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埃里克·奥尔森发自工程社区CR4
飞机上的执行器执行许多重要功能，例如调节飞行控制表面，如电梯，方向舵，副翼，襟翼，板条和扰流板，伸出和缩回起落架，定位发动机进气口导向叶片和反推力装置以及打开和关闭货物或*器武**舱门。
在过去的几十年中，源控制信号以及飞机执行器的电源得到了发展。从电缆和杆之类的手动源开始，致动技术逐渐发展成液压驱动和电动驱动的解决方案。从手动动力源的过渡开始于液压机械系统，在该系统中，机械地传递了控制柱或操纵杆的运动，以操作液压回路中的控制阀，填充和清空油缸以产生执行器运动。
商用飞机的致动应用。资料来源：乔等。有关更多/所有电动飞机系统的电动执行器的综述。图像改编自Jean-CharlesMaré：2016年Wiley航空航天执行器1。
后来，电传操纵系统用电缆代替了机械连杆。在电传操纵系统中，飞行员的控制柱运动由飞行计算机解释，该计算机将电信号发送到执行器控制电子设备。控制电子装置指示液压控制阀的操作以设置在运动液压致动器中，或者指示电动机使机电致动器移动。电传操纵系统使飞机制造商能够在飞机系统中集成更多电动致动器，例如静液压致动器和机电致动器。这些执行器由通过线控动力系统输送的发动机驱动发电机产生的电能提供动力。
随着航空业朝着全电动飞机的长期野心向更多电动飞机的方向发展，这一转变发生了。将机械，气动和液压系统转换为电气系统的动机是出于对优化飞机性能，减少维护和运营成本，提高燃油效率和减少排放的渴望。
电传飞行控制系统的元件。资料来源：Garg等。光纤在飞机控制系统中的应用及其发展。2014年国际电子和通讯系统会议（ICECS）。
选择致动技术时，要考虑许多因素。诸如力和速度规格以及执行器的尺寸和重量之类的应用要求至关重要。在评估系统整个生命周期的总运营成本时，诸如能源效率，可靠性和安全性之类的总拥有成本因素也很重要。操作执行器所需要的每增加一盎司的重量和功率，就会导致额外的燃油消耗，使飞机的飞行成本更高。
本文讨论了三种执行技术-传统的电动液压执行器，电动静液压执行器和机电执行器-考察了它们的工作原理，优点和缺点，并重点介绍了将液压或电力转换为线性运动的这些执行器的线性形式。还提供液压旋转执行器和电动旋转执行器，其中动力被转换成旋转运动。
传统电动液压执行器（左），机电执行器（中）和静液压执行器（右）的简化示意图。资料来源：Lee等。实现具有集成电机驱动器和宽带隙电力电子技术的高性能电动执行系统。
电动液压执行器
传统的电动液压执行器系统需要中央液压动力供应，并带有通向每个执行器的液压管路。电命令信号控制伺服阀，以改变的量的液压流体从主液压流体供给输送到致动器。
由电动液压伺服阀驱动的飞机操纵面控制系统。资料来源：NASA。爱德华兹，JW（1972）。电动液压飞机操纵面伺服系统分析并与测试结果进行比较。
这种由电动液压伺服阀和液压执行器组成的电动液压伺服执行器系统能够产生很高的力而不会产生反冲。
然而，该系统需要集中的液压网络，该液压网络通过液压泵连续不断地消耗发动机的能量来保持恒定压力（常见的飞机液压系统工作压力为3,000 psi或5,000 psi）。连续的能量消耗导致液压流体的加热，需要冷却系统以维持可接受的液压流体温度。
用于A380电传操纵系统的电动液压伺服执行器，用于操纵扰流板表面位置4。来源：利勃海尔
中央液压网络还需要一个管道系统，以将加压的液压油输送到分布在整个飞机上的执行器，从而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，并需要大量的液压油。
常规的电动液压执行器在设备级别具有出色的功率密度（kW / kg），而在配电网络级别却具有较差的功率密度。
静液压执行器
相比之下，静液压执行机构是独立的液压单元，无需中央液压源和相关的液压管路。静液压执行器利用了设备级的高功率密度，并消除了与中央液压动力分配网络相关的效率低下的问题。
静液压的致动系统在致动部位处将电能从液压能转换为机械能。设备齐全的单元由电动机驱动，该电动机驱动液压泵为液压致动器加压流体。
为了控制静液压执行器的功率输出（例如，以相同速度移动各种大小的负载），必须控制泵的输出流量。这可以通过驱动固定排量液压泵的变速电动机或驱动可变排量液压泵的固定电动机来实现。
电子指令信号通过电缆传递到静液压执行器。在普通的变速电动机驱动的电动静液压致动器中，信号控制电动机的速度以向液压泵提供旋转动力，从而产生加压的液压流体以使液压缸在致动器处局部移动。
该图显示了在静液压执行机构中将电能转换为执行机构运动所涉及的主要组件。资料来源：乔等。有关更多/所有电动飞机系统的电动执行器的综述。
与传统的电动液压执行器相比，电动静液压执行器具有更高的能效。静液压执行器不会持续消耗发动机的动力以保持大型液压网络处于恒定压力，而是在移动负载时仅消耗动力（以发动机驱动的发电机产生的电能形式）。较低的能量消耗可在液压流体中产生较少的热量，从而无需冷却系统。与具有大量管路的中央液压网络相比，故障点更少，从而减少了泄漏的可能性，并减少了维护需求。
F-35多用途战斗机的电传飞控系统。F-35具有完整的线控动力系统，没有集中式液压网络。资料来源：穆格
静液压致动器也比机电致动器具有优势。更高的功率密度使它们可以在更紧凑的封装中产生更大的力。它们也没有反冲问题，可实现精确定位，而不会因机械组件之间的间隙而引起错误。另外，静液压的致动器没有遭受由于机电致动器中的齿轮齿或螺纹之间的干扰而引起的卡住的风险。
静液压致动器的缺点在于，它们需要液压油才能进行操作。尽管与常规的电动液压致动系统相比，流体的体积大大减少，但是流体的存在消除了100％无泄漏运行的可能性。
F-35多用途战斗机的主要飞行控制系统的致动组件。飞机的舵，襟副翼和水平尾翼由静液压执行器提供动力。资料来源：穆格
机电执行器
机电执行器不使用液压油，从而消除了有毒和易燃液体及其相关管道，电源和泄漏的可能性。
机电致动器将电能转换为机械能。电动机驱动线性致动器。伺服电机的旋转运动通过齿轮箱机械地耦合到顶丝杠，滚珠丝杠或行星滚柱丝杠，以转换为线性运动。也可以使用直接驱动版本，其中电机直接连接到螺杆机构，而无需变速箱。
该图显示了在机电执行器中将电能转换为执行器运动所涉及的主要组件。资料来源：乔等。有关更多/所有电动飞机系统的电动执行器的综述。
与传统的电动液压执行器相比，电动执行器的主要优点是消除了液压油。缺少这种液体和输送液体所需的管道会增加安全性，减轻重量，节省空间，提高能效并降低环境影响。没有泄漏的风险，并且无需进行诸如加注，充气，冲洗和过滤之类的流体调节任务，维护变得更加容易。
对于完全电动和全电动的飞机，机电执行器似乎是最佳的解决方案，因为它们完全消除了对液压油的需求。然而，当前的机电致动器技术在需要高输出力的应用中受到限制。例如，大型商用客机的主起落架收回致动器需要超过100,000磅力的负载能力。在这种情况下，液压执行器具有功率密度优势，能够在恶劣条件下的狭小空间内产生巨大的力，而无需为电机配备液体冷却系统。
机电执行器的缺点包括反冲，卡塞和热管理问题。由于互锁齿轮齿或螺纹之间存在间隙，会产生间隙，并导致位置误差。随着反复的磨损循环导致表面退化，齿隙会增加。由于涉及螺钉组件干涉或卡住的潜在故障，可能会导致执行器运动，因此对机电执行器造成干扰是一种风险。这可能是由于以下原因导致的：
- 齿轮和螺丝组件的机械磨损，包括由于外部载荷引起的疲劳，导致在滚道上的高接触应力
- 由于高温降低了润滑剂的粘度和厚度
- 组件的灾难性故障
行星滚柱丝杠机构将旋转运动转换为线性运动。图为（a）倒置和（b）标准配置。行星滚柱丝杠机构比滚珠丝杠机构可以承受更高的载荷，因为与滚珠相比，滚柱与丝杠的接触点更多，从而分散了载荷并减小了最大接触应力。资料来源：乔等。预装倒置行星滚柱丝杠机构的摩擦转矩建模和效率分析。
对于高负载应用中的机电执行器，热管理也是一个问题。在机电执行器中，由于铜定子绕组和铁定子铁芯中的电阻以及齿轮箱和螺杆机构中的摩擦，电动机中会产生热量。通过主缸中的液压油循环和热交换，可以更轻松地实现常规液压系统中的散热（例如，使用较冷的燃料从液压油中吸收热量）。相比之下，机电执行器必须局部处理散热。潜在的解决方案包括散热器，热管，液体冷却和相变材料。
作为一种相对较新的飞机致动技术，缺乏在飞机上运行的机电致动器的安全性和可靠性方面的知识和数据。与机电致动器有关的可靠性问题表明需要解决方案以提高其操作安全性。这些解决方案可能包括包含容错和冗余的设计，以及用于运行状况监视和预测性维护的系统。健康监控系统可以结合传感器来测量位置，间隙，负载，扭矩，振动和温度，并使用模型中生成的数据来预测理想的维护间隔，以防止发生故障。
机电致动器还不成熟，无法作为主要飞行控制的致动解决方案，这些控制系统连续执行对安全至关重要的飞机飞行轨迹校正（例如，舵调节偏航角，副翼控制滚轮和电梯改变俯仰角）。然而，机电执行器在飞机上以次要角色开始服役。它们在波音787上用于修整水平稳定器，启动中板扰流板和启动起落架制动器。
商用和*用军**飞机以及欧洲Vega火箭发射系统上使用的液压机械，电动液压，静液压和电动机械执行器的选择说明了航空航天驱动技术向全电动驱动的发展。资料来源：Maré＆Fu。回顾更多电动飞机的线控信号和线控动力。
尽管面临诸多挑战，但随着行业寻求在可靠性，热效率和封装尺寸方面的改进，机电致动器技术仍在不断发展。在飞机上不再需要液压致动的未来可能即将到来。为了弥合这一差距，独立的静液压执行机构正在减少向更多电动飞机过渡时对中央液压系统的需求，从而减少了燃油消耗并降低了维护成本。
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