面向高升力系統的分布式/集中式驅動架構綜述

楊宇龍

（楊凌職業技術學院，陜西 咸陽712100）

0 引言

近年來，隨著控制技術、作動技術的發展，飛機高升力系統得到飛速發展。我國飛機發展較晚，自主研發的機型稀少，而高升力系統少之又少。民機作為我國“大飛機”的代表之一，直接影響科技實力和綜合國力。新研民機的高升力系統多采“集中式驅動”，與國外發展水平存在較大差距。為實現航空裝備的自主知識產權，國內才開始重視高升力系統國產化，將其作為“大飛機”的一個關鍵領域進行發展[1]。

1 高升力系統概述

高升力系統是飛機飛行控制系統的關鍵分系統，用于提高飛機升力的增升裝置。增升裝置是現代大型運輸類飛機提高起飛重量，縮短起降滑跑距離，增強機場適應性的關鍵，是提高飛機國際竟爭力的最有效手段之一[2]。

高升力系統控制并驅動襟/縫翼運動到不同飛行階段的構型位置，實現飛機低速起降和高速巡航。通過襟/縫翼的下放，增大了機翼面積和彎度，進一步提高飛機升力系數，增大飛機仰角，以保證飛機合理的滑跑距離，機輪所能耐受的滑跑速度以及安全的起飛速度，同時改善飛機爬升率、進場速率及進場飛行姿態。

高升力系統包括襟翼或縫翼系統，每個系統按照功能劃分為控制與監控、驅動與傳動、作動與制動、工作與操縱、故障檢測與保護等五大子系統，各子系統由機、電、液及控制部件等組。

2 系統架構的權衡

現代大型飛機上普遍采用成熟的集中共軸驅動，也有分布式獨立驅動與兩邊獨立共軸驅動的方案。本文主要針對典型的集中式和分布式驅動構型進行權衡分析。

2.1 集中式共軸驅動

集中式由一個中央的動力驅動裝置（PDU）輸出轉矩和轉速，分別向兩側傳動線系同步傳遞動力，再經齒輪旋轉作動器(GRA)或滾珠絲杠作動器(BSA)或“變角齒輪箱+齒輪齒條”作動，從而驅動襟/縫翼按設定軌跡運動。代表機型有空客飛機所有襟翼和前緣增升裝置，波音飛機自B707之后的襟翼、自B747之后的前緣增升裝置等。

以空客最新A380為例，襟翼共軸驅動保證各翼面運動的同步性，單側6個獨立GRA通過線系與中央的動力控制單元（PCU）連接。PCU通過兩個獨立液壓馬達進行驅動，每個提供兩條不同的液壓回路（H1、H2）。如果線系發生故障，翼尖剎車（WTB）掉電制動線系，將兩側襟翼鎖定在當前位置。對稱位置檢測單元（APPU）檢測襟翼線系末端的實際位置，以便于SFCC的監控和控制。系統力矩限制器（TL）分別集成在PCU線系位置，每個GRA集成一個TL。在GRAs和線系發生故障時，SFCC的控制和監控單元可以接收來自TL的信號，SFCC是雙冗余雙通道的控制和監測系統[5]。

A380集中式的主要特點為：

（1）扭力桿傳動，適應機翼變形的能力有限；

（2）傳動線系有大量的扭力管和變角/變矩齒輪箱，傳動效率低；

（3）一個PCU驅動共軸的傳動線系，保證了翼面運動的同步性，但導致線系中任何一點故障，均會引起翼面無法正常運動；（4）傳動線系卡阻或斷裂時，翼面將制動在當前位置，完全不能進行收放。

2.2 分布式獨立驅動

分布式的PDU對各翼面實現單獨驅動，每塊襟/縫翼都布置相應的作動器（BSA或GRA），通過較長線系將動力傳遞給作動器來實現收放。每塊翼面一般由兩臺液壓動作筒驅動，由共同的液壓管道供壓，通過流量的一致性來實現翼面運動的同步性，但效果不是很好。

以圖1所示的波音最新B787為例，通過功率電傳實現了獨立驅動，通過襟翼的內外差動實現巡航變彎度。在正常、降級模態下，手柄發指令給作動器控制單元（ACE）（應急模態下，由應急襟翼控制板下發給ACE）。ACE將指令發給液壓馬達控制單元或電動馬達控制單元，從而控制PDU的馬達工作，再經差速齒輪箱、線系傳遞到BSA上，驅動翼面沿預定軌跡運動。線系中的傾斜傳感器、位置傳感器將信息反饋給ACEs，直到主飛行模塊。襟翼變彎度通過變彎度調整裝置（VCTU）實現，襟翼系統有2臺VCTU安裝在每側的內外襟翼之間。在起降期間，VCTU將內外襟翼連接，其作用相當于齒輪箱，內外襟翼在PDU的作用下同步偏轉；在巡航期間，VCTU將內外襟翼斷開，并將外襟翼制動在收上位置不動，兩側的內襟翼在PDU的作用下同步偏轉，實現襟翼變彎度。

相對于集中式，B787分布式的主要特點：

（1）采用多翼面獨立驅動，生存力強，即喪失一片翼面，對飛機不會產生災難性事故；

（2）采用總線式信息交互式控制，省去了大量傳動部件，提高機械傳動效率；

（3）系統故障時，可有效收放一定的操縱面，減小“襟翼不能收放”的故障概率；

（4）帶來一些新功能，如通過差動控制襟翼實現機翼變彎度、加速渦流衰減、橫滾配平和橫滾控制等。

圖1 B787分布式獨立驅動

3 未來的發展趨勢

現代大型飛機的高升力系統在作動能量傳輸方式上采用集中驅動，在控制信息處理模式上采用容錯式雙余度數字電傳控制。

3.1 控制信息處理的發展

現代飛機普遍采用數字電傳操縱，實現了系統功能的綜合，并具有完善的余度管理功能。同機械操縱、簡單電傳相比，采用數字電傳操縱可實現襟/縫翼的綜合管理，增強邊界保護功能，提高系統的安全性和維護性。

3.2 作動能量傳輸技術的兩個發展方向

一是液壓動力驅動的發展方向是采用了變排量控制技術，大大減少了對液壓系統的流量需求。兩電“主—主”式驅動方式更適應多電飛機的發展，是多點飛機高升力系驅動構型發展方向，目前雙電主主式驅動構型已成為支線客機的主流選擇。

二是翼面作動的發展方向是自適應機翼，根據飛行狀態自適應地改變機翼形狀，獲得最佳飛行性能。分布式更利于實現自適應，如功率自適應、高壓作動、復合材料等技術，使其具備內外翼面差動功能（實現飛機的巡航變彎度），相信未來飛機會普遍應用。

4 結論

調研波音和空客系列飛機高升力系統所采用的先進技術，重點跟蹤A380和B787兩型寬體客機，對比國外高升力系統架構集中式、分布式的優缺點，從而進一步評估設計者所需的架構配置，并指出未來的發展趨勢，最終為國內民機高升力系統架構的選擇、評估和優化提供一定的技術支持。