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416《华东科技》航空机电作动器研究现状
刘成力，王志胜
（兰州工业研究院，甘肃 兰州 730050）
摘要：机电作动器（Electro-Mechanical Actuator，EMA）由于其构造紧凑，取消液压管路等优点，在航空领域有着极高的应用价值。本文阐述了国内外EMA的研究现状，详细介绍了国外的研究计划以及典型的EMA产品，并对国内外EMA的指标进行分析。最后总结了国内EMA研究的短板和技术发展方向。
关键词：机电作动器；航空；综述
目前，飞机上除了发动机主能源外，还存在电能、液压能等多种形式的次级能源。为了减少次级能源种类，解决多种能源形式共存导致的发动机附件复杂、安装空间紧张、维护操作不便等问题，多电/全电飞机的概念应运而生，波音787、空中客车A380、F-35是典型的多电飞机[1]。
随着航空领域多电/全电技术的发展，一个重要特征是用紧凑、可靠的电作动系统来替代大量的液压动力系统[2-4]，功率电传作动器的应用使空中客车公司A320客机机身减轻100 kg，A380客机机身减轻450 kg。机电作动器（Electro-Mechanical Actuator,EMA）[6]。
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本文对航空机电作动系统的研究现状进行了综述，重点介绍了国外代表研究机构及其典型的EMA作动器，回顾国内EMA的技术研发现状，在此基础上，对未来EMA的技术发展方向进行总结和展望。
铲的组词1 国外研究现状
20世纪80年代，美国国家航空航天局NASA就立项进行EMA专题研究，预期为未来全电飞机的发展奠定基础[1]，并于1998年在F/A-18B上进行飞行试验。近年来，为了提升EMA的可靠性，NASA 开展健康管理技术研究，主要包括故障诊断及寿命预测[2,3]。1990年至1992年，在欧盟FP2-AERO 0C的支持下，欧盟开展All Electric Aircraft Flight Control Actuation研究项目。2011年11月至2016年4月，欧盟实施机电作动项目ACTUATION 2015：Modular Electro Mechanical Actuators for ACARE (Advisory Council for Aeronautics Rearch) 2020 Aircraft and Helicopters，旨在为多种机型（商用飞机、直升机）的多种执行机构（飞行控制、高升力、主起落架、舱门等）开发和验证通用的标准化、模块化EMA。
加拿大McMaster University和波音研发人员建立考虑齿轮间隙的EMA数学模型，并通过改进伺服控制的环路结构来减小非线性因素的影响[4]。2017年，Jean-Charles Mare教授在综述文献[1]中回顾了航空作动系统的发展，总结了未来多电航空中电作动的挑战，指出高功率密度电机和高动态电机控制是EMA的重点研究方向。2019年，英国诺丁汉大学在Clean Sky 2项目支持下开发用于第二飞控EMA作
动系统的电机及驱动器[5]，设计了EMA控制器样机，电流内环为考虑PWM延迟的PI控制器，仿真结果显示，作动器在125 kN 负载下的直线运动速度为8.4mm/s，作动器伸出60mm用时7.25s。
经过多年预研项目的积累，国际知名航空制造商已经进行EMA 产品开发，具有相对成熟的经验。MOOG公司的EMA在航空航天、国防工业等领域的成功应用，推动了EMA技术的不断发展。MOOG在高性能伺服控制方面具有深厚的研发积淀，为多种型号提供产品。波音B787的扰流板作动系统由Moog提供。
2007年，空中客车公司联合法国赛峰（SAFRAN）集团公司的Sagem子公司开展COVADIS（flight control with distributed intelligence and systems integration，COVADIS）项目[6]，项目以空中客车公司A320机型副翼为应用对象，目标是提升EMA的技术成熟度。2009年11月开始地面试验，2011年1月装备EMA副翼的A320首飞，是EMA应用于主飞控作动的里程碑[7]。
SAFRAN集团旗下Sagem公司展开“SMART WING”的计划[8]，期望通过电驱动技术来实现一套完整的翼面作动解决方案，包括了直驱式EMA、旋转式 EMA等多种电作动器，最终实现减轻重量、维护简单和总体成本优化的目标。Safran为A320提供的副翼EMA如图1a所示，Safran为A350制造的水平安定面EMA如图1b
所示。
（a）A320机型副翼
EMA
（b）A350水平安定面EMA
图1 Safran制造的EMA[6]
Parker宇航在EMA研究及应用方面也拥有丰富经验。Parker研制的EMA具备容错能力，并可承受高温苛刻环境[9]。图2a中是洛克希德马丁航空公司（Lockheed Martin Aeronautics）和Parker Aerospace联合开发了一款EMA，用于EMA的失效模式研究。
Liebherr 为空中客车的A350客机制造的缝翼电作动控制器如图2b。
（a）Parker Aerospace和Lockheed Martin Aeronautics可靠性研究EMA
样机[7]
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（b）A350缝翼电作动控制器（Liebherr制造）[10]
图2 国际知名研究机构的EMA及控制器样机
2 国内研究现状
相比于国外，国内EMA的研究起步较晚，目前重点研究方向为高动态性能和高可靠性[11,12]。北京航空航天大学付永领教授团队与航空工业某厂于2006年合作，以英国Esterline公司生产的直驱式EMA作为参考，联合设计了一种直驱式双余度一体化EMA，最大负载力12kN，最大速度不小于150mm/s，电机额定转速2250rpm，并在直驱式双余度EMA的控制策略研究方面取得进展[13]。2020年，付永领
教授团队设计的EMA动态性能指标为：额定输出力3.5kN、有效行程40mm、最大直线速度66.7mm/s[14]。北京航空航天大学丁晓峰副教授在宽禁带器件应用及电驱动控制策略两个方向进行了深入研究[15]。南京航空航天大学赵东标教授团队对反步控制和自适应控制在EMA控制系统中的应用进行研究[16,17]
。
（a）复合四余度
（b）直驱双余度
图3 北京航空航天大学研制的EMA原理样机
航空工业集团618所、609所、114厂、135厂，航天一院18所、贵州航天林泉电机等航天单位也开展了EMA的研制工作，推动了EMA在工程应用上的进展。西北工业大学马瑞卿教授团队针对全电刹车系统进行研究[18,19]，在工程应用方面取得重大突破。
湘绣博物馆3 结语
尽管已在学术研究和工程应用方面取得一定进展，国内机电作动技术总体尚处于起步和发展阶段，尤其是高动态响应的EMA，与国外先进研究机构仍存在较大差距。航空EMA对动态频响及零低速稳态精度都提出更高要求，同时EMA面临更复杂的温度、振动、气压等应用环境，因此，高性能及高可靠是EMA未来重要的发展方向。参考文献：
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觅寻
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