 — упругая муфта.
Рисунок 1. Необходимые усилия для перемещения аэродинамических поверхностей
магистрального самолета
/
а) б)
Рисунок 2. Конструктивные схемы электроприводов: с применением электромеханических демпферов (а), с применением упругой муфты (б)
Разработанный на основе предложенных конструктивных схем эскизный проект электропривода, представленный на рисунке 3, можно масштабировать на любые энергетические характеристики с соизмеримым увеличением массогабаритных показателей, а также сохранением параметров по быстродействию.
На рисунке 3: 1 — электродвигатель; 2 — коническо-цилиндрический редуктор; 3 — электромагнитная тормозная муфта; 4 — упругая муфта; 5 — гайка шарико-винтовой пары; 6 — винт шарико-винтовой пары; 7 — датчики положения выходного звена; 8 — выходное звено.
В разрабатываемом электроприводе критичным параметром является быстродействие, которое, в основном, определяется электродвигателем.
Разработанная конструкция электропривода не уступает по своим энергетическим и массовым показателям зарубежным электрогидравлическим приводам и приводам-аналогам и имеет быстродействие, соизмеримое с их показателями (таблица 1).
Электромеханические приводы с регулируемым электродвигателем и механическим редуктором применяются на самолётах:
— А-380 — для отклонения предкрылков и стабилизатора;
— Boeing 787 — приводы спойлеров и тормозов шасси;
— Ту-204 — приводы перемещения предкрылков и закрылков;
— АН-70 — приводы для выпуска и уборки закрылков;
— Ту-324 — привод стабилизатора и привод триммирования и регулирования загрузки рычагов систем управления.
Одной из перспектив развития в управлении самолетом на данный момент является улучшение характеристик крыла за счет выполнения механизации в виде единых элементов, в котором носовые и хвостовые части выполняются отклоняемыми, без ухудшения аэродинамического качества.
Деформируемая бесшовная поверхность создается с применением материалов, используемых в аэрокосмической отрасли: алюминия, титана, волоконно-армированных полимерных композитов. При этом поверхность может перемещаться вверх или вниз в потоке встречного воздуха. На рисунке 4 показаны сечения аэродинамического профиля адаптивного крыла в различных положениях: при отклонении вверх, нейтральном положении и отклонении вниз.
V_у
Рисунок 3. Конструкция электропривода
Таблица 1. Сопоставление параметров разработанной конструкции электропривода с другими типами приводов
Разработанная конструкция UTC Aerospace (установлены на F-35) EBHA Liebherr (установлены на А-330) МАИ (ММЗ Рассвет) АО «Электропривод»
Масса , кг 17 48 48 20 2,7
Скорость, мм/с 120-134 90-110 90-110 91 10
Усилие, Н 15000 65000 70000 4600 3920
40 -
Electrical and data processing facilities and systems. № 1, v. 13, 2017
1 — жесткая конструкция; 2 — гибкая обшивка Рисунок 4. Сечения аэродинамического профиля адаптивного крыла в различных положениях
Данная технология применяется в самолетах фирмы Airbus в крыле с управляемой кривизной, на самолётах Boeing 787 для изменения кривизны задней части профиля крыла, в самолете Boeing X-53 по программе активного аэроупругого крыла. Разработками адаптивного крыла занимается компания FlexSys. Данной технологией был оснащён экспериментальный Gulfstream III.
Преимуществами адаптивных крыльев являются:
— экономия топлива за счет выигрыша в аэродинамическом качестве;
— снижение шума летательного аппарата из-за отсутствия щелей в механизации;
— высокая надежность (отсутствие подвижных частей в механизме изменения формы);
— снижение веса — масса самого крыла снижается за счет отказа от большого количества приводов;
— высокая эффективность управления аэродинамическими плоскостями при помощи электроприводов.
Существует несколько концепций адаптивных крыльев [5-7]. На рисунке 5 представлена одна из существующих конструкций. Основной задачей является нахождение конструкции, способной деформироваться и одновременно выдерживать аэродинамические нагрузки. Решение данной задачи заключается в разработке многопрофильной поверхности, которая состоит из жестких и гибких сегментов. При этом получается структура, которая остается эластично стабильной под действием внешних аэродинамических нагрузок.
В гибкой части имеется несколько последовательных блоков, соединенных друг с другом посредством шарниров, расположенных на линии аэродинамического профиля и управляемых электроприводами.
2 — нервюры с гибкими задними кромками;
Рисунок 5. Концепция адаптивного крыла
Выводы
Подводя итог, следует отметить, что основная масса несущей системы самолета и рулевых поверхностей сосредоточена в силовых приводах. Поэтому разработка простых электромеханических приводов с высокими массогабаритными показателями на замену преобладающим гидравлическим системам является актуальной научно-технической задачей. В настоящее время электроприводы находят применение в системах управления положением самолета и механизацией крыла. Более широкое использование электроприводов в данном направлении задерживается из-за необходимости обеспечения ресурса и надежности механической части электропривода. Одним из решений данной проблемы является поглощение воспринимаемых аэродинамических нагрузок при фиксированном положении выходного звена.
Перспективным направлением в современном самолетостроении является применение адаптивного крыла с измененяемой формой и геометрией. Применение электроприводов с высокими энергетическими и массогабаритными показателями для управления адаптивными крыльями позволит снизить полетную массу и оптимизировать характеристики самолета.
Список литературы
1. Jensen S.C., Jenney G.D., Raymond B., Dawson D. Flight Test Experience with an Electromechanical Actuator on the F-18 Systems Research Aircraft // 19th Digital Avionics Systems Conference, October 7-13, 2000. 2000, Philadelphia, Pennsylvania.
2. Билялетдинова Л.Р., Стеблинкин А.И. Математическое моделирование электромеханического рулевого привода с шариковин-товой передачей с учетом нелинейности типа сухое трение и люфт // Электрификация летательных аппаратов: тр. науч.-техн. конф. М.: ИД Академии Жуковского, 2016. 332 с.
3. Кузьмичев Р.В., Ситин Д.А., Степанов В.С. Исполнительные механизмы петлеобразной формы для приводов самолетов с повышенным уровнем электрификации // Труды МАИ. 2011. № 45. С. 1-18.
4. Ерохин Д.В., Волокитина Е.В., Рубцова Л.А. Электропривод в системах уборки-выпуска и управления взлетно-посадочных устройств // Электроника и электрооборудование транспорта. 2013. № 3. С. 40-44.
5. Thill C., Etches J., Bond I., Potter K., Weaver P. Morphing skins // The aeronautical journal. March, 2008. Paper No. 3216.
6. Brailovski V., Terriault P., Georges T., Coutu D. SMA Actuators for Morphing Wings Physics Procedia. December, 2010. P. 197-203.
7. Schorsch O., Luhring A., Nagel C., Pecora R., Dimino I. Polymer based morphing skin for adaptive wings // 7th ECCOMAS Thematic Conference on Smart Structures and Materials.
References
1. Jensen S.C., Jenney G.D., Raymond B., Dawson D. Flight Test Experience with an Electromechanical Actuator on the F-18 Systems Research Aircraft // 19th Digital Avionics Systems Conference, October 7-13, 2000. 2000, Philadelphia, Pennsylvania.
2. Biljaletdinova L.R., Steblinkin A.I. Matematicheskoe modelirovanie jelektrome-hanicheskogo rulevogo privoda s sharikovintovoj peredachej s uchetom nelinejnosti tipa suhoe trenie i ljuft // Jelektrifikacija letatel'nyh appa-ratov: tr. nauch.-tehn. konf. M.: ID Akademii Zhukovskogo, 2016. 332 s.
3. Kuz'michev R.V., Sitin D.A., Stepanov VS. Ispolnitel'nye mehanizmy petleobraznoj formy dlja privodov samoletov s povyshennym urovnem jelektrifikacii // Trudy MAI. 2011. № 45. S. 1-18.
4. Erohin D.V., Volokitina E.V., Rubcova LA. Jelektroprivod v sistemah uborki-vypuska i upravlenija vzletno-posadochnyh ustrojstv // Jelektronika i jelektrooborudovanie transporta. 2013. № 3. S. 40-44.
5. Thill C., Etches J., Bond I., Potter K., Weaver P. Morphing skins // The aeronautical journal. March, 2008. Paper No. 3216.
6. Brailovski V., Terriault P., Georges T., Coutu D. SMA Actuators for Morphing Wings // Physics Procedia. December, 2010. S. 197-203.
7. Schorsch O., Luhring A., Nagel C., Pecora R., Dimino I. Polymer based morphing skin for adaptive wings // 7th ECCOMAS Thematic Conference on Smart Structures and Materials.
Electrical and data processing facilities and systems. № 1, v. 13, 2017
