飞机作动技术解析：电液、电静液与电动机械作动器的工作原理

航空作动技术的演进历程

过去几十年来，飞机上作动器的控制信号源和动力源不断发展。从最初的电缆和连杆等手动装置开始，作动技术逐步发展到液压驱动和电力驱动的解决方案。从手动动力源的转变始于液压机械系统，在该系统中，控制杆或操纵杆的运动通过机械方式传递，以操作液压回路中的控制阀，使液压缸充液和排液，从而产生作动器的运动。

后来，电传飞控系统用电缆取代了机械连杆。在电传飞控系统中，飞行员控制杆的运动由飞行计算机解读，飞行计算机向作动器控制电子设备发送电信号。控制电子设备指示液压控制阀动作，使液压作动器运行，或者指示电动机动作，使电动机械作动器移动。电传飞控系统使飞机制造商能够在飞机系统中集成更多的电动作动器，如电静液作动器和电动机械作动器。这些作动器由发动机驱动的发电机产生的电力供电，并通过电力线传输。

电传飞行控制系统的组成部分。Elements of a fly-by-wire flight control system. Source: Garg et al. Application of fiber optics in aircraft control system & its development. 2014 International Conference on Electronics and Communication Systems (ICECS).

随着航空航天行业朝着更多电飞机发展，并长期致力于全电飞机，这种转变应运而生。将机械、气动和液压系统转换为电动系统的动机是希望优化飞机性能、降低维护和运营成本、提高燃油效率并减少排放。

在选择作动技术时，需要考虑诸多因素。应用要求，如力和速度规格以及作动器的尺寸和重量至关重要。在评估系统整个生命周期的总运营成本时，总拥有成本因素，如能源效率、可靠性和安全性也很重要。操作作动器所需的每一盎司重量和每一瓦功率都会导致额外的燃油消耗，使飞机飞行成本更高。

本文将讨论三种作动技术 —— 传统电液作动器、电静液作动器和电动机械作动器，考察它们的工作原理、优缺点，并重点关注这些作动器的线性类型，在这些类型中，液压或电力被转换为线性运动。

传统电动液压执行器（左）、电动机械执行器（中）和电动静液压执行器（右）的简化示意图。Simplified schematics for a traditional electrohydraulic actuator (left), an electromechanical actuator ( middle), and an electrohydrostatic actuator (right). Source: Lee et al. Achieving High-Performance Electrified Actuation System with Integrated Motor Drive and Wide Bandgap Power Electronics.

传统电液作动器（Electrohydraulic actuators 电动液压执行器）

传统电液作动器系统需要中央液压动力源，液压管路通向每个作动器。电指令信号控制伺服阀，以改变从主液压油源输送到作动器的液压油量。

由电动液压伺服阀驱动的飞机操纵面控制系统。Aircraft control-surface control system powered by an electrohydraulic servovalve. Source: NASA. Edwards, J. W. (1972). Analysis of an electrohydraulic aircraft control surface servo and comparison with test results.

这种由电液伺服阀和液压作动器组成的电液伺服作动器系统能够产生非常高的力，且无背隙。

用于A380电传操纵系统的电动液压伺服作动器，用于驱动扰流板至位置4。Electrohydraulic servoactuator for the A380 fly-by-wire system used to actuate spoiler surface position 4. Source: Liebherr

然而，该系统需要一个由液压泵持续从发动机获取能量来维持恒定压力的中央液压网络（常见的飞机液压系统工作压力为 3,000 psi 或 5,000 psi）。持续的能量消耗会导致液压油发热，需要冷却系统来维持液压油的可接受温度。

中央液压网络还需要一套管道系统，将加压液压油输送到分布在飞机各处的作动器，这增加了额外的重量并占用了空间。大型液压网络增加了泄漏的风险，并且需要大量的液压油。

传统电液作动器在设备层面具有出色的功率密度（kW/kg），但在动力分配网络层面的功率密度较差。

该图展示了电动静液作动器中，将电能转换为作动器运动所涉及的主要部件。Diagram illustrating the main components involved in converting electric power to actuator movement in an electrohydrostatic actuator. Source: Qiao et al. A review of electromechanical actuators for More/All Electric aircraft systems.

与传统电液作动器相比，电静液作动器运行时具有更高的能源效率。电静液作动器无需持续从发动机获取动力来维持大型液压网络的恒定压力，而只是在移动负载时消耗动力（以发动机驱动的发电机产生的电力形式）。更低的能量消耗使液压油产生的热量更少，无需冷却系统。与具有大量管道的中央液压网络相比，故障点更少，泄漏的可能性降低，维护需求也减少。

F-35多用途战斗机的电传飞控系统。F-35采用全电传系统，无集中式液压网络。The fly-by-wire flight control system of the F-35 multirole combat aircraft. F-35s have a full power-by-wire system with no centralized hydraulic network. Source: Moog

电静液作动器相比电动机械作动器也有优势。更高的功率密度使它们能够在更紧凑的封装中产生更高的力。它们也没有背隙问题，能够实现精确定位，不会因机械部件之间的间隙而产生误差。此外，电静液作动器不会面临因电动机械作动器中齿轮齿或螺纹之间的干涉而导致的卡滞风险。

电静液作动器的一个缺点是它们需要液压油才能运行。尽管与传统电液作动系统相比，流体体积大大减少，但流体的存在否定了 100% 无泄漏运行的可能性。

F-35多用途战斗机主飞行控制系统的作动部件。Actuation components of the primary flight control system of the F-35 multirole combat aircraft. The aircraft’s rudder, flaperon and horizontal tail are powered by electrohydrostatic actuators. Source: Moog

电动机械作动器（Electromechanical actuators 机电作动器）

电动机械作动器不使用液压油，消除了这种有毒易燃液体及其相关管道、动力源和泄漏可能性。

电动机械作动器将电能转换为机械能。电动机驱动线性作动器。伺服电机的旋转运动通过齿轮箱机械连接到梯形丝杠、滚珠丝杠或行星滚柱丝杠，以转换为线性运动。也有直接驱动版本，其中电机直接连接到丝杠机构，无需齿轮箱。

该图展示了机电作动器中将电能转换为作动器运动所涉及的主要部件。Diagram illustrating the main components involved in converting electric power to actuator movement in an electromechanical actuator. Source: Qiao et al. A review of electromechanical actuators for More/All Electric aircraft systems.

与传统电液作动器相比，电动机械作动器的主要优点是消除了液压油。这种液体的不存在以及不需要输送它的管道，提高了安全性，减轻了重量，节省了空间，提高了能源效率，并降低了环境影响。由于没有泄漏风险，也没有诸如加油、充液、放气和过滤等流体调节任务，维护更加简便。

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行星滚柱丝杠机构将旋转运动转换为直线运动。Planetary roller screw mechanisms convert rotary motion to linear motion. Pictured are (a) inverted and (b) standard configurations. Planetary roller screw mechanisms can handle higher loads than ball screw mechanisms because rollers have more contact points with the screw compared to balls, distributing the load and reducing maximum contact stresses. Source: Qiao et al. Friction Torque Modelling and Efficiency Analysis of the Preloaded Inverted Planetary Roller Screw Mechanism.

电动机械作动器的缺点包括背隙、卡滞和热管理问题。背隙可能由于互锁齿轮齿或螺纹之间的间隙而产生，并导致位置不准确。随着重复磨损循环导致表面退化，背隙可能会增加。由于丝杠部件可能发生干涉或卡住，阻止作动器运动，电动机械作动器存在卡滞风险。这可能是由于以下原因造成的：

• 齿轮和丝杠组件的机械磨损，包括由于外部负载导致滚道上的高接触应力而引起的疲劳
• 高温导致润滑剂粘度和厚度降低
• 部件的灾难性故障

对于高负载应用中的电动机械作动器，热管理也是一个问题。在电动机械作动器中，由于铜定子绕组和铁定子芯中的电阻以及齿轮箱和丝杠机构中的摩擦，电动机会产生热量。传统液压系统中的散热更容易通过液压油循环和主油箱中的热交换来实现（例如，使用较冷的燃油吸收液压油中的热量）。相比之下，电动机械作动器必须在本地处理散热问题。潜在的解决方案包括散热器、热管、液体冷却和相变材料。

作为飞机上相对较新的作动技术，关于电动机械作动器在飞机上运行的安全性和可靠性的知识体系和数据还很缺乏。与电动机械作动器相关的可靠性问题表明，需要解决方案来提高其运行安全性。这些解决方案可能包括结合容错和冗余的设计，以及健康监测和预测性维护系统。健康监测系统可以结合传感器来测量位置、背隙、负载、扭矩、振动和温度，所生成的数据用于模型中，以预测理想的维护间隔，从而在故障发生前预防故障。

电动机械作动器作为用于持续执行安全关键的飞机飞行轨迹修正的主飞行控制（例如，方向舵调整偏航，副翼控制滚转，升降舵改变俯仰）的作动解决方案，尚未被认为足够成熟。然而，电动机械作动器正在飞机上的次关键角色中投入使用。它们在波音 787 上用于水平安定面的配平、中板扰流板的作动和起落架刹车的启动。

一系列用于商用和军用飞机以及欧洲织女星火箭发射系统的液压机械、电液、电动静液和机电作动器，展示了航空航天作动技术向全电作动的发展历程。A selection of hydromechanical, electrohydraulic, electrohydrostatic and electromechanical actuators used on commercial and military aircraft and the European Vega rocket launch system illustrating the progression of aerospace actuation technologies toward all-electric actuation. Source: Maré & Fu. Review on signal-by-wire and power-by-wire actuation for more electric aircraft.

尽管存在这些挑战，随着行业寻求提高可靠性、热效率和封装尺寸，电动机械作动器技术仍在不断发展。在不久的将来，飞机上可能不再需要液压作动器。为了弥合这一差距，独立的电静液作动器正在减少对中央液压系统的需求，在向更多电飞机过渡的过程中，降低燃油消耗和维护成本。

【i专栏】电静液作动器的定义及工作原理对比