多電飛機是未來飛機發(fā)展的趨勢,其目的為將部分次級能源替換為電能,借此提高燃油利用效率及飛機可靠性、可維修性。最適用于多電飛機的作動機構(gòu)即機電作動器(以下簡稱電作動器),這種作動器完全由電動機驅(qū)動,經(jīng)減速器與滾珠絲杠帶動作動機構(gòu),實現(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器的散熱問題,將有利于提高電作動器的性能及其可靠性,同時減少飛機的燃油消耗,實現(xiàn)飛機能量優(yōu)化。本文通過實驗研究的方法,首先通過電作動器加載及傳熱特性實驗,明確電作動器在各典型工況下的產(chǎn)熱及傳熱特性;隨后通過電作動器高效散熱實驗,使用熱管對其進行散熱,進而明確使用熱管散熱時電作動器的傳熱特性。實驗結(jié)果表明:在恒定作動速度及出力的工況下,電作動器產(chǎn)熱量保持恒定,隨著作動速度及出力的提高,產(chǎn)熱量持續(xù)升高,穩(wěn)態(tài)溫升可達30 K,若作動速度及出力進一步提高,其溫升將威脅電作動器安全工作;在典型飛行任務(wù)循環(huán)實驗中的高作動速度、大出力階段下,電作動器產(chǎn)熱最明顯,在作動速度50 mm/s、出力4 kN的工況下,發(fā)熱量可達130 W。隨后在電作動器高效散熱實驗中,在發(fā)熱量已由前述實驗測定的基礎(chǔ)上,搭建模擬電作動器實驗臺,通過電加熱模擬其熱源。引入熱管對模擬電作動器進行高效散熱實驗,通過冷卻水溫度289 K、流量0.18 m~3/h的穩(wěn)態(tài)實驗,模擬電作動器溫升最多可減小20 K;在模擬飛行任務(wù)循環(huán)實驗中,模擬電作動器溫度有小幅下降,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,但熱沉溫度對電作動器各部件溫度影響較大;所有實驗中測得的流動阻力基本可忽略不計,又因其散熱效果較好,證實了電作動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)位級別】：碩士
【學(xué)位年份】：2019
【中圖分類】：V242
【部分圖文】：

作動器是飛機飛行控制系統(tǒng)的執(zhí)行機構(gòu)。最初的作動器為操縱連桿系統(tǒng)，整個系統(tǒng)完全由飛行員用手或腳扳動連桿，控制飛機的俯仰、滾轉(zhuǎn)與偏航；隨著飛行速度、高度與飛機性能要求的不斷提升，單純通過手動已無法滿足飛行控制需求，進而出現(xiàn)了液壓作動系統(tǒng)、氣壓作動系統(tǒng)等機構(gòu)，幫助飛機安全、高效地正常運行[1]。在 21 世紀開始的十年中，隨著空客 A380、波音 B787 以及第四代戰(zhàn)斗機 F-35 的先后升空，開啟了航空飛機的多電化時代。多電飛機用功能相同且僅消耗電能的系統(tǒng)替代原有各系統(tǒng)，次級功率中大部分以電功率的形式進行傳輸，使得大多數(shù)機載設(shè)備和操縱系統(tǒng)都由電能驅(qū)動，取消了飛機液壓系統(tǒng)、發(fā)動機引氣裝置、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。多電飛機是飛機技術(shù)發(fā)展的一次革命，其經(jīng)濟性、可靠性及易維護性都有巨大的優(yōu)勢，是未來飛機發(fā)展的一個重要方向[1-6]。在多電飛機中，飛行控制系統(tǒng)中的電作動機構(gòu)[7]取代了傳統(tǒng)的液壓作動機構(gòu)。電作動機構(gòu)的執(zhí)行機構(gòu)包括機電作動器（EMA）和電靜液作動器（EHA）。機電作動器主要由永磁電機、伺服驅(qū)動器及滾珠絲杠構(gòu)成，是伺服電機和機械機構(gòu)的再集成，如圖 1.1；電靜液作動器主要由伺服驅(qū)動器、電機及其驅(qū)動的液壓泵、液壓作動器件、獨立的液壓油箱構(gòu)成，是伺服電機和液壓機械的再集成[8,9]，如圖 1.2。

作動器是飛機飛行控制系統(tǒng)的執(zhí)行機構(gòu)。最初的作動器為操縱連桿系統(tǒng)，整個系統(tǒng)完全由飛行員用手或腳扳動連桿，控制飛機的俯仰、滾轉(zhuǎn)與偏航；隨著飛行速度、高度與飛機性能要求的不斷提升，單純通過手動已無法滿足飛行控制需求，進而出現(xiàn)了液壓作動系統(tǒng)、氣壓作動系統(tǒng)等機構(gòu)，幫助飛機安全、高效地正常運行[1]。在 21 世紀開始的十年中，隨著空客 A380、波音 B787 以及第四代戰(zhàn)斗機 F-35 的先后升空，開啟了航空飛機的多電化時代。多電飛機用功能相同且僅消耗電能的系統(tǒng)替代原有各系統(tǒng)，次級功率中大部分以電功率的形式進行傳輸，使得大多數(shù)機載設(shè)備和操縱系統(tǒng)都由電能驅(qū)動，取消了飛機液壓系統(tǒng)、發(fā)動機引氣裝置、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。多電飛機是飛機技術(shù)發(fā)展的一次革命，其經(jīng)濟性、可靠性及易維護性都有巨大的優(yōu)勢，是未來飛機發(fā)展的一個重要方向[1-6]。在多電飛機中，飛行控制系統(tǒng)中的電作動機構(gòu)[7]取代了傳統(tǒng)的液壓作動機構(gòu)。電作動機構(gòu)的執(zhí)行機構(gòu)包括機電作動器（EMA）和電靜液作動器（EHA）。機電作動器主要由永磁電機、伺服驅(qū)動器及滾珠絲杠構(gòu)成，是伺服電機和機械機構(gòu)的再集成，如圖 1.1；電靜液作動器主要由伺服驅(qū)動器、電機及其驅(qū)動的液壓泵、液壓作動器件、獨立的液壓油箱構(gòu)成，是伺服電機和液壓機械的再集成[8,9]，如圖 1.2。

作動器加載及產(chǎn)熱特性實驗驗原理動器中包含的能量形式有以下幾種：電能、機械能、熱能；其中，電能為消耗的電能，包含有功功率及無功功率兩部分，有功功率可轉(zhuǎn)化為機械能功率是為建立交變磁場而消耗的電功率，這部分功率既不轉(zhuǎn)化為機械能也使電機正常工作，必須提供足夠的無功功率以產(chǎn)生磁場；機械能為電作動力而向外輸出的功；熱能為永磁電機及其驅(qū)動器在輸出機械能的同時發(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。國內(nèi)航空用電作動器產(chǎn)品較稀有，本實驗采用伺服電機及其配套驅(qū)動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器。缺乏氣動載荷模擬條件，鑒于電作動器是將電機轉(zhuǎn)動變?yōu)橹本�運動的執(zhí)行出軸后用液壓缸進行直線加載，并由電磁閥控制加載壓力，借此模擬舵面的氣動載荷。系統(tǒng)原理圖如圖 2.1 所示：

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本文編號：2821536