Multi-level virtual prototyping of electromechanical actuation system for more electric aircraft

Electromechanical actuators (EMAs) are becoming increasingly attractive in the field of more electric aircraft because of their outstanding benefits, which include reduced fuel burn and maintenance cost, enhanced system flexibility, and improved management of fault detection and isolation. However, electromechanical actuation raises specific issues when being used for safety-critical aerospace applications like flight controls: huge reflected inertia to load, jamming-type failure, and increase of backlash with service due to wear and local dissipation of heat losses for thermal balance. This study proposes an incremental approach for virtual prototyping of EMAs. It is driven by a model-based system engineering process in order to enable simulation-aided design. Best practices supported by Bond graph formalism are suggested to develop a model’s structure efficiently and to make the model ready for use (or extension) by addressing the above mentioned issues. Physical effects are progressively introduced, and the realism of lumped-parameter models is increased step-by-step. In particular, multi-level component models are architected to ensure continuity between engineering activities. The models are implemented in the AMESim simulation environment, and simulation responses are given to illustrate how they can be used for preliminary sizing, control design, thermal balance verification, and faults to failure analysis. The proposed best practices intend to provide engineers with fast, reusable, and efficient means to assess performance virtually and enhance maturity, performance, and robustness.     

Review on signal-by-wire and power-by-wire actuation for more electric aircraft

The huge and rapid progress in electric drives offers new opportunities to improve the performances of aircraft at all levels:fuel burn,environmental footprint,safety,integration and production,serviceability,and maintainability.Actuation for safety-critical applications like flight-controls,landing gears,and even engines is one of the major consumers of non-propulsive power.Conventional actuation with centralized hydraulic power generation and distribution and control of power by throttling has been well established for decades,but offers a limited potential of evolution.In this context,electric drives become more and more attractive to remove the natural drawbacks of conventional actuation and to offer new opportunities for improving performance.This paper takes the stock,at both the signal and power levels,of the evolution of actuation for safety-critical applications in aerospace.It focuses on the recent advances and the remaining chal lenges to be taken toward full electrical actuation for commercial and military aircraft,helicopters,and launchers.It logically starts by emphasizing the specificity of safety-critical actuation for aero space.The following section addresses in details the evolution of aerospace actuation from mechanically-signaled and hydraulically-supplied to all electric,with special emphasis on research and development programs and on solutions entered into service.Finally,the last section reviews the challenges to be taken to generalize the use of all-electric actuators for future aircraft programs.     

Challenges of future aircraft propulsion: A review of distributed propulsion technology and its potential application for the all electric commercial aircraft

This paper highlights the role of distributed propulsion technology for future commercial aircraft. After an initial historical perspective on the conceptual aspects of distributed propulsion technology and a glimpse at numerous aircraft that have taken distributed propulsion technology to flight, the focal point of the review is shifted towards a potential role this technology may entail for future commercial aircraft. Technological limitations and challenges of this specific technology are also considered in combination with an all electric aircraft concept, as means of predicting the challenges associated with the design process of a next generation commercial aircraft.     

一种电动飞机电推进系统的能效优化方法

电动飞机依靠电推进系统为飞机提供所需的动力,而电动飞机蓄电池的能量密度制约了飞机续航能力的提升。在蓄电池能量密度受限的条件下,进行电推进系统能效优化,提高电推进系统效率,降低电推进系统损耗,对增加飞机的续航时间具有重要意义。以某双座可调定桨距螺旋桨电动飞机电推进系统为例,依据飞机的飞行任务剖面搭建了飞机电推进系统在起飞及巡航阶段的系统损耗模型,以可调定桨距螺旋桨桨矩角为优化变量,以飞机完成一次飞行任务剖面能耗最小为目标,提出一种适于可调定桨距螺旋桨电动飞机电推进系统的能效优化方法。为了验证该方法的有效性,搭建样机测试平台,进行了样机试验,试验结果表明：该能效优化方法能够有效提高飞机电推进系统效率,使飞机完成一次飞行任务剖面的系统能耗降低了8%以上。     

分布式电推进飞机电力系统研究综述

继飞机二次能源逐步统一为电能形成多电/全电飞机之后,电推进技术成为飞机动力系统电气化的重要发展方向,有望进一步提高飞机动力系统能量转换效率、降低燃油消耗和排放,代表了航空电气化的高级阶段。飞机电力系统及相关技术是支撑电推进技术发展的重要基础。系统总结了电推进飞机的类型与发展现状,论述了飞机混合动力系统及分布式电推进系统的基本概念、特点与意义。阐述了航空电推进系统的基本结构,比较了适用于分布式电推进系统的电力系统架构,系统分析了实现电推进技术所需的高效高功率密度电机、高效大容量功率变换器和综合热管理等关键技术。小型纯电动飞机正在逐步迈向实用化,而分布式混合电推进技术是中大型飞机电气化的重要方向,仍然需要航空机电和动力系统等交叉融合与创新发展。     

超轻型电动飞机电动力系统的参数匹配

结合某型超轻型电动飞机的设计参数,阐述了电动力系统的布局、系统参数匹配的原则和步骤.提出了电动力系统参数匹配和性能验证的方法.从动力性、经济性、系统质量的角度验证了该系统的可行性.参考飞机的最大平飞速度为175.5km/h,大于设计要求的最大平飞速度170km/h,满足动力性能要求.电动力系统的运行费用为6.8元/h,是相近功率活塞发动机运行费用的1/8.与3种电动飞机相比,参考机型的功质比仍比较高,达0.0842kW/kg,为可接受值.      

飞机新原理电液自馈能刹车系统设计与优化

当前,传统飞机液压刹车系统普遍采用集中式的机载液压源作为动力,液压能通过能源管路传输到刹车作动器,整个系统零部件数目众多,管路布局复杂,由此带来的管路振动、液压油泄漏等问题突出,限制了飞机刹车系统可靠性和可维护性的提升。近年来,一种飞机新原理电液自馈能刹车系统被提出,将模块化的"自馈能装置"安装在机轮附近,回收机轮着陆时的旋转动能,并将其转换成液压能,用于刹车作动。提出了一种利用波浪曲面进行取能的专用取能机构,设计了自馈能系统紧凑型专用取能机构,研制了高可靠、低能耗、高抗污染的自馈能刹车系统原理样机,完全实现了自馈能,即使飞机失去全部动力也能正常完成刹车功能,使抗污染等级从NAS6级提升到NAS10级,可靠性和可维护性优于传统液压刹车。     

DIMA架构下飞机全电刹车系统故障传播行为分析与评估

在DIMA平台开放性体系架构的背景下,飞机航电与机电等系统功能逐渐渗透融合,面向DIMA架构的全电刹车系统是未来飞机刹车系统的主流设计趋势,但目前尚未形成针对DIMA架构下全电刹车系统的故障传播行为分析与评估方法。针对上述问题,首先结合DIMA架构特征和全电刹车相关标准,分析面向DIMA架构下的全电刹车系统分层架构,在此基础上构建全电刹车系统任务-功能-资源层次模型。其次,考虑到DIMA平台资源共享的特点,结合系统层次模型开展系统耦合关联分析,引入Floyd算法计算间接耦合矩阵以及路由矩阵,通过构造失效严重程度矩阵量化系统关联耦合度,建立系统故障传播结构模型,综合考虑故障路径传播概率和系统边缘介数,构建DIMA架构下全电刹车系统故障传播强度模型,以识别系统故障传播关键路径,完成故障传播行为分析与评估。最后通过实例分析,以验证所提方法的正确性与合理性。     

新能源电动飞机发展与挑战

发展绿色航空是人类社会形成的基本共识,新能源电动飞机为实现彻底的绿色航空提供了一条光明的技术途径。简述了航空对环境的影响、电在飞机上的应用及电动飞机的发展历程,对新能源电动飞机的能源分类、电推进系统及其总体效率进行了研究,重点针对载人轻型运动飞机,分析了电动飞机的发展现状、特征以及能源需求,通过对电池作为能源的载人电动飞机的航程和极限航程研究,提出了电池能量密度提升和性能改进、高升阻比空气动力设计、低成本轻质高效复合材料结构设计与制造、高效率电推进系统设计与集成等电动飞机发展面临的挑战,给出了应大力发展电动飞机的建议和本领域未来的研究方向。     

中国电动飞机技术创新与实践观点

电动飞机极大地提高了飞机的环保性、舒适性、维修性和经济性,是航空工业未来的发展方向。电动飞机应具备高气动效率、高推进效率、高结构效率、高能量密度,以提高航时。"十三五"期间,中国已完成2机首飞,2机取证。"十四五"期间,电动飞机研发应该以高功率高效率电推进系统为研发重点,以混合电推进系列飞机为研发核心,以现有新能源型号全寿命保障体系研究为关键,以拓展新型电动飞行器研发和标准构建为目标。     

多电式环控系统电动机功率选定及其经济性分析

提出多电式环控系统参数匹配计算模型,获得不同飞行工况下电动机功率的选定值,分析其影响因素以及系统的经济性.结果表明:对于一定的供气压力,飞行高度越高,电动机功率越大,而同一高度马赫数越大,电动机功率越小;对于给定的飞行工况,供气压力越高,电动机功率越大;对于相同的供气压力与飞行工况,多电式环控系统的性能代偿损失比传统环控系统要小,飞行时间越长,系统的经济性越好.      

Dynamics modeling and control of a transport aircraft for ultra-low altitude airdrop

The nonlinear aircraft model with heavy cargo moving inside is derived by using the separation body method, which can describe the influence of the moving cargo on the aircraft attitude and altitude accurately. Furthermore, the nonlinear system is decoupled and linearized through the input–output feedback linearization method. On this basis, an iterative quasi-sliding mode(SM)flight controller for speed and pitch angle control is proposed. At the first-level SM, a global dynamic switching function is introduced thus eliminating the reaching phase of the sliding motion.At the second-level SM, a nonlinear function with the property of ‘‘smaller errors correspond to bigger gains and bigger errors correspond to saturated gains' ' is designed to form an integral sliding manifold, and the overcompensation of the integral term to big errors is weakened. Lyapunovbased analysis shows that the controller with strong robustness can reject both constant and time-varying model uncertainties. The performance of the proposed control strategy is verified in a maximum load airdrop mission.     

民机配平空气系统小偏差化动态建模仿真方法

配平空气系统（TAS）作为民用飞机空调系统（ACS）中的子系统之一,其本质是舱室内温度调节的高温气体支路。该系统的动态特性较大地影响着下游乃至舱室内空气参数的变化,不利于下游参数的稳定。因此需要依据系统固有的动态特性,通过设计系统的控制规律,达到稳定下游空气参数的目的。随着系统方案及部件的更新换代,民机配平空气系统的压力控制方式逐步由机械气动式压力调节活门转变为电动式压力调节活门辅以压力传感器的方式。这种方式要求对配平空气系统的动态特性进行快速、准确的仿真,并能够依据仿真结果进行压力控制律设计。本文提出小偏差化的线性化处理方法作为动态特性建模仿真的理论推导依据,对采用电动式压力调节活门和压力传感器方案的典型民机配平空气系统建立高效的动态仿真模型。经校验,该方法结果准确。此外,还根据动态特性分析结果给出电动式压力调节活门的控制律设计实例,有效实现了良好的压力调节效果。根据设计流程提出了配平空气系统的压力控制需求,为民机空调系统的动态仿真建模方法提供指导思路。     

Fault-tolerance wide voltage conversion gain DC/DC converter for more electric aircraft

In this paper, a fault-tolerance wide voltage conversion gain DC/DC converter for More Electric Aircraft (MEA) is proposed. The proposed converter consists of a basic Cuk converter module and n expandable units. By adjusting the operation state of the expandable units, the voltage conversion gain of the proposed converter could be regulated, which makes it available for wide voltage conversion applications. Especially, since mutual redundancy can be realized between the basic Cuk converter module and the expandable units, the converter can continuously work when an unpredictable fault occurs to the fault-tolerant parts of the proposed converter, which reflects the fault tolerance of the converter and significantly improves the reliability of the system. Moreover, the advantages of small input current ripple, automatic current sharing and low voltage stress are also integrated in this converter. The working principle and features of the proposed converter are mainly introduced, and an experimental prototype with 800 W output power has been manufactured to verify the practicability and availability of the proposed converter.     

飞机电源系统故障诊断方法综述及发展趋势

飞机电源系统是机上一切用电设备的电能来源,其安全性与可靠性至关重要。在环保和高效发展需求的背景下,现代航空工业正在推进以电能为核心的多电/全电飞机技术的研究和应用。电驱动装置和电力电子器件的广泛使用导致飞机电源系统结构的复杂化,对飞机的可靠性、安全性、测试性和维修性提出了更高的要求,研究飞机电源系统的故障诊断技术具有重要意义。首先介绍了飞机电源系统的组成结构和各自功能,概述了飞机电源系统的发展历程,对比了国内外典型电源系统的特征,总结了飞机电源系统中的主要故障模式、故障特点和失效原因,并提出了一种飞机电源健康管理系统的设计架构,然后综述了国内外基于模型和基于数据的故障诊断方法研究进展,从准确度、数据需求量、适用性和实现难易程度等方面评述了各类诊断方法的特点,最后指出了飞机电源系统故障诊断技术面临的挑战和发展趋势。     

大机动飞机的非线性鲁棒控制律设计

采用非线性不确定系统的高增益控制建设设计方法,为某型大机动飞机在特定飞行条件下设计了鲁棒控制律,以跟踪期望的输出轨迹,并在不同飞行条件下进行了系统仿真研究。仿真结果表明,采用所设计的控制律,在不同飞行条件下,飞机均可同时完成较精确的纵向和侧向机动跟踪,说明控制律具有较好的鲁棒性。     

飞机全电刹车机电作动系统上电自检测

提出了一种飞机全电刹车机电作动（EMA）系统的上电自检测（POST）方法,以保证系统在运行前处于安全工作区域。通过检测,可及时准确地定位和更换故障部件,提高飞机出勤率。在系统运行之前,尽可能在有限的检测次数内全面准确地检测敏感元件,定位故障部件,避免造成刹车系统的二次伤害。针对逆变器和电机三相绕组组成的驱动回路,利用母线电容放电产生电流,完成检测。检测过程利用电容电压而非电源为逆变器供电,可防止过高的短路电流对电源的冲击,且电容上存储的能量有限,可有效避免短路故障对系统的二次伤害。检测方法在原有电路的基础上并未增加传感器和检测电路,但实现了逆变器功率管以及电机绕组,短路和开路故障的全面检测,且可定位出故障部件和故障原因。该机电作动系统上电自检测方法能够保证在一秒内完成系统全面自检测,经过1 000次正常及带故障试验,故障的误报率和漏报率保持在1‰以下。在现场试验中,系统可抵御飞机复杂的电磁环境（EME）,工作性能稳定。通过软件设置不同故障阈值,可方便移植到其他机电作动系统中。     

面向电动飞机应用的不同叶尖螺旋桨噪声特性

为了合理地设计与选取电动飞机螺旋桨,最大限度降低电动飞机整体噪声,以某型电动飞机平直、后掠及尖型桨尖形状螺旋桨为研究对象,通过大涡模拟模型计算分析了3种螺旋桨在巡航和爬升两个典型状态下的一阶频率声压值,计算结果表明平直桨尖螺旋桨噪声最低,尖形桨尖螺旋桨最高。为了验证计算结果,制造了缩比模型并在空气动力研究院的FL-9风洞中进行了试验,结果表明计算结果与风洞试验结果吻合度较高,验证了大涡模拟在螺旋桨噪声计算中具有一定的工程应用价值,计算和试验结果都表明平直桨尖有助于进一步发挥电动飞机安静环保的优势。     

基于STAMP/STPA的机轮刹车系统安全性分析

把机轮刹车系统在飞机降落过程中的安全性问题当作系统控制问题,不采用基于故障概率模型的事故模型,而是采用基于系统理论的事故模型和过程(STAMP),构建机轮刹车系统在飞机降落过程中的STAMP控制关联模型和系统理论过程分析(STPA)反馈控制回路。根据系统运行的上下文信息识别机轮刹车系统在飞机降落过程中的不安全控制行为,分析产生不安全控制行为的关键原因。对机轮刹车系统在飞机降落过程中的不安全控制行为进行仿真研究,结果表明了STAMP/STPA的有效性和用仿真方法分析安全性问题的可行性。     

飞机燃油系统热管理研究

为了充分利用飞机所载燃油作为冷源来冷却飞机的其他机载设备与系统,发挥燃油的最大使用效益,提出了飞机燃油系统热管理.通过对飞机燃油系统中流体网络的关键部件燃油增压泵、液动涡轮泵和管网进行数学建模以求解流体网络各节点的流量、压力、温度和热损失,从而能预测出各种情况下换热器前的燃油入口温度和进入飞机发动机前的燃油温度.研究内容可为飞机燃油这一冷源的综合利用及飞机燃油系统的热管理提供科学依据.