【摘 要】飞控系统作为飞机最重要的系统之一，对飞机性能和安全性具有至关重要的意义。布置于各控制面的飞控作动器是实现飞机三轴机动的执行主体。本文以电液伺服作动器为例，从需求出发，介绍了作动器的组成和具体功能的实现方式。
【关键词】民机；作动系统；电液伺服作动器
0 引言
當前，液压伺服作动器已普遍应用于民机和军机的飞控系统。主要用于实现副翼、升降舵、方向舵主控制面的位置闭环控制，和绝大数民机多功能扰流板的位置控制。一般地，电液伺服作动器由电液伺服阀接受控制指令信号，经过液压放大，输出流量驱动作动筒运动，并依靠内部的LVDT形成位置闭环控制。本文从民机飞控作动器的常规需求定义出发，简述各需求的实现方式，浅析作动器的设计过程。
1 作动器需求定义
本文所讨论的需求仅针对于单个作动器的设备级需求，可将其分为三类：接口定义、功能定义、性能定义。这里的接口定义，仅指作动器的机械接口。作动器基本的机械接口需求包括作动器与控制面和机翼结构间的接头位置、作动器行程、作动器的尺寸包线等。在民机设计中，根据上游总体布置等相关专业的设计输入开展设计。在功能定义上，民机作动器需要满足至少两种工作模式：主动模式、阻尼模式（或旁通模式）。主动模式需在液压源、电源、前端系统及作动系统本身正常的情况下，提供各控制面的闭环电液伺服控制功能。主舵面作动器退出主动工作模式时，一般要求仍能提供一定的阻尼功能和颤振抑制功能。扰流板作动器略有不同，出于安全性考虑，在民机上一般要求扰流板作动器在退出主动模式后能自动恢复到舵面零位。在性能定义上，作动器需满足的基本需求有失速载荷需求、限制载荷需求、速率需求、刚度需求和泄漏需求等。除这些基本需求外，从保护作动器的角度，民机作动器还应具有过压保护功能、抗气穴、回油稳压、进油防逆流等功能。
2 作动器零组件选择与设计
电液伺服作动器一般由作动筒和壳体构成。壳体包括了各分组件阀，作动筒由筒体和活塞杆构成。飞控系统将指令以电流信号输入给电液伺服阀转化成液压的流量输出。各分组件实现液压回路的控制功能。通过改变作动筒活塞两侧压力，驱动活塞杆做平移运动。作动筒与操纵面相连，将平移运动转化为舵面转动。一般在活塞杆上内置线位移传感器，将位置信号反馈给系统，建立闭环回路。从以上最基本的闭环和作动需求可见，构成作动器必须的主要部件有：壳体、作动筒缸体、电液伺服阀、活塞和活塞杆组件、活塞位置传感器。
2.1 主要零部件及尺寸确定
首先考量安装空间和连接结构等因素，对作动器的形式进行确定，常用的有点对点式和反力连杆式，各有优缺点。点对点式作动器形式简单、尺寸小、重量轻；反力连杆式作动器传力路径复杂、维护复杂、重量较重，但与结构连接处载荷较小，连接处结构重量较轻。作动器连接形式确定后，依照尺寸包线对壳体和缸体的尺寸进行初步设计。然后，根据平面三角关系将舵面的角度行程需求换算到活塞杆的线行程需求，根据液压系统供回油压力和作动器最大输出力需求换算得到活塞有效面积，进一步确定活塞杆的尺寸和行程。活塞和活塞杆组件在实现形式上，既有两侧有效面积对称的，也有非对称的。在设计时根据实际情况进行选择。对活塞端头与活塞杆的连接形式也可开展进一步的设计，使其在机械调零时具备足够的零位行程调整范围和调整精度。
基本的连接形式和平面三角关系确定后，可对作动器与舵面及机构支架的连接接头进行设计以满足使用要求。接头连接形式一般有单耳和双叉耳两种形式，根据强度应力需求和空间限制进行设计，一般多采用单耳式。然后对连接接头处的轴承和衬套进行综合选择和设计，既要满足间隙和润滑要求，同时还要在实现形式上满足一定的滚转自由度，以适应舵面扭转形带来的影响。
2.2 分组件阀选择及确定
民用飞机主舵面作动器一般要求具备主动模式和阻尼（或旁通）模式。模式间的切换一般由电磁阀和模式选择阀实现。电磁阀用于接收系统电指令，控制模式选择阀进行模式切换。模式选择阀一般为二位八通换向阀，以满足两种工作模式的需求。
主动模式下，由电液伺服阀（EHSV）提供伺服控制。伺服阀的基本功能为接收系统指令电流信号，将其转化为液压流量的输出。电液伺服阀有多种类型，如喷嘴挡板式电液伺服阀、射流管式电液伺服阀等。通常，喷嘴挡板式电液伺服阀由力矩马达、喷嘴、挡板和第二级阀组成，射流管式电液伺服阀由力矩马达、射流阀和第二级阀组成。电液伺服阀既是实现作动伺服控制的关键部件，同时也是决定作动器动态特性的重要部件。在确定伺服阀类型后，根据作动器的速率需求、频响特性需求、滞环门限需求，对力矩马达的参数指标、第二级滑阀的类型、开度指标、重叠量参数等进行综合设计和确定。除了动态特性外，决定主动模式工作性能的另一大指标是泄漏。泄漏分为内漏和外漏。内漏主要产生于EHSV和活塞处，动态性能越好，往往伴随着内漏越大，输出性能降级。因此在进行关键尺寸设计时，需对两者进行权衡设计。外漏指的是作动器外表面的液压油泄漏。对于壳体上的工艺孔可采用金属堵头过盈配合封胶处理。对于作动筒端盖一般设计多级的密封圈密封槽组合形式进行密封。
针对阻尼模式和旁通模式的实现，需设计特殊的阻尼阀实现相应功能。当模式选择阀切换到阻尼模式时，阻尼油路导通。通常，阻尼阀通过多个节流孔将伸出腔、缩回腔和回油两两导通。根据阻尼特性的需求，设计节流孔的尺寸。为保证整个飞行阶段都具备足够的阻尼能力，在回油路上设计回油蓄压器以补充液压油的泄漏损失。蓄压器的尺寸和门限压力根据系统要求和回路泄漏指标进行综合设计。
对于扰流板作动器而言，为保证失效安全，要求断电断压后不会随气动力矩上浮，在设计上通过特殊的上偏抑制阀和EHSV偏置实现该功能。通常将上偏抑制阀布置在缩回腔的回油路上，供油压力作为阀的控制端输入。系统压力正常时，阀口打开，回油导通；系统断压时，切换成逆向单向阀，锁住两腔油液。扰流板作动器的EHSV第一级都预设偏置，在无电信号输入时，会自动控制油路将供油高压输向缩回腔，使作动器回到零位。
以上设计满足了作动器的基本功能定义，为提高可用性和可靠性，作动器需满足一系列安全性相关需求，相应的通用设计完善方法概述如下：
3 总结
本文选取了现代民机飞控系统中的电液伺服作动器为例，介绍了接口、功能和性能的基本需求定义。从主要组成部件尺寸确定，到分组件阀选择和设计，以此为剖面，呈现了作动器在设计时针对需求所做的细节方案确定及优化工作。实际民机作动系统设计要更加复杂和严谨，需求确认和验证的过程包括了不断的权衡和迭代优化。本文重点涵盖了作动器总体构型确定、工作模式实现、控制功能实现、保护功能落实等内容，旨在对作动器的特性和设计工作进行初步介绍。
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