Проекты участников финального этапа НТТМ-2017

← К списку проектов

Проект
Исследование и разработка быстродействующего электромеханического привода в исполнительных устройствах летательных аппаратов
НТТМ-2017-0627 | Категория II

Автор:

Саяхов Ильдус Финатович

Научный руководитель:
Исмагилов Флюр Рашитович
Организация:
Уфимский государственный авиационный технический университет,
Республика Башкортостан, Уфа
Цель работы
Предъявление высоких требований к перспективным пассажирским и транспортным самолетам, с точки зрения эксплуатационных показателей, экологичности и топливной эффективности, рождает ряд проблем, требующих поиска новых подходов к построению энергетической системы самолета. В связи с этим особую актуальность приобретает концепция большей электрификации бортовых систем, в частности систем управления аэродинамическими поверхностями, взлетно-посадочных устройств и др. Для систем управления данная концепция подразумевает использование электрической энергии в качестве основной энергии, питающей рулевые приводы. Как следствие, такой подход позволит исключить или минимизировать централизованную гидросистему самолета, что позволит, по некоторым данным, снизить полную взлетную массу, уменьшить потребление топлива и упростить техническое обслуживание.

Во время полета летательного аппарата под влиянием воздушных потоков управляемые аэродинамические поверхности испытывают воздействие переменных нагрузок. Под действием данных нагрузок в электромеханическом приводе исполнительных устройств (ЭПИУ), при условии жесткой фиксации выходного звена в мертвых точках, возникают большие механические напряжения, которые ведут к ускоренному износу механических компонентов привода, в частности шарико-винтовой пары (ШВП). Другой проблемой современных ЭПИУ является несоответствие жестким требованиям в плане эксплуатационной безопасности, обусловленное применением механического редуктора.
Поэтому задачей данной работы является устранение недостатков и улучшение энергетических и эксплуатационных характеристик ЭПИУ, которые необходимо рассматривать как в активном режиме, при котором тратится энергия на приведение в движение ходовой части, выполняющей работу по перемещению аэродинамической поверхности, так и в пассивном, при котором ходовая часть находится в определенном заданном положении и подвергается значительным механическим нагрузкам, обусловленным аэродинамическими силами.
Обзор предметной области
В настоящее время определены общая концепция построения, методы проектирования и конструирования ЭПИУ. Концепция построения системы электроприводов предполагает использование бесколлекторного электродвигателя с постоянными магнитами и датчиками положения ротора и тока (совместно с двухступенчатым редуктором или без него), предварительная ступень которого построена на основе зубчатых передач или волновых передач с телами качения и дискового волнообразователя, а выходная ступень может быть выполнена с вращательным или поступательным движением выходного звена и также построена на основе волновой передачи с телами качения, электромагнитной муфты сцепления и расцепления валов и датчиков положения выходного вала привода.

Современные ЭПИУ, выполненные на базе бесколлекторных двигателей постоянного тока, уже сейчас не уступают гидроприводам и даже превосходят их по ряду показателей. На ЛА замена гидравлических и пневматических систем на электроприводы, получающие питание от источников электрической энергии, позволит снизить вес силовой части системы управления полетом в ближайшие 5–7 лет на 20 %, а через 10–15 лет на – 40 %

Более высокими динамическими характеристиками, достаточными для использования в первичной системе управления полетом, обладают электрогидростатические приводы, являющиеся, по существу, электроприводами с «гидравлическим» редуктором. На самолете А380 электрогидростатические приводы используются в качестве резервных для отклонения внутренних и внешних секций руля высоты, средних и корневых элеронов (флаперонов). Это позволяет отказаться от третьей центральной гидросистемы, что обеспечивает уменьшение массы самолета на 450 кг [1]. На самолете F-35 в системе управления полетом используются только электрогидростатические рулевые приводы, получающие питание от источников электрической энергии, за счет чего полностью исключена центральная гидросистема самолета. Это позволяет уменьшить массу системы управления на 300 кг. Данный вид привода, требующий применения автономных гидросистем, является промежуточным конструктивным решением и в дальнейшем должен быть заменен на электромеханический привод.

ЭПИУ уже сейчас могут использоваться при отсутствии жестких требований к динамическим характеристикам, например, для приводов органов вторичной системы управления и системы управления механизации крыла

В результате анализа публикаций отечественных и зарубежных авторов можно выделить основные цели применения ЭПИУ в системе управления ЛА:
• реализация концепции полностью электрического самолета, в котором отсутствуют гидравлические системы с длинными гидромагистралями или более электрического самолета, в котором гидравлика используется для управления только энергоемкими механизмами и многие функциональные системы ЛА переведены на электрическую энергию;
• повышение топливной эффективности, энергоэффективности ЛА посредством применения ЭПИУ (электромеханические приводы механизации крыла, электрические приводы органов управления, электромеханические приводы выпуска/уборки шасси, электрический привод управления носовым колесом и т.д.). Применение ЭПИУ в данном случае объясняется такими факторами, как высокие массогабаритные показатели используемых гидроприводов, требующих применения сложной системы трубопроводов с трудной герметизацией, а также высокая уязвимость, обусловленная зависимостью от температуры и давления окружающей среды;
• разработки, связанные со снижением стоимости обслуживания ЛА и повышением надежности в эксплуатации систем управления ЛА. Использование ЭПИУ позволит повысить ремонтопригодность и резервируемость силовых систем ЛА.
Из анализа работ отечественных и зарубежных авторов можно сделать вывод, что в настоящее время в ЛА применяются несколько типов ЭПИУ:
• электроприводы, обеспечивающие вращательное движение исполнительного органа рабочей машины. Сюда же входят электромеханизмы с ограниченным углом поворота выходного вала; без ограничения угла поворота выходного вала и электромеханизмы качательного движения;
• электроприводы, которые обеспечивают поступательное линейное движение исполнительного органа рабочей машины.


В рамках концепции полностью электрического самолета ведущие зарубежные аэрокосмические фирмы Boeing, AiResearch, Lockheed, Rockwell проводили исследования по разработке ЭПИУ, продемонстрировавших свою конкурентоспособность и перспективность использования на пилотируемых и беспилотных ЛА:
- ЭПИУ внутреннего элевона орбитального самолета фирмы Honeywell,
- ЭПИУ внутреннего интерцептора самолета QSRA, секции руля направления самолета В-727,
- ЭПИУ элерона военно-транспортного самолета С-141 фирмы Lockheed,
- шарнирный ЭПИУ вращательного движения фирмы AiResearch для Лаборатории динамики полета ВВС США.
В России результатами научно-исследовательских работ по созданию ЭПИУ являются:
-рулевые ЭПИУ горизонтального оперения, руля направления, флаперонов, отклоняемых носков легкого маневренного ЛА;
-рулевые ЭПИУ для руля направления, элеронов и руля высоты тяжелого пассажирского самолета;
- ЭПИУ выпуска и уборки закрылков, предкрылков, тормозных щитков и сравнение их с гидравлическим приводом.
При этом к приводам ЛА пятого поколения предъявляются значительно более высокие требования по массогабаритным, статическим, динамическим и другим показателям.
Описание результатов проекта
В ходе работы над проектом были поданы 3 заявки на патент РФ. Основные результаты опубликованы в ведущих и зарубежных научных изданиях.

Научная новизна работы состоит в рассмотрении проблем создания быстродействующих электромеханических приводов органов управления летательных аппаратов и заключается в следующем:
-в анализе динамических параметров силовой части электропривода, на основании которого возможно получение выражения электромеханической постоянной времени и ускорения, в зависимости от параметров электродвигателя и редуктора;
-в исследовании способов повышения ресурса и надежности электропривода путем оптимизации геометрии механической части методами численного моделирования;
-в проведении оценки совместного влияния параметров электродвигателя и редуктора на динамические и массогабаритные параметры;
-в выполнении анализа динамических показателей разрабатываемого электропривода на имитаци-онной модели и экспериментальном образце в замкнутой системе регулирования, для подтверждения ре-зультатов исследований.

Проведены оценки величин аэродинамических сил в пассивном режиме работы ЭПИУ произведен расчет аэродинамических нагрузок, действующих на закрылок самолета Ту-154М.

На основании приведенных расчетов аэродинамических сил разработаны конструкции, обеспечивающие решение поставленных задач.

На кафедре электромеханики УГАТУ , разрабатываются конструктивные решения, позволяющие устранить наиболее распространенные недостатки электроприводов.
Возможным решением указанных проблем является конструкция, в которой реализованы пассивный и активный режимы работы электропривода. Данная схема обеспечивает повышение ресурса и эксплуатационной надежности ЭПИУ в пассивном режиме работы за счет возможности снятия выходного звена с положения мертвой точки на некоторый лимитированный диапазон отклонения и демпфирования в этом диапазоне вибраций и колебаний, возникающих от аэродинамических сил.
В схеме шарико-винтовая пара (ШВП) обеспечивает преобразование вращательного движения зубчатого колеса электродвигателя в поступательное движение винта ШВП. Данный режим работы является активным режимом для электропривода летательного аппарата. При этом винт ШВП на своем конце несет полезную нагрузку, например, управляет закрылком летательного аппарата. Система управления при подаче электрического тока на электродвигатель производит снижение подачи тока на электромеханические демпферы до минимального значения, при котором демпферы поглощают не более 0,5 % энергии в системе (что снижает их электромагнитное возбуждение), при этом ротор электромеханических демпферов вращается, но механическая энергия, поглощаемая ими, минимальна. Это обеспечивает развязку электромеханических демпферов и электродвигателя. Когда прекращается подача тока на электродвигатель, система управления подает номинальный ток на обмотки электромеханических демпферов, при этом электропривод летательного аппарата работает в пассивном режиме, в котором вся энергия, создающая поступательное движение или вибрации на выходном конце винта ШВП, обеспечивает вращение ротора электромеханических демпферов и поглощение ими энергии. То есть данная энергия не приводит к износу или разрушению электропривода летательных аппаратов, что обеспечивает снижение механических нагрузок в пассивном режиме работы электропривода и повышение тем самым его ресурса работы.
Однако демпфирование колебаний электромеханическими демпферами не всегда целесообразно, так как при больших механических нагрузках это может привести к увеличению массогабаритных показателей самих демпферов. Для решения этой проблемы имеется конструкция ЭПИУ, в которой предлагается применение гибкого соединения между ШВП и остальными компонентами привода в виде доработанной упругой компенсирующей муфты, доработка которой состоит в дополнительном оснащении диском из постоянных магнитов и сплошным медным диском. За счет этого доработанная муфта позволяет более эффективно демпфировать крутильные колебания по сравнению с обычной упругой муфтой. Предложенное гибкое соединение обладает малыми массогабаритными показателями по сравнению с электромеханическими демпферами при больших демпфируемых нагрузках, поэтому данная схема может быть применена в космических аппаратах, в которых помимо малых массогабаритных показателей требуется также обеспечить длительное время хранения системы при сравнительно малых ресурсах.
Работа рассматриваемого привода в активном режиме происходит следующим образом: при включении электродвигателя вращение передается через конический редуктор и упругую муфту на винт ШВП и преобразуется в поступательное движение гайки ШВП, являющейся выходным звеном электропривода. Позиционные датчики позволяют контролировать положение выходного звена в мертвых точках.
При пассивном режиме работы электропривода энергия, создающая поступательное движение или вибрации на гайке ШВП, переходит во вращательное движение винта ШВП и демпфируется в упругой муфте за счет вихревых токов в медном диске, обеспечивая гибкое соединение, которое позволяет системе колебаться. Таким образом происходит снижение механических нагрузок на ШВП, обусловленных аэродинамическими силами. Кроме того, вихревые токи, наводимые в медном диске, выделяют определенное количество теплоты пропорционально квадрату изменения частоты магнитного поля, что является полезным, так как на больших высотах вследствие влияния низких температур есть риск разрушения упругого элемента муфты. А применение электромагнитной муфты сухого трения позволяет произвести механическую развязку электродвигателя и ходовой части привода, что целесообразно с точки зрения повышения эксплуатационной безопасности.
Описание применимости
Прикладное значение:
-в разработке рекомендаций по улучшению массоэнергетических и динамических параметров силовой части электропривода для систем управления летательных аппаратов;
-в выявлении конструктивных особенностей, обеспечивающих повышение ресурса и надежности электропривода с использованием моделирования;
-в разработке методики анализа и оптимизации динамических и массовых параметров электропри-вода;
-в разработке электропривода на замену привода элеронов-интерцепторов РП-57 для Ту-154М, ди-намические свойства которого проверены математическим моделированием и экспериментальными иссле-дованиями.

Результаты проекта могут быть использованы на предприятиях связанных с самолетостроением, это будет очередным шагом к концепции полностью электрического самолета.
Дальнейшее развитие проекта
Наиболее перспективным типом приводов, позволяющих обеспечить надежную и эффективную эксплуатацию оборудования ЛА, в настоящее время являются ЭПИУ. Данное направление является частью реализации концепции электрификации самолета. При этом для повышения эффективности их использования в составе летательного аппарата необходимо решить ряд задач, таких как повышение надежности механической части ЭПИУ, создание плотных компоновок и конструкций, в которых одни детали выполняют разные функции одновременно в нескольких элементах. Необходимо расширить исследования по созданию ЭПИУ для управления объектом больших размеров, недостаточной жесткости и со значительной неравномерностью распределения внешней нагрузки, а также изучить возможности синтеза системы управления электроприводами и систем летательного аппарата. Кроме того, из представленного обзора видно, что существует ряд не решенных теоретических задач по исследованиям электроприводов. Другими словами для успешной реализации программ более электрического самолета необходимо расширить общую теоретическую базу по электроприводам. Для дальнейшей работы в данном направлении необходима разработка макетного образца электропривода, и проведение экспериментальных исследований.

Информация предоставлена участником конкурса. Организаторы конкурса не несут ответственности за содержание информации о проекте.

← К списку проектов




Список всех проектов финального этапа с датами защиты

 

© Всероссийский конкурс научно-технического творчества молодежи НТТМ