Architektura siłownika FBW

Transkrypt

1 Yasa Flight Control Projekt Nowa generacja siłownika hydraulicznego FBW, stworzonego przy użyciu technologii przyrostowej (ang.am) i obróbki skrawaniem w niskich temperaturach (ang. Crygenics) współfinansowany ze środków Unii Europejskiej w ramach konkursu INNOLOT 2 Programu sektorowego INNOLOT-innowacyjne lotnictwo w ramach działania 1.2. Sektorowe programy B+R, POIR

2 2 Wprowadzenie Fly By Wire (FBW) jest ogólnym terminem używanym do opisu systemu, gdzie sterowanie głównym siłownikiem kontroli lotu odbywa się poprzez zadawanie elektrycznych sygnałów cyfrowych. Sygnały te są generowane przez komputer sterujący lotem, który zawiera dane wejściowe od pilota i innych parametrów lotu. Działanie systemu FBW ma krytyczne znaczenie dla bezpieczeństwa, a zatem wykorzystuje redundancję jako metodę utrzymania ogólnego bezpieczeństwa statku powietrznego. Podczas gdy siłownik jest sterowany sygnałami elektrycznymi, prawie wszystkie serwa są zasilane hydraulicznie. Podobnie jak w przypadku układów elektrycznych, systemy hydrauliczne muszą zawierać redundancję w przypadku wystąpienia awarii układu hydraulicznego. Systemy FBW mają wiele zalet w porównaniu z konwencjonalnym, mechanicznym sterowaniem. Układy mechaniczne ograniczają projektowanie i działanie systemu do ustalonego zestawu lub wzajemnych powiązań pomiędzy wykonywanymi ruchami pilota a układem kontroli lotu. Integracja komputera sterowania lotem umożliwia kontrolę nad większym zakresem warunków eksploatacji i zautomatyzowanie funkcji wykonywanych przez pilota. Ogólnie systemy FBW mają przewagę, ponieważ przewody sygnałów sterujących oferują większą elastyczność w projektowaniu przestrzeni samolotu. Aktualnie jest około 20 typów samolotów, w których wykorzystano architekturę FBW. Większość z nich wykorzystuje układy EHSV (z ang. Electro-Hydraulic Servo Valves) jako główne moduły do przekształcania sygnałów elektrycznych do hydraulicznych elementów wykonawczych. Około połowa z nich jest tam gdzie FBW system wymaga pełnej obsługi aby podtrzymać bezpieczny lot. W przemyśle lotniczym nie ma porozumienia co do najlepszego sposobu wdrożenia systemu FBW. Każdy producent statków powietrznych dąży do generowania architektur opartych na indywidualnych wymaganiach i historii. W tym dokumencie opisano siłownik FBW, który został zaprojektowany w taki sposób, aby osiągnąć najwyższy poziom bezpieczeństwa zintegrowany z dużą prostotą i najniższą wagą urządzenia. Wykorzystano technikę budowania przyrostowego (Additive Manufacturing znanej jako drukowanie 3D), tak aby spełnić stawiane sobie cele powyżej. Przyjęta architektura ma również uprościć metody wykrywania awarii, które muszą być reprezentowane w komputerze sterowania lotem. Typowym zastosowaniem dla tego siłownika FBW byłby układ wirnika głównego w średniej wielkości cywilnego helikoptera.

3 Zarządzanie awarią 3 Siłowniki sterowania lotem ze względów bezpieczeństwa są złożonymi elementami. Muszą sprostać i działać w przypadku wystąpienia awarii zarówno systemu elektrycznego jak i hydraulicznego, a także wewnętrznych komponentów składowych. Jednym z celów projektowych było określenie prawdopodobieństwa wystąpienia awarii wszystkich -7 możliwych systemów na poziomie 1x10 na godzinę lotu. Siłownik został zaprojektowany tak aby osiągnąć poniższe zadania zgodnie z procedurami opisującymi zarządzanie awarią (z ang. failure management): 1. Urządzenie powinno być możliwie zupełnie bezpieczne. Oznacza to, że powinno działać bezpiecznie bez interwencji FCC (z ang. Flight Control Computer), w przypadku wystąpienia pierwszej wiarygodnej awarii. 2. Długi okres obserwacji (>250ms) przed izolacją ze strony FCC tak aby pozwolić na przejściowe filtrowanie sygnałów. 3. Awarie są zasadniczo określone poprzez strategię głosowania i zmniejszają poleganie na urządzeniach monitorujących. 4. Żadna, nawet pojedyncza interwencja FCC nie powinna doprowadzić do niebezpiecznego stanu. 5. Awarie systemów nieaktywnych (tak jak w systemach rewersyjnych) poddawać przeglądowi np. jako test próbny.

4 4 EHSV czy DDV? Dwa typy technologii zaworowych zostały wykorzystane do FBW serwo-siłowników; EHSV (z ang. Electro-Hydraulic Servo Valve) lub DDV (z ang. Direct Drive Valve). Kluczową różnicą pomiędzy tymi technologiami jest moc potrzebna do sterowania zaworami. Dla EHSV jest to płyn hydrauliczny pod wysokim ciśnieniem, który jest kierowany z wykorzystaniem małego silnika elektrycznego. W przypadku DDV główny zawór rozdzielający jest sprzężony z liniowym lub obrotowym silnikiem na magnesy stałe. Różnice branżowe pomiędzy tymi dwoma technologiami w odniesieniu do siłownika lotu są następujące: EHSV DDV 1. Technologia stosowana w większości aplikacji FBW. 2. Zazwyczaj wymaga 3 lub więcej zaworów pracujących z powierzchniami krytycznymi bazując w oparciu o stopień awaryjności układu hydraulicznego. 3. Synchronizacja pomiędzy systemami (elektrycznym, hydraulicznym, mechanicznym) stanowi wyzwanie podczas projektowania ze względu na niestabilność pozycji zerowej. 4. Relatywnie trudne możliwości zastosowania redundancji (wielozadaniowości) układu hydraulicznego dla zaworów drugiego stopnia, co wiąże się z koniecznością zastosowania układów tzw. by-pass w przypadku awarii systemu pierwszego lub drugiego stopnia. 5. Wysokie przecieki wewnętrzne. 6. Bardzo niskie pobory mocy elektrycznej. 1. Zwykle większy i cięższy niż odpowiadający wydajnością EHSV. 2. Oddziela wystąpienie awarii elektrycznej i hydraulicznej na 1 stopni. 3. Podwyższona wydajność w niskich temperaturach. 4. Niskie przecieki wewnętrzne. 5. Doskonała stabilność pozycji zerowej wszystkich systemów, oraz możliwość regulacji. Ogólnie rzec ujmując, różnice branżowe/handlowe pomiędzy powyższymi technologiami są dość złożone. W odniesieniu do projektowania układów o najwyższej niezawodności, niskiej wagi oraz kosztów produkcji technologia DDV jest niekwestionowanym zwycięzcą.

5 5 Architektura siłownika FBW Architektura siłownika FBW została pokazana na rys. 1 Cztery ścieżki elektryczne z pełną mechaniczną separacją pomiędzy uzwojeniami Rys. 1. Sterowanie i redundancja układu FBW Siłownik składa się z podwójnego układu hydraulicznego, poczwórnego układu zasilania elektronicznego i układu zabezpieczającego rozdzielacz w zaworze. Cylinder główny siłownika ma konfigurację tandemową. Suwak zaworu rozdzielającego napędzany jest silnikiem obrotowym. Układ sterowania hydraulicznego jest podwójny z niezależnymi dla każdego układu mechanizmami zabezpieczającymi przed przeciążeniem. Wszystkie elementy rozdzielacza są zbalansowane ciśnieniowo i przepływowo w celu zminimalizowania sił tarcia i histerezy. Sprzężenie zwrotne zaworu jest realizowane za pomocą przetworników Halla. Silnik napędzający suwak rozdzielacza jest trójfazowy a ponadto posiada on 4 niezależnie połączone i odseparowane od siebie uzwojenia stojana. Sprzężenie zwrotne tłoczyska realizowane jest za pomocą układu mechanicznego lub przetwornika pozycji liniowej. Rysunek 2 przedstawia zintegrowanie silnika elektrycznego z systemem hydraulicznym. Czujnik System hydrauliczny 1 Wirnik System hydrauliczny 2 Sys 1 główna tuleja sterująca Sys 2 główna tuleja sterująca Sys 1 zapadka zabezpieczająca Sys 1 tulejka zewnętrzna (obraca się z mechanicznym sprzężeniem zwrotnym, stała z elektrycznym sprzężeniem zwrotnym Sys 2 zapadka zabezpieczająca Zasilanie cylindra 1 Czujnik Cewka Membrana Zasilanie uszczelniająca cylindra 2 Rys. 2. Rozdzielacz system hydraulicznego siłownika Sys 2 tulejka zewnętrzna (obraca się z mechanicznym sprzężeniem zwrotnym, stała z elektrycznym sprzężeniem zwrotnym Rozdzielacz zaworu

6 6 Sygnał sterujący jest wysyłany równocześnie do 4 cewek stojana silnika. Zsumowany prąd płynący w uzwojeniu generuje moment obrotowy bezpośrednio na wałku silnika (rozdzielacza). Zaprojektowany system elektryczny umożliwia prawidłowe działanie układu w przypadku wystąpienia nawet 3 awarii w danym czasie ekspozycji. Moment obrotowy generuje przyspieszenie kątowe co prowadzi do zmiany prędkości i położenia kątowego wirnika. Ma to dwie konsekwencje, zmianę przepływu w każdym z zaworów rozdzielających wraz ze zmianą napięcia z przetwornika Halla. Równocześnie zaczynają działać dwa mechanizmy sprzężenia zwrotnego. Sprzężenie zwrotne wewnętrzne kontrolujące pozycję wirnika w rozdzielaczu oraz zewnętrzne kontrolujące pozycję wysuwu tłoczyska siłownika. Jak wspomniano wcześniej sprzężenie zwrotne wewnętrzne jest realizowane za pomocą efektu Halla, natomiast zewnętrzne sprzężenie zwrotne pozycji tłoczyska poprzez układ mechaniczny lub przetwornik pozycji liniowej. Elementy sterujące są tak zaprojektowane, żeby minimalizować nieliniowości układu tzn. tarcia i luzów wewnętrznych. W związku z tym wirnik jest bezpośrednio połączony z suwakiem obrotowym rozdzielacza. Na rysunku 3 widać tłoczyska i cylindry siłownika FBW. Układ tłoczysk siłownika jest zbalansowany w taki sposób, żeby zachować stabilność tylnego tłoczyska. Podwójne uszczelnienie tłoka Pierścień zgarniający z dławicą Zewnętrzny mechanizm blokujący Rys. 3. Sekcja tłoczysk siłownika FBW

7 Kompletny siłownik kontroli lotu Rysunek 4 pokazuje kompletny siłownik FBW z układem serwo-zaworowym i mechanicznym sprzężeniem zwrotnym 7 Rys. 4. Widok siłownika FBW Konkluzje Celem zadania było zaprojektowanie siłownika o wyjątkowych osiągach pod względem bezpieczeństwa, prostoty i masy. Pod względem bezpieczeństwa jest on zgodny nie tylko z najnowszymi wymaganiami zdatności do lotu, ale także z najlepszymi rozwiązaniami w zakresie projektowania i konstrukcji. Technologia AM znacząco przyczyniła się do osiągnięcia tych celów. Dzięki niej można kontrolować i wykorzystać zewnętrzne i wewnętrzne cechy do awarii przy jednoczesnym spełnieniu wymagań wydajności. Obejmują one: utratę systemu hydraulicznego, awarię 3 obwodów sterowania oraz przeciążenie lub zacięcie głównego zaworu rozdzielającego. Jeżeli chodzi o prostotę i wagę to powyższy siłownik FBW ma znacznie mniejsze serwo-mechanizmy, jest lżejsze i składa się z mniejszej ilości części. W odniesieniu do wagi, masa siłownika Yasa stanowi około 50% wagi równoważnego siłownika FBW produkowanego konwencjonalnymi metodami.

8 Yasa Motors Poland Spółka z ograniczoną odpowiedzialnością S.K.A ul. Wojska Polskiego Mielec Poland tel info@yasa-aero.com