综合报告

作者及发表信息

本文的主要作者为杜永良和高亚奎，二人属于中航工业第一飞机设计研究院，研究工作的主要地点为中国西安。本文以《某运输机高升力控制系统设计》(High Lift Control System Design for a Transport Aircraft)为题目，发表于《中国科学: 技术科学》(Scientia Sinica Technologica) 2018年第48卷第3期，网络版于2018年2月9日在线发表。文章的DOI为10.1360/n092017-00203。

研究背景

现代飞机设计中，高速巡航与低速起飞着陆是需要统筹解决的关键矛盾。为了提升飞机的飞行性能，尤其是运输机的运行效率，增升装置成为必不可少的部件，这些装置包括前缘缝翼（leading edge flap）与后缘襟翼（trailing edge slat）。在低速飞行中，增升装置通过改变机翼几何特性提高升力系数，从而满足飞机的操稳性和运行安全性的需求。然而，对于这些增升装置的可靠控制与驱动依赖于高升力控制系统（high lift control system）的精确设计。

高升力控制系统作为一种辅飞行控制系统（secondary flight control system），需要满足一系列严格的适航标准，例如中国民用航空规章CCAR-25部对襟翼和缝翼同步控制的规定。这样，该系统在可靠性、安全性及功能设计上的高要求推动了本文研究工作的展开。

研究目的

本研究的主要目标是设计一套完整的高升力控制系统，用以管理某运输机的前缘缝翼与后缘襟翼的控制与驱动。该系统需同时实现对机翼增升面的电传飞行控制、保护（包括扭力传递保护、不对称保护等）、自检测功能以及故障状态下的系统安全持效。专项设计任务包括动力系统多源输入的扭力综合、传动线系适应机翼变形的能力、作动器防逆转设计以及系统容错能力的优化等。

研究过程

本文的系统设计工作大致可以分为以下几个主要部分：

1. 系统设计需求分析

作者首先明确了高升力控制系统在典型飞行阶段（如起飞、着陆和空投时）对增升装置的控制要求，包括同步控制角度升降、系统保护、程序控制及机上自检测功能。此外，系统必须满足单故障正常工作及双故障安全模式的国际适航规定。基于此，提出具体技术需求，例如采用左右对称的扭力传动系统、防止反向气动力矩传递的防逆转机构，及多工作模式以减缓故障状态下的系统性能降级。

2. 电-机传动设计

这一部分工作是围绕双驱动设计的高效率运行展开。针对两个动力源扭矩输入不一致可能产生“力纷争”的情况，作者创新性地借鉴了汽车差速器与差速锁的原理，通过设计差动减速器调节双动力源的力矩输出，确保多个动力源间的合理分配与可靠运行。同时，系统通过使用滑动接头和十字轴万向接头，解决了长传动轴在机翼弯曲及温度变化条件下可能产生的额外摩擦或卡滞问题。

3. 防逆转机构设计

气动反向载荷的自锁保护是此设计的重要环节。作者提出并开发了反传动双向逆止器（reverse drive double non-return device），将其集成在襟翼与缝翼的作动器内，从而在扭力杆故障时为舵面提供机械式锁定。这一设计在有效保障舵面安全的同时，避免了对额外翼尖制动装置的需求，大大简化了系统结构。

4. 电气控制设计

电气控制部分实现了系统的指令解析、运动控制、状态监控以及故障隔离保护功能。作者选用了自监控二余度控制架构（dual-channel control system with self-monitoring），以提升系统的可靠性和容错能力。为降低传感器接口的复杂性，用于检测襟翼扭曲的正余弦角位移传感器（sine and cosine displacement sensor）采用信号耦合的策略，大幅减少了控制器接口需求。整体控制策略遵循模块化与异步冗余设计原则。

5. 应急备份设计

为了避免数字通道失效带来的系统失灵风险，作者设计了一套基于开关互锁逻辑的应急备份系统。通过最简单的电路逻辑，该系统在不依赖高阶控制逻辑的条件下实现了襟缝翼的开环位置控制。

研究结果与数据支持

研究的各项设计得到了仿真与实验验证。在双动力源的扭矩综合问题上，差动减速器的引入成功解决了动力不均衡导致的同步障碍，并显著降低了结构疲劳风险。在作动器反向气动载荷测试中，反传动双向逆止器表现出高效且可靠的锁止性能。而信号耦合的检测方案，将襟翼扭曲监测对控制器接口需求从80路降低到30路，极大地降低了电气系统的复杂度。

系统可靠性预计模型表明，高升力控制系统的平均故障间隔时间（MTBF）达到了1325小时，高于国际适航标准要求的800小时。派遣可靠性计算得出的数值为0.99902，满足高可靠性运输机设计的基本需求。

研究意义与应用价值

1. 科学价值：本文对电-机传动设计、防逆转机构设计以及冗余控制策略进行了深入探索，所提出的技术方案不仅改进了传统运输机高升力控制系统的性能，也为其他辅助飞行控制系统设计拓展了思路。

2. 应用价值：对于民航及军用运输机，所设计的系统具备极高的操作安全性和流程优化效能。尤其是在适航标准的合规性、快速故障隔离与容错性上，该系统具有显著优势。

3. 工程创新：差动减速器的引入实现了双动力源设计的高效控制，而正余弦旋转变压器的扭曲检测方法与异步冗余的决策策略则大幅优化了电气控制系统的复杂度与可靠性。

研究亮点与创新性

1. 差动减速器原理应用于双动力综合设计，创新性解决了动力抗争问题；
2. 反传动双向逆止器的开发，将不可逆机构成功集成到作动器设计中；
3. 正余弦角位移传感器的信号耦合方案，大幅减少了硬件接口需求；
4. 自监控二余度设计，通过异步方式实现高效容错与决策逻辑分离；
5. 简化的应急备份逻辑实现了高续用性的襟缝翼控制功能。

总结

通过系统性设计与多方面测试验证，本文研究完成了一套技术先进、可靠性高的高升力控制系统。其研究成果尤其适合用于大型运输类飞机的设计，并为其他类似系统提供了重要参考。这一研究不仅在理论和工程上具有重要价值，也为行业提供了值得借鉴的案例和设计思路。