一种具有电传/机械/旁通三模式切换功能的机械备份电液伺服作动器方案设计

大型飞机主飞行操纵面作动系统是保障飞行安全的关键子系统，其可靠性直接关系到飞机的飞行安全。本文以提升大型飞机主飞行操纵面作动系统可靠性为目标，在系统分析国内外大型飞机主飞控系统电液伺服作动器工作原理的基础上，设计了一种以伺服阀控制为主工作模式、机械操纵为备份工作模式的机械备份电液伺服作动器。该作动器采用电气及液压双余度设计，具备电传控制、机械控制和旁通浮动三种工作模式，能够确保飞机在电传系统失效后仍能通过机械操纵控制舵面动作。

一、电液伺服系统发展概述

大型飞机一般指最大起飞重量超过100吨、最大载重航程3000公里以上的运输类飞机，包括军用及民用大型运输机。该类飞机的飞行要求具备极高的安全性，对能够保障飞机飞行安全的主飞行操纵面——即副翼、方向舵和升降舵——的电液伺服作动系统可靠性要求相当高。主飞行控制作动器是飞机飞行控制系统中的安全关键元件，其性能直接决定了飞机的操纵品质与飞行安全。

飞机操纵系统经历了从机械操纵到电传操纵的发展历程。早期民用飞机及大型运输机飞行控制采用机械操纵方式，利用机械杆系控制液压助力器驱动舵面动作，直接操纵飞机姿态。20世纪80年代，首架A320客机首次采用了全电传操纵系统，标志着大型飞机正式进入电传操纵时代。然而，考虑到电传操纵可能因外界环境干扰等情况出现控制失效，加之长期以来机械操纵系统形成的高可靠性优势，大型飞机的主飞行操纵面作动系统即使在采用电传控制为主控制模式的情况下，通常都设计有机械备份控制，从而保障民用飞机在电传失效后能安全着陆，军用运输机在电传失效后能够继续执行和完成任务。

电液伺服系统作为现代工业控制领域的关键技术，将电子控制的灵活性与液压系统的高功率密度完美结合，形成了一种响应速度快、控制精度高的闭环控制系统。在航空航天领域，电液伺服系统的重要性尤为突出。目前，飞机主飞控作动器主要基于电液作动器或电静液作动器。随着多电飞机技术的发展，电静液作动器在飞机作动系统中的应用越来越广泛。但受限于功重比等因素，电作动器与传统液压作动器相比仍存在差距，大型飞机主飞控作动系统仍以电液伺服作动器为主导方案。

因此，开展大型飞机机械备份电液伺服作动器的设计与研究，对于提升我国大型飞机主飞控系统的可靠性、保障飞行安全具有重要的理论意义和工程应用价值。

二、电液伺服系统的趋势与研究进展

2.1 电液伺服作动系统的发展趋势

当前飞机液压和作动系统正朝着多电化和功率电传作动的核心方向演进。功率电传技术是未来全电飞机发展须攻克的难点，其中具有集成化优势的小型高效电静液作动器是功率电传技术领域的一项重要内容。多电、全电飞机的发展使飞机飞行作动系统由传统的液压伺服作动器发展到电动静液作动器、机电作动器以及组合式集成作动器——即电备份液压作动器。未来高超声速飞机作动能源架构将以电液混合形式发展，即以电能作为主能源形式，液压能作为子网能源。

在作动器技术演进方面，主要形成了两种技术路线：机电作动器和电动静液作动器。电静液作动器采用泵控容积调速原理，通过精确控制伺服电机的旋转方向和转速，直接调节双向柱塞泵的流量输出，进而控制执行机构的运动方向和速度。这种直接的能量转换方式避免了传统阀控系统中节流损失大的缺点，系统效率通常可提高30%以上。而机电作动器则采取了更为彻底的电气化方案，通过电机驱动滚珠丝杆等传动装置实现位移输出。尽管如此，在大型飞机主飞控作动领域，电液伺服作动器凭借其高功率密度和成熟的技术体系，仍占据主导地位。

2.2 国内外研究进展

在电液伺服作动器研究领域，国内外学者开展了大量卓有成效的工作。国际上，空客公司与波音公司在其主力机型上广泛应用了电液伺服作动技术。SAE AIR6353标准系统阐述了电静液作动器及其衍生型电动备份液压作动器在航空器中的应用，填补了飞行控制作动系统架构设计的技术空白。A380和B787等先进机型已应用电静液作动器、机电作动器和电备份液压作动器驱动飞控舵面。

国内方面，北京航空航天大学等高校和研究机构针对大型飞机主飞控作动系统开展了电静液作动器的建模和模式切换分析研究。研究表明，多模式电静液作动器在精度、带宽和带载能力方面满足性能要求，在不同工作模式之间切换的响应时间均小于指标要求。此外，针对双余度电静液作动器的同步控制技术也取得了重要进展，双余度电静液作动器通过冗余设计实现了更高的可靠性和容错能力。在先进飞机作动系统控制技术方面，双余度电静液作动系统的主-主工作模式控制技术研究表明，位置环控制误差可小于±0.02mm，载荷分配精度可提高至97%以上。

在综述性研究方面，关莉、廉晚祥等学者系统介绍了电静液作动器的优势及国内外发展现状，描述了高可靠高速液压泵设计、高效大功率伺服控制器设计、高功重比电机技术等关键难点。这些研究成果为大型飞机电液伺服作动器的设计与优化提供了重要的理论基础和技术支撑。

三、机械备份电液伺服作动器应用

3.1 波音747飞机升降舵作动系统

波音747飞机在升降舵作动系统中保留了机械控制方式。该型号飞机升降舵分为内侧和外侧两部分，电传控制工作模式下两块升降舵舵面均由升降舵电液伺服作动器接收来自控制器的指令信号进行驱动。同时，作动器都具备机械备份操纵功能，能够接收来自驾驶舱的机械操纵指令，通过机械操纵连杆控制作动器动作。这种设计确保了在电传系统失效的情况下，飞行员仍能通过机械链路实现对升降舵的基本控制。

3.2 空客A320飞机副翼伺服作动器

空客A320飞机作为首款采用全电传操纵系统的民用客机，其副翼伺服作动器具备机械控制功能。该作动器设计有电传和机械两种工作模式，即使在电传控制失效情况下，仍能通过机械操纵控制伺服阀驱动作动器动作，从而保持对舵面的控制。这一设计理念充分体现了电传操纵系统中机械备份的必要性和有效性，为后续大型飞机飞控作动系统的设计提供了重要参考。

3.3 国内大型飞机副翼作动系统

国内某大型飞机副翼作动系统也采用了以电传控制为主工作模式、机械操纵为备份的方案设计。作动器采用液压双余度设计，集成控制模块中的伺服阀设计有机械输入接口，系统具备电液位置伺服控制及机液位置伺服控制功能。国产大型运输机运20的备份机械飞控系统的成功试飞，标志着该型飞机机械备份系统试飞完美收官，也标志着飞机操纵、品质、安全等重要指标的验证工作顺利。这一实践充分证明了机械备份方案在大型飞机主飞控系统中的可行性与可靠性。

四、机械备份电液伺服作动器设计

4.1 设计目标与总体方案

在分析和研究国内外大飞机上已成熟应用的作动器工作原理基础上，本文以提升大型飞机主飞行操纵面作动可靠性为目标，开展新型机械备份电液伺服作动器方案设计。该作动器具有电传控制和机械控制两种控制方式，采用电气及液压的双余度设计，能够接收来自机上两套液压系统的动力。

作动器正常情况下在电传控制模式下工作，机械操纵作为备份，在电传控制失效后转为机械控制模式。控制模式切换的电磁阀（ESOV、MSOV）、电传控制模式下控制系统流量的电液伺服阀（EHSV）以及驱动舵面的液压作动筒均采用机械结构上的双余度设计，以提高作动器工作可靠性。该设计方案体现了非相似余度的设计理念——电传与机械两种本质上不同的控制方式互为备份，有效避免了共模故障的风险。

4.2 作动器结构组成

该机械备份电液伺服作动器主要由以下核心部件组成：

（1）电液伺服阀（EHSV）：电传控制模式下的核心控制元件，负责将控制器输出的电信号转换为液压流量输出。伺服阀内部包含力矩马达、喷嘴挡板等先导级和主滑阀功率级，力矩马达接收来自控制器的电信号产生微小的机械位移，驱动先导级从而精确控制主滑阀阀芯的移动。

（2）主控制阀（MCV）：作动器的主流量控制阀，在电传模式和机械模式下均由阀芯位移控制进入作动筒油液的流量和流向。在电传模式下，由电液伺服阀驱动MCV阀芯动作；在机械模式下，由驾驶员的机械操纵输入直接控制MCV阀芯位移。

（3）模式切换阀：包括电传模式切换阀（EMCV）和机械模式切换阀（MMCV），分别由电传模式电磁阀（ESOV）和机械模式电磁阀（MSOV）控制，用于实现工作模式的切换及故障隔离。

（4）液压作动筒：驱动舵面动作的执行元件，将液压能转换为机械能。作动筒内部集成线位移传感器（LVDT），实时监测作动筒位移并将信号反馈至系统控制器。

（5）浮动阻尼阀（FDV）：在旁通浮动模式下接通作动筒两个负载口与液压系统油箱，使作动筒活塞能够随外负载自由浮动。

（6）液压锁：在机械控制模式下锁紧，接入机械操纵输入；在电传控制模式下解锁，切断机械操纵输入。

4.3 工作原理与三种工作模式

（1）电传控制模式

作动器正常工作处于电传控制模式下。首先，机械模式电磁阀MSOV通电，高压油液流动至机械模式切换阀MMCV，在液压力作用下MMCV打开，高压油液流动至电传模式电磁阀ESOV。而后ESOV通电，控制电传模式切换阀EMCV打开，控制液压锁解锁切断机械操纵输入，并经过梭阀比较控制浮动阻尼阀FDV打开，接通主控制阀MCV与作动筒之间油路，同时高压油液到达电液伺服阀EHSV入口。

油路接通后，控制器向电液伺服阀EHSV发送伺服控制指令，由EHSV驱动主控制阀MCV阀芯动作，控制进入作动筒油液的流量和流向，进一步驱动舵面动作。与此同时，作动筒内部的线位移传感器LVDT将作动筒位移反馈至系统控制器，形成电液位置伺服控制系统。这种闭环控制结构使系统能够自动修正误差，达到精确控制的目的。

（2）机械控制模式

当电传控制模式故障失效后，作动器切换至机械控制模式。MSOV及ESOV断电，机械模式切换阀MMCV复位，高压油液通过MMCV经梭阀选择后进入FDV控制腔，FDV打开接通主控制阀MCV与作动筒之间油路。同时电传模式切换阀EMCV复位，液压锁控制腔油液与系统低压回油接通，液压锁上锁，接入作动器机械操纵输入。

驾驶员通过机械操纵杆控制主控制阀MCV阀芯位移及运动方向，进一步控制进入作动筒油液的流量和流向，从而驱动舵面动作。同时，作动筒位移量通过机械反馈杆反馈至MCV阀芯处，形成机液位置伺服控制系统。机械控制模式不依赖任何电气信号，完全依靠机械链路和液压动力实现舵面控制，从根本上避免了电气系统故障的影响。

（3）旁通浮动模式

当MSOV通电、ESOV断电时，作动器进入旁通阻尼模式。此时浮动阻尼阀FDV复位，作动筒两个负载口通过FDV与液压系统油箱相沟通，作动筒活塞能够随外负载自由浮动。该模式主要用于特定工况下的舵面卸载或系统维护，允许舵面在外力作用下自由偏转而不受作动器约束。

五、作动器仿真建模与性能分析

5.1 作动器仿真模型

根据机械备份电液伺服作动器工作原理，利用Simulink建立其作动系统模型，并对其动态性能进行仿真分析。

在Simulink环境下建立作动系统仿真模型，模型中电液伺服阀是将电信号转换为液压流量输出的核心元件。由于液压系统固有频率与伺服阀频宽相近，工程上通常将电液伺服阀的传递函数近似为二阶振荡环节。该作动器采用PID控制策略，控制部分采用PI环节和比例环节，能够得到较好的系统稳定性并便于性能调节。此外，系统将流量控制及舵面受到的外部负载集成到流量控制方程模块中，该模块输入为伺服阀指令信号以及作动系统舵面气动载荷，输出为电液伺服阀流量。伺服阀控制作动筒动作，再经过积分环节后输出为舵面位移，同时通过反馈通道将输出位移反馈至控制器前端，与输入位置指令信号进行比较得到偏差信号。

在Simulink中输入作动器各部件设计参数，仿真得到系统动态特性。

5.2 作动器性能仿真验证

仿真结果表明，在全行程10%位置控制信号输入条件下，系统幅值衰减至-3dB时频宽能够达到4.83Hz，相位滞后85°。这一频宽指标表明作动器具备良好的动态响应能力，能够有效跟随飞行控制系统的高频指令。系统具有良好的动态性能，满足大型飞机对飞行控制系统的需求。

从控制精度角度来看，位置环控制误差在合理范围内，系统能够在各种工况下保持稳定的位置输出。从模式切换性能来看，作动器在电传控制模式与机械控制模式之间的切换响应时间满足设计要求，切换过程中液压缸运行平稳。这些性能指标验证了多模式作动器的系统性能，有助于提升作动器的可靠性及飞机飞行控制系统的安全性。

仿真结果充分证明了该机械备份电液伺服作动器方案在动态性能上的可行性和有效性，为工程应用提供了重要的数据支撑。

六、湖南泰德电液伺服技术与创新

湖南泰德航空技术有限公司（以下简称“泰德航空”）自2012年成立以来，持续专注于航空航天流体控制领域的技术研发与工程应用。公司总部位于湖南省长沙市，生产基地设在株洲市动力谷中南高科智能制造产业园，构建了集研发、生产、检测、测试于一体的全链条产业体系。公司已通过GB/T 19001-2016/ISO 9001:2015质量管理体系认证，累计获得10余项发明专利、实用新型专利及软件著作权。

6.1 电液伺服系统的核心技术积累

泰德航空在电液伺服系统领域拥有深厚的技术积累。公司深刻理解电液伺服系统各核心部件的设计要求与制造工艺，涵盖电液伺服阀、液压执行机构、反馈传感器、控制器和液压动力单元等关键环节。在电液伺服阀方面，泰德航空在高品质低粘度流体控制领域的技术积累为高性能伺服阀的开发提供了坚实基础。在液压执行机构方面，公司深刻理解航空领域对执行机构在高低温、振动、冲击等极端环境下可靠工作的严苛要求。在控制系统方面，公司拥有的多项软件著作权体现了其在控制系统软件开发方面的实力。

泰德航空的核心业务涵盖航空发动机燃油、润滑、环控系统的创新研发。公司开发的电液比例伺服加载系统、电磁阀低温液压试验系统等非标自动化智能装备，展示了其在高端作动系统领域的技术能力。

6.2 产学研协同与自主创新

泰德航空注重产学研协同创新，与中国航发、中航工业、中国航天科工、中科院、国防科技大学、中国空气动力研究与发展中心等国内顶尖科研单位达成深度战略合作。公司凭借十余年在航空航天流体控制领域的技术积累，成功开发出具有自主知识产权的EHA系列产品，为我国高端装备制造业提供了可靠的技术支撑。

在可靠性设计方面，泰德航空针对航空作动器需在极端温度、振动和高空压力环境下承受高频次、高幅值交变载荷的工况，开展了系统的可靠性增强设计理论与健康预测管理方法研究。公司开发的Ai预警系统能够基于历史数据预测部件失效趋势并提前预警，为电液伺服系统的全生命周期健康管理提供了先进的技术手段。

6.3 国产化替代与行业贡献

泰德航空致力于推动包括电液伺服系统在内的航空航天流体控制元件的国产化进程。公司在液压油源系统、超高压液压设备等方面造诣深厚，其技术实力与电液伺服系统的应用密不可分。

从航空非标测试设备制造起步，泰德航空逐步发展成为各类航空发动机和eVTOL等飞行器燃油系统、润滑系统和环控系统的创新型高科技研发公司。这一发展历程深刻反映了电液伺服技术在航空领域的广泛应用和持续进化。公司的技术创新与工程实践，为我国大型飞机主飞控作动系统电液伺服作动器的自主设计与研制提供了重要的产业技术支撑。

七、总结与展望

7.1 研究总结

本文以提升大型飞机主飞行操纵面作动系统可靠性为目标，在分析研究国内外典型机械备份电液伺服作动器工作原理的基础上，完成了电传控制为主、机械操纵为备份的非相似余度机械备份电液伺服作动器方案设计，并分析了作动器在电传控制模式、机械控制模式和旁通浮动模式下的控制逻辑与反馈机制；利用Simulink建立基于PID 控制策略的作动器仿真模型并对其动态性能进行了仿真模拟，结果表明该作动器在全行程10% 位置控制信号输入下频宽可达4.83Hz，具备良好动态性能，满足大型飞机主飞行控制系统的使用要求，为大型飞机主操纵面作动器的设计提供了实用参考。

7.2 未来展望

展望未来，大型飞机主飞控作动系统电液伺服作动器的发展将呈现以下趋势：

（1）更高的集成化与智能化：随着微电子技术、传感技术和智能控制算法的不断发展，电液伺服作动器将向更高度的集成化方向发展，将控制、驱动、传感、健康管理等功能集成于一体。智能故障诊断与预测能力将成为作动器的重要技术特征。

（2）多电化与混合能源架构：飞机能源架构将以电液混合形式发展，电静液作动器和机电作动器将在更多舵面得到应用。但传统电液伺服作动器凭借其高功率密度优势，仍将在主飞控作动领域长期占据重要地位。

（3）更高可靠性设计：随着适航标准的不断提高，作动器的可靠性设计将更加深入。非相似余度设计、多余度架构、故障容错与重构控制等技术将持续发展。

（4）国产化与自主可控：以湖南泰德航空为代表的国内高新技术企业，正致力于推动电液伺服系统的国产化进程。未来，我国大型飞机主飞控作动系统的核心部件将逐步实现自主设计、自主制造和自主保障。

结束语：大型飞机主飞行操纵面作动系统的可靠性是保障飞行安全的基石。本文设计的机械备份电液伺服作动器方案，通过电传与机械两种非相似余度控制方式的有机结合，既充分发挥了电传操纵的精确性与灵活性优势，又保留了机械操纵的高可靠性特点，为大型飞机主飞控作动系统的设计提供了有价值的参考。随着我国大型飞机事业的持续发展，高性能、高可靠性的电液伺服作动器将在保障飞行安全、提升飞机性能方面发挥越来越重要的作用。

湖南泰德航空技术有限公司，专注航空航天流体控制核心部件与系统研发，具备研发‑生产‑检测一体化能力，主打液冷泵、燃滑油泵阀、流体控制系统、航空非标测试设备、微型涡喷发动机配套设备研发等，面向航发、无人机、eVTOL、特种装备提供国产化配套，欢迎技术交流与商务合作。