多電飛機(jī)是未來飛機(jī)發(fā)展的趨勢(shì),其目的為將部分次級(jí)能源替換為電能,借此提高燃油利用效率及飛機(jī)可靠性、可維修性。最適用于多電飛機(jī)的作動(dòng)機(jī)構(gòu)即機(jī)電作動(dòng)器(以下簡(jiǎn)稱電作動(dòng)器),這種作動(dòng)器完全由電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng),經(jīng)減速器與滾珠絲杠帶動(dòng)作動(dòng)機(jī)構(gòu),實(shí)現(xiàn)舵面升降等功能,但其所處環(huán)境較為封閉,常遭受短時(shí)間大功率的熱流,面臨較為突出的散熱問題。若能通過高效的方法解決電作動(dòng)器的散熱問題,將有利于提高電作動(dòng)器的性能及其可靠性,同時(shí)減少飛機(jī)的燃油消耗,實(shí)現(xiàn)飛機(jī)能量?jī)?yōu)化。本文通過實(shí)驗(yàn)研究的方法,首先通過電作動(dòng)器加載及傳熱特性實(shí)驗(yàn),明確電作動(dòng)器在各典型工況下的產(chǎn)熱及傳熱特性;隨后通過電作動(dòng)器高效散熱實(shí)驗(yàn),使用熱管對(duì)其進(jìn)行散熱,進(jìn)而明確使用熱管散熱時(shí)電作動(dòng)器的傳熱特性。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明:在恒定作動(dòng)速度及出力的工況下,電作動(dòng)器產(chǎn)熱量保持恒定,隨著作動(dòng)速度及出力的提高,產(chǎn)熱量持續(xù)升高,穩(wěn)態(tài)溫升可達(dá)30 K,若作動(dòng)速度及出力進(jìn)一步提高,其溫升將威脅電作動(dòng)器安全工作;在典型飛行任務(wù)循環(huán)實(shí)驗(yàn)中的高作動(dòng)速度、大出力階段下,電作動(dòng)器產(chǎn)熱最明顯,在作動(dòng)速度50 mm/s、出力4 kN的工況下,發(fā)熱量可達(dá)130 W。隨后在電作動(dòng)器高效散熱實(shí)驗(yàn)中,在發(fā)熱量已由前述實(shí)驗(yàn)測(cè)定的基礎(chǔ)上,搭建模擬電作動(dòng)器實(shí)驗(yàn)臺(tái),通過電加熱模擬其熱源。引入熱管對(duì)模擬電作動(dòng)器進(jìn)行高效散熱實(shí)驗(yàn),通過冷卻水溫度289 K、流量0.18 m~3/h的穩(wěn)態(tài)實(shí)驗(yàn),模擬電作動(dòng)器溫升最多可減小20 K;在模擬飛行任務(wù)循環(huán)實(shí)驗(yàn)中,模擬電作動(dòng)器溫度有小幅下降,各部件溫度更易受冷卻水溫度影響,溫度穩(wěn)定更快;在產(chǎn)熱最明顯的工況下調(diào)整冷卻水流量,其穩(wěn)態(tài)溫度變化很小,表明單方面增加熱沉流量不可取,但熱沉溫度對(duì)電作動(dòng)器各部件溫度影響較大;所有實(shí)驗(yàn)中測(cè)得的流動(dòng)阻力基本可忽略不計(jì),又因其散熱效果較好,證實(shí)了電作動(dòng)器用熱管散熱的可行性,為其工程應(yīng)用提供了參考。
【學(xué)位單位】：南京航空航天大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位年份】：2019
【中圖分類】：V242
【部分圖文】：

作動(dòng)器是飛機(jī)飛行控制系統(tǒng)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)。最初的作動(dòng)器為操縱連桿系統(tǒng)，整個(gè)系統(tǒng)完全由飛行員用手或腳扳動(dòng)連桿，控制飛機(jī)的俯仰、滾轉(zhuǎn)與偏航；隨著飛行速度、高度與飛機(jī)性能要求的不斷提升，單純通過手動(dòng)已無(wú)法滿足飛行控制需求，進(jìn)而出現(xiàn)了液壓作動(dòng)系統(tǒng)、氣壓作動(dòng)系統(tǒng)等機(jī)構(gòu)，幫助飛機(jī)安全、高效地正常運(yùn)行[1]。在 21 世紀(jì)開始的十年中，隨著空客 A380、波音 B787 以及第四代戰(zhàn)斗機(jī) F-35 的先后升空，開啟了航空飛機(jī)的多電化時(shí)代。多電飛機(jī)用功能相同且僅消耗電能的系統(tǒng)替代原有各系統(tǒng)，次級(jí)功率中大部分以電功率的形式進(jìn)行傳輸，使得大多數(shù)機(jī)載設(shè)備和操縱系統(tǒng)都由電能驅(qū)動(dòng)，取消了飛機(jī)液壓系統(tǒng)、發(fā)動(dòng)機(jī)引氣裝置、氣壓系統(tǒng)、飛行控制系統(tǒng)的液壓系統(tǒng)等大量占用空間大、自身重量大的部件。多電飛機(jī)是飛機(jī)技術(shù)發(fā)展的一次革命，其經(jīng)濟(jì)性、可靠性及易維護(hù)性都有巨大的優(yōu)勢(shì)，是未來飛機(jī)發(fā)展的一個(gè)重要方向[1-6]。在多電飛機(jī)中，飛行控制系統(tǒng)中的電作動(dòng)機(jī)構(gòu)[7]取代了傳統(tǒng)的液壓作動(dòng)機(jī)構(gòu)。電作動(dòng)機(jī)構(gòu)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)包括機(jī)電作動(dòng)器（EMA）和電靜液作動(dòng)器（EHA）。機(jī)電作動(dòng)器主要由永磁電機(jī)、伺服驅(qū)動(dòng)器及滾珠絲杠構(gòu)成，是伺服電機(jī)和機(jī)械機(jī)構(gòu)的再集成，如圖 1.1；電靜液作動(dòng)器主要由伺服驅(qū)動(dòng)器、電機(jī)及其驅(qū)動(dòng)的液壓泵、液壓作動(dòng)器件、獨(dú)立的液壓油箱構(gòu)成，是伺服電機(jī)和液壓機(jī)械的再集成[8,9]，如圖 1.2。

作動(dòng)器是飛機(jī)飛行控制系統(tǒng)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)。最初的作動(dòng)器為操縱連桿系統(tǒng)，整個(gè)系統(tǒng)完全由飛行員用手或腳扳動(dòng)連桿，控制飛機(jī)的俯仰、滾轉(zhuǎn)與偏航；隨著飛行速度、高度與飛機(jī)性能要求的不斷提升，單純通過手動(dòng)已無(wú)法滿足飛行控制需求，進(jìn)而出現(xiàn)了液壓作動(dòng)系統(tǒng)、氣壓作動(dòng)系統(tǒng)等機(jī)構(gòu)，幫助飛機(jī)安全、高效地正常運(yùn)行[1]。在 21 世紀(jì)開始的十年中，隨著空客 A380、波音 B787 以及第四代戰(zhàn)斗機(jī) F-35 的先后升空，開啟了航空飛機(jī)的多電化時(shí)代。多電飛機(jī)用功能相同且僅消耗電能的系統(tǒng)替代原有各系統(tǒng)，次級(jí)功率中大部分以電功率的形式進(jìn)行傳輸，使得大多數(shù)機(jī)載設(shè)備和操縱系統(tǒng)都由電能驅(qū)動(dòng)，取消了飛機(jī)液壓系統(tǒng)、發(fā)動(dòng)機(jī)引氣裝置、氣壓系統(tǒng)、飛行控制系統(tǒng)的液壓系統(tǒng)等大量占用空間大、自身重量大的部件。多電飛機(jī)是飛機(jī)技術(shù)發(fā)展的一次革命，其經(jīng)濟(jì)性、可靠性及易維護(hù)性都有巨大的優(yōu)勢(shì)，是未來飛機(jī)發(fā)展的一個(gè)重要方向[1-6]。在多電飛機(jī)中，飛行控制系統(tǒng)中的電作動(dòng)機(jī)構(gòu)[7]取代了傳統(tǒng)的液壓作動(dòng)機(jī)構(gòu)。電作動(dòng)機(jī)構(gòu)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)包括機(jī)電作動(dòng)器（EMA）和電靜液作動(dòng)器（EHA）。機(jī)電作動(dòng)器主要由永磁電機(jī)、伺服驅(qū)動(dòng)器及滾珠絲杠構(gòu)成，是伺服電機(jī)和機(jī)械機(jī)構(gòu)的再集成，如圖 1.1；電靜液作動(dòng)器主要由伺服驅(qū)動(dòng)器、電機(jī)及其驅(qū)動(dòng)的液壓泵、液壓作動(dòng)器件、獨(dú)立的液壓油箱構(gòu)成，是伺服電機(jī)和液壓機(jī)械的再集成[8,9]，如圖 1.2。

作動(dòng)器加載及產(chǎn)熱特性實(shí)驗(yàn)驗(yàn)原理動(dòng)器中包含的能量形式有以下幾種：電能、機(jī)械能、熱能；其中，電能為消耗的電能，包含有功功率及無(wú)功功率兩部分，有功功率可轉(zhuǎn)化為機(jī)械能功率是為建立交變磁場(chǎng)而消耗的電功率，這部分功率既不轉(zhuǎn)化為機(jī)械能也使電機(jī)正常工作，必須提供足夠的無(wú)功功率以產(chǎn)生磁場(chǎng)；機(jī)械能為電作動(dòng)力而向外輸出的功；熱能為永磁電機(jī)及其驅(qū)動(dòng)器在輸出機(jī)械能的同時(shí)發(fā)出摩擦產(chǎn)生的熱。由能量守恒定律，即可獲得各主要組件的產(chǎn)熱量。國(guó)內(nèi)航空用電作動(dòng)器產(chǎn)品較稀有，本實(shí)驗(yàn)采用伺服電機(jī)及其配套驅(qū)動(dòng)器搭并在其外加裝環(huán)境控制艙，借此模擬用于航空器的電作動(dòng)器。缺乏氣動(dòng)載荷模擬條件，鑒于電作動(dòng)器是將電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)變?yōu)橹本�運(yùn)動(dòng)的執(zhí)行出軸后用液壓缸進(jìn)行直線加載，并由電磁閥控制加載壓力，借此模擬舵面的氣動(dòng)載荷。系統(tǒng)原理圖如圖 2.1 所示：

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本文編號(hào)：2821536