起落架是飛機重要的承力并兼有操縱特性的部件，其基本功能涵蓋支撐機身、吸收起飛和著陸過程中的沖擊力、保障飛機在地面時的穩(wěn)定性和安全性。在飛行過程中，為減少飛行阻力、提高飛行性能，大部分飛機均設置有收放系統(tǒng)。飛機的起降過程中，起落架收放系統(tǒng)必須在規(guī)定時間內(nèi)完成收上或放下的任務，這對保障飛機安全具有極其重要的作用。

一、飛機起落架的安全及應用

隨著當代飛機在空地之間的轉(zhuǎn)換頻率提高，起落架的工作環(huán)境愈發(fā)復雜多變，導致其故障率有所上升。依據(jù)美國聯(lián)邦航空局發(fā)布的咨詢通告AC20-340，在近幾年報告的1002起飛行器事故中，106起直接與起落架相關，這些事故均與起落架正常收放機制的可靠性有關。為確保飛機安全著陸，美國聯(lián)邦航空局制定的FAR25.729條款明確指出，針對所有運輸用途的飛機，在起落架收放系統(tǒng)出現(xiàn)任何可能失效或單個液壓源、電源及等效能源失效的情況下，飛機必須裝備至少一種應急釋放起落架的備用方案。我國民用航空局頒布的第25部分運輸類飛機適航規(guī)定中，同樣包含起落架在緊急情況下的操作要求。

在這一背景下，起落架部分通常設有常規(guī)收放與應急釋放兩套系統(tǒng)。一旦常規(guī)收放系統(tǒng)出現(xiàn)故障，應急釋放系統(tǒng)必須確保起落架能夠穩(wěn)妥地展開到位。全電式應急放系統(tǒng)相較常規(guī)機械式應急釋放系統(tǒng)具有顯著優(yōu)勢：其整體重量明顯下降，體積縮小，安裝布局更為便捷；電動操控系統(tǒng)使得部件監(jiān)控更加方便，有利于故障檢測和維護工作。鑒于此，全電式應急放技術展現(xiàn)出良好的應用前景，已成為航空領域的重要發(fā)展方向。

二、全電應急放技術原理及分類

飛機的應急釋放系統(tǒng)運作機制是通過特定手段激活起落架及其艙門的上鎖機構(gòu)，實現(xiàn)解鎖。解鎖后，起落架和艙門會在重力和氣動力作用下自動展開，并在到位后牢固鎖定。全電式應急開鎖系統(tǒng)的實施需對現(xiàn)有鎖機構(gòu)進行較大改動，因此，設計與電驅(qū)動裝置相配合的新型傳動機構(gòu)是該技術的研究重點之一。鑒于不同機型在空間限制、傳動力矩方面的要求存在差異，全電式應急放傳動結(jié)構(gòu)也有所不同，常見結(jié)構(gòu)類型有電作動筒式和凸輪傳動式。

2.1 電作動筒式應急放技術

電作動筒式應急放采用電作動筒為驅(qū)動機構(gòu)。電作動筒主要包括電機、減速器、內(nèi)置鎖、傳動機構(gòu)等核心部件。電作動筒所采用的傳動機構(gòu)多為滾珠絲杠式，這種方案具有效率高、精度高、壽命長、空間小等優(yōu)勢。

應急放下的電作動筒運作流程如下：當飛機控制系統(tǒng)下達指令，首先激活電動機，隨即解開內(nèi)部鎖定裝置。電動機帶動減速箱旋轉(zhuǎn)，從而增大輸出扭矩同時減少轉(zhuǎn)速。通過滾珠絲杠，將旋轉(zhuǎn)動作轉(zhuǎn)化為直線動作，推動推桿伸展，促使鎖定裝置開鎖。當推桿抵達預定的位置時，電動機隨即減速并反向旋轉(zhuǎn)，引導滾珠絲杠恢復原位，從而重新鎖定內(nèi)置的鎖定機構(gòu)。這一過程實現(xiàn)了從電能到機械能的精確轉(zhuǎn)換，確保解鎖動作的可靠執(zhí)行。

從系統(tǒng)集成角度看，電作動筒式應急放方案具有較好的模塊化特性。其結(jié)構(gòu)緊湊，可獨立安裝于鎖機構(gòu)附近，減少了液壓管路布置帶來的空間占用和重量負擔。在可靠性方面，由于取消了液壓介質(zhì)的依賴，避免了因液壓油泄漏、氣穴現(xiàn)象等導致的系統(tǒng)失效風險。

2.2 凸輪傳動式應急放技術

凸輪傳動式應急放采用電機為動力源，驅(qū)動凸輪旋轉(zhuǎn)。凸輪與從動件接觸，從動件跟隨凸輪軌跡移動，從而推動鎖機構(gòu)解鎖。凸輪傳動的優(yōu)點是結(jié)構(gòu)簡單，可設計凸輪軌跡實現(xiàn)精確控制，但從動件與凸輪接觸應力較大，容易磨損。

凸輪傳動式應急放的典型案例有A380和C919。A380起落架收放系統(tǒng)的鎖機構(gòu)采用電驅(qū)動裝置解鎖，傳動機構(gòu)為凸輪式，每個鎖設置一個作動器。空客A380的各個作動器在緊急情況下按照應急放控制模塊的指令依次運作，各電路均有獨立的FFCM負責監(jiān)管。一旦飛行員激活緊急啟動裝置，系統(tǒng)會立刻截斷各閥門，停止液壓系統(tǒng)供油，以避免產(chǎn)生氣穴現(xiàn)象和液壓鎖定。隨后，電動應急作動器促使凸輪旋轉(zhuǎn)，進而推動鎖定機構(gòu)解鎖，解開起落艙門及起落架的鎖定裝置，使起落架在重力作用下展開。

C919的起落架緊急解鎖機制同樣引入了凸輪傳動技術，通過一套電動驅(qū)動系統(tǒng)來完成。這一系統(tǒng)的核心由電機、蝸桿及凸輪盤三部分構(gòu)成。當電機啟動并開始旋轉(zhuǎn)時，通過與之相連的蝸桿將動力傳遞給凸輪盤，進而使與凸輪盤接觸的驅(qū)動曲柄球形承動部件旋轉(zhuǎn)，這樣尾部滾珠能夠與阻礙裝置分離，完成解鎖動作。

2.3 兩種技術方案的對比分析

電作動筒式與凸輪傳動式兩種方案各有優(yōu)劣，在實際應用中需根據(jù)具體機型的需求進行選擇。從結(jié)構(gòu)復雜度來看，凸輪傳動式結(jié)構(gòu)更為簡單，零部件數(shù)量較少，有利于降低制造成本和故障率。但從運動控制精度角度，電作動筒式采用滾珠絲杠傳動，可實現(xiàn)更高的直線運動精度，有利于精確控制解鎖行程。

在耐久性方面，凸輪傳動式存在接觸應力較大的問題，長期使用后容易出現(xiàn)磨損，影響解鎖可靠性。而電作動筒式的滾珠絲杠副在潤滑良好的條件下可保持較長的使用壽命。從系統(tǒng)集成角度考慮，電作動筒式模塊化程度更高，便于在不同機型間進行移植和適配。

三、全電應急放系統(tǒng)關鍵技術研究現(xiàn)狀

3.1 飛行器電作動技術研究現(xiàn)狀

全電飛機概念形成于20世紀60年代，是指二次能源采用電能的飛機，采用功率電傳代替液壓或機械傳動系統(tǒng)，采用電作動裝置取代液壓作動器，具有結(jié)構(gòu)簡單、重量輕、維修性好及生存能力強等優(yōu)點。全電飛機是當今飛行器發(fā)展的一大趨勢，各國在電作動技術上已有諸多成果。

20世紀70年代，美國空軍、海軍和NASA聯(lián)合開展了電作動器設計研究計劃。90年代，美國國防部和NASA立項發(fā)展全電飛機，經(jīng)過近十年的發(fā)展，全電飛機經(jīng)歷了第一代、第二代多電飛機和第三代全電飛機的研究、發(fā)展和驗證。美國在多款飛行器上采用了電作動技術，梅西埃-布加迪公司為B787設計了一款全電剎車裝置，實測剎車效率可達97%~98%，且每個機輪剎車裝置含有四個電剎車作動器，一個電剎車作動器故障不影響飛機任務；NASA在試驗機X-38上安裝了機電作動筒，用于驅(qū)動襟翼偏轉(zhuǎn)。

在電作動系統(tǒng)的核心部件研究方面，國際學術界開展了大量工作。針對機電作動器中無刷直流電機的建模與控制，研究者建立了相應的數(shù)學模型并分析了其力矩特性。Zhen.H等建立了機電作動器的電、機、熱三域仿真模型，利用統(tǒng)一求解器實現(xiàn)了高效率的解算。Trentin.A等針對飛行器機電作動器建立仿真模型，對機電作動器能量回收發(fā)電進行仿真，指出該方案應用于機電作動器制動的可行性。在控制策略方面，近年來預測控制理論被引入電作動系統(tǒng)，通過建立離散時間EMA模型，建立預測電流與作動器動態(tài)之間的關系，采用成本函數(shù)最小化算法確定最優(yōu)開關序列，從而生成電機運行所需的電壓矢量，顯著提升了系統(tǒng)的動態(tài)響應性能。

我國在飛行器電作動領域起步較晚，對電作動技術的研究與應用落后于歐美。面對這一差距，國內(nèi)各高校、航空研究所對電作動這一新興領域展開了探索。20世紀90年代，曹云峰等為某型無人駕駛直升機研制了一款基于電作動筒的新型電動舵機，測試表明該舵機具有良好的動態(tài)響應特性。周元均等研制了一種復合式裕度機電作動系統(tǒng)，具有“單故障工作、雙故障安全”的容錯能力，并對其性能進行了仿真分析。李麟等針對小型飛機起落架，研制了一套雙余度起落架電收放系統(tǒng)及其控制策略，可實現(xiàn)起落架的收放、鎖定、解鎖和應急放。南京航空航天大學針對某飛機主起落架上位鎖機構(gòu)，設計了一套電控應急開鎖作動器，運用CATIA建模平臺建立了數(shù)字樣機，并基于其工作原理設計了一套多余度電控系統(tǒng)，通過聯(lián)合仿真研究了電作動不同制動方式對應急開鎖性能的影響。

3.2 虛擬仿真技術研究現(xiàn)狀

機構(gòu)運動仿真研究所采用的研究工具和方法隨數(shù)學工具和計算機技術的發(fā)展在不斷進步。現(xiàn)代設計技術廣泛應用了CAD/CAE技術與LMS Virtual.Lab Motion、ADAMS、Nastran等機械系統(tǒng)運動學與動力學仿真模擬軟件，以及LMS Virtual.Lab AMESim等液壓仿真軟件，可完成對上位鎖機構(gòu)動力學仿真和起落架應急放性能的分析，大大提高了前期設計和迭代優(yōu)化的效率。

起落架系統(tǒng)虛擬仿真技術研究方面，國外很早就在起落架領域引入了虛擬仿真技術。早在1997年，Kruger.W等在論文中結(jié)合起落架落震、地面滑跑和擺振等三種工況介紹了三種虛擬仿真軟件。Terze.Z等針對大型運輸機著陸滑跑工況，建立了包含緩沖器非連續(xù)動力學、輪胎接觸動力學和前起落架支柱彈性動力學的起落架模型，仿真研究了不同下降速度和側(cè)風速度下的著陸情況。魏小輝等在LMS Virtual.Lab Motion和AMESim軟件平臺建立了起落架動力學模型和液壓系統(tǒng)模型，就某客機前起落架應急放失效問題進行聯(lián)合仿真，分析了液壓阻尼特性對應急放性能的影響。

電作動裝置虛擬仿真技術研究方面，作為全電式應急放的直接動力源，電作動裝置的性能較大程度上決定了全電式應急放系統(tǒng)的性能。針對電作動裝置的仿真分析已有較多成果。喬冠等在AMESim平臺建立了基于行星滾珠絲杠的機電作動器仿真模型，仿真分析了結(jié)構(gòu)剛度、摩擦、間隙等因素對舵回路系統(tǒng)動態(tài)性能的影響。盧曉慧等針對基于永磁容錯電機的機電作動器存在的飽和凸極效應，依托Matlab/Simulink平臺建立了非線性數(shù)學模型，研究結(jié)果有利于提高直驅(qū)型機電作動器的可靠性。

在聯(lián)合仿真技術方面，國內(nèi)研究機構(gòu)開展了大量工作。針對全電應急放系統(tǒng)，研究者基于LMS Imagine.Lab AMESim及LMS Virtual.Lab Motion的聯(lián)合仿真分析平臺，建立了應急放機械動力和電作動控制系統(tǒng)的聯(lián)合仿真模型，實現(xiàn)了機電液多學科耦合系統(tǒng)的協(xié)同仿真分析。這種聯(lián)合仿真方法能夠更準確地模擬實際工況下的系統(tǒng)行為，為電作動系統(tǒng)的設計和優(yōu)化提供了有效手段。

在故障模擬與安全性分析方面，針對起落架全電應急開鎖系統(tǒng)，研究者開展了故障模式及影響分析，并通過建立起落架應急開鎖系統(tǒng)故障樹模型，計算出頂事件失效概率以驗證應急開鎖系統(tǒng)的安全性要求。這些研究方法為全電應急放系統(tǒng)的可靠性設計提供了理論支撐。

四、全電式應急放系統(tǒng)發(fā)展趨勢分析

4.1 BIT技術在全電應急放系統(tǒng)中的應用

BIT技術，即機內(nèi)測試技術，是指系統(tǒng)通過內(nèi)置的傳感器和電路，完成對系統(tǒng)自身運行狀態(tài)的檢測，實現(xiàn)故障診斷和隔離。BIT在設備運行時實時檢測系統(tǒng)運行狀態(tài)參數(shù)，可第一時間發(fā)現(xiàn)性能參數(shù)退化或故障并向上位機發(fā)送告警信號，從而在一定程度上采取預防措施，避免出現(xiàn)重大事故。在全電式起落架應急放這一對可靠性要求極高的領域，BIT技術將發(fā)揮至關重要的作用。

BIT系統(tǒng)依靠自檢測電路和自檢測軟件技術實現(xiàn)故障檢測。其中，采樣模塊實現(xiàn)對系統(tǒng)各參數(shù)和信號的準確采集，并實時反饋到控制系統(tǒng)；控制系統(tǒng)完成對信號的處理后，提取整合關鍵數(shù)據(jù)特征，分析系統(tǒng)當前運行狀態(tài)，配合先進故障診斷算法完成故障識別與定位；對已識別出的故障進行判斷，評估故障的發(fā)展趨勢和影響范圍，執(zhí)行故障隔離預定流程，如降級運行、啟用余度系統(tǒng)等，同時控制系統(tǒng)將決斷飛行器是否能完成當前關鍵任務，并通過通信模塊向上位機發(fā)送報警信號。

在電作動系統(tǒng)的故障檢測方面，霍爾電流傳感器可用于檢測三相電機的相電流，當檢測到電流傳感器故障時，需要及時將反饋信息報告給飛行控制系統(tǒng)。相關研究已針對永磁同步電機驅(qū)動系統(tǒng)故障后的電流重構(gòu)方法進行了探索，提出了負載側(cè)電流的故障控制方法，并在逆變器上進行了實際應用驗證。對于內(nèi)置式永磁同步電機驅(qū)動系統(tǒng)中編碼器和電流傳感器故障，研究者也提出了相應的控制策略。控制器的首要目標是使受控系統(tǒng)能夠快速、準確地跟隨指令。

然而，國內(nèi)對BIT技術的研究起步較晚，且主要應用于雷達和控制器，以及對機電系統(tǒng)降虛警理論的研究，在起落架與全電式應急放領域還沒有成熟的應用案例。在航空服役環(huán)境下，機電設備運行工況復雜，故障早期的信號特征微弱，容易被機體振動、顛簸沖擊導致的噪聲淹沒。加之電機自身性能差異及負載擾動變化，導致健康狀態(tài)預估模型與監(jiān)測因子難以匹配。因此，航空服役環(huán)境下的狀態(tài)監(jiān)測與故障預警機制，是BIT技術在全電應急放系統(tǒng)應用中的一大難點，該方面仍有許多關鍵技術有待突破。

4.2 解鎖裝置輕量化設計技術

結(jié)構(gòu)輕量化技術是指在滿足結(jié)構(gòu)性能需求的前提下，通過對材料、結(jié)構(gòu)和制造工藝等方面的優(yōu)化，減少結(jié)構(gòu)重量的技術。當前，飛機輕量化設計的實施手段主要涵蓋了三個層面：采用輕質(zhì)合金材料、進行結(jié)構(gòu)優(yōu)化設計及運用尖端制造技術。其中，結(jié)構(gòu)優(yōu)化設計更能顯現(xiàn)其在飛機輕量化設計中的優(yōu)勢。

現(xiàn)階段，眾多國內(nèi)外專家學者對航空器部件的減重設計進行了深入的理論探討與實證分析，重點是通過結(jié)構(gòu)優(yōu)化手段來實現(xiàn)部件減重目標。該優(yōu)化手段大致可以劃分為三個主要類別：尺寸優(yōu)化、形狀優(yōu)化、拓撲優(yōu)化。尺寸優(yōu)化研究集中于對結(jié)構(gòu)元件的尺寸參數(shù)進行調(diào)整，目的是在保持結(jié)構(gòu)形狀和材料不變的前提下，通過調(diào)整尺寸來達到設計目標；形狀優(yōu)化則允許對結(jié)構(gòu)的形狀進行調(diào)整，以獲得更好的載荷分布和性能；拓撲優(yōu)化是結(jié)構(gòu)優(yōu)化設計中最前沿的方法之一，它主要關注材料在結(jié)構(gòu)內(nèi)部的分布，通過在給定的空間內(nèi)添加或移除材料來找到最優(yōu)的載荷路徑，可以揭示出最有效的結(jié)構(gòu)布局。拓撲優(yōu)化需要較多的計算資源，但它為創(chuàng)新設計提供了巨大的潛力，是目前主流的輕量化技術之一。

實現(xiàn)解鎖裝置輕量化設計的另一大要素是電機輕量化技術。電機輕量化的優(yōu)化目標即提高電機的功率密度。針對航空領域廣泛使用的永磁電機，提高功率密度的技術途徑可總結(jié)為以下幾個方向：高磁負荷、高電負荷及高轉(zhuǎn)速。其中磁負荷主要由永磁材料和形狀以及磁場諧波決定，目前一大研究熱點為優(yōu)化磁場諧波構(gòu)成以提升功率密度；電負荷提升主要依賴于電機繞組的導電性能提高；轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速的提高也有助于提高功率密度，但應急放場景下電機的轉(zhuǎn)矩輸出更為重要，高轉(zhuǎn)速需配合傳動比更高的減速器進行補償，反而可能導致整體增重。

在具體應用中，全電應急放系統(tǒng)的輕量化設計需要綜合考慮多方面因素。一方面，電作動器本身的結(jié)構(gòu)優(yōu)化，包括殼體材料的選用、傳動機構(gòu)的形式選擇等；另一方面，鎖機構(gòu)的結(jié)構(gòu)改進，通過拓撲優(yōu)化等方法減少不必要的材料，同時確保足夠的結(jié)構(gòu)強度。此外，系統(tǒng)集成層面的輕量化也是重要方向，如采用多電一體化設計理念，減少線纜和連接器的數(shù)量和重量。

五、未來展望

全電式應急釋放解決方案正逐漸成為技術演進的主要趨勢。然而在國內(nèi)，全電式應急釋放技術的研究尚處于起步階段，存在多項關鍵技術難題亟待解決。從湖南泰德航空的技術視角來看，未來該領域的發(fā)展可聚焦于以下幾個方向：

第一，高可靠性電作動系統(tǒng)的研發(fā)。針對航空應用對可靠性的嚴苛要求，需要在電機本體設計、驅(qū)動控制、故障容錯等方面開展深入研究。特別是在冗余設計方面，通過雙繞組電機、多通道控制等方案，確保單點故障不影響系統(tǒng)基本功能。

第二，智能化BIT技術的深度集成。結(jié)合先進的信號處理技術和人工智能算法，提高微弱故障特征的提取能力，降低虛警率。同時，建立適應航空服役環(huán)境的健康狀態(tài)評估模型，實現(xiàn)從故障檢測到故障預測的跨越。

第三，多學科優(yōu)化設計方法的工程應用。將結(jié)構(gòu)優(yōu)化、熱分析、電磁仿真等多學科設計方法有機結(jié)合，在滿足性能要求的前提下實現(xiàn)系統(tǒng)級輕量化。特別是拓撲優(yōu)化技術在解鎖裝置結(jié)構(gòu)設計中的應用，有望在保證強度剛度的同時大幅減重。

第四，標準體系建設與工程驗證。隨著全電應急放技術逐步走向工程應用，需要建立相應的設計規(guī)范、試驗方法和適航符合性驗證體系。通過充分的臺架試驗和飛行驗證，積累工程實踐經(jīng)驗，提升技術成熟度。

起落架全電應急放技術作為多電飛機發(fā)展的重要組成部分，正逐步從概念研究走向工程應用。本文系統(tǒng)梳理了該技術的背景需求、技術原理、研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢。電作動筒式和凸輪傳動式兩種技術方案各具特色，可根據(jù)具體機型需求進行選擇。在電作動技術與虛擬仿真技術方面，國內(nèi)外已取得豐碩成果，但仍存在差距。BIT技術與輕量化設計是未來發(fā)展的重要方向，需要持續(xù)攻關。

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湖南泰德航空技術有限公司于2012年成立，多年來持續(xù)學習與創(chuàng)新，成長為行業(yè)內(nèi)有影響力的高新技術企業(yè)。公司聚焦高品質(zhì)航空航天流體控制元件及系統(tǒng)研發(fā)，深度布局航空航天、船舶兵器、低空經(jīng)濟等高科技領域，在航空航天燃/滑油泵、閥元件、流體控制系統(tǒng)及航空測試設備的研發(fā)上投入大量精力持續(xù)研發(fā)，為提升公司整體競爭力提供堅實支撐。

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