Development of a digital electro hydrostatic actuator for application in aircraft flight control surfaces

Abstract

Mediante a crescente conscientização global para a redução das emissões de gases do efeito estufa, a indústria aeronáutica vem buscando soluções mais eficientes que possam ser aplicadas em suas aeronaves visando a economia de combustível. Com a demanda crescente pelo transporte aéreo, essa busca por sistemas mais eficientes aumentou consideravelmente, dando origem a conceitos como More Electric Aircraf, que visa a substituição dos sistemas hidráulicos e pneumáticos por sistemas puramente elétricos. No entanto, a baixa relação peso potência, alta confiabilidade, boa resposta dinâmica faz com que a tecnologia dos atuadores hidráulicos seja amplamente utilizada no controle das superfícies primárias e secundárias de controle de voo. Porém, os sistemas hidráulicos são conhecidos pela sua baixa eficiência energética, a qual é causada pelas técnicas de controle restritivo que estrangulam a passagem de fluido em orifícios de controle, e também pelos vazamentos internos nos componentes. Com o intuito de melhorar a eficiência dos sistemas hidráulicos, a hidráulica digital surge como uma nova alternativa tecnológica, onde o controle é realizado por técnicas não restritivas, através do uso de componentes hidráulicos em paralelo ou através da hidráulica de chaveamento rápido. Mediante isto, esta tese de doutorado visa o desenvolvimento de uma nova solução de atuador hidráulico para aplicação em aeronáutica utilizando hidráulica digital. A solução desenvolvida visa o uso de uma bomba digital, válvulas on/off e cilindros multi-câmaras. Esta solução foi denominada de Digital Electro Hydrostatic Actuator - DEHA em alusão aos Electro Hydrostatic Actuators ? EHA. Para o projeto do DEHA, foi desenvolvida uma metodologia para a determinação da quantidade necessária de câmaras para o cilindro e o número de módulos binários para a bomba digital. Assim, um cilindro de quatro câmaras e uma bomba digital com três módulos binários foram utilizadas, resultando em 43 diferentes velocidades para o atuador. Com a definição do cilindro e da bomba digital, o atuador foi otimizado para um perfil de velocidades desejado utilizando um algoritmo de otimização. Para verificar a viabilidade da solução proposta, um modelo matemático utilizando os softwares MATLAB/Simulink e Hopsan foi elaborado. Além disso, um modelo para o EHA e outro para o SHA (Servo Hydraulic Actuator) foram elaborados para comparação de resultados e aferição das eficiências. Com o intuito de validar o modelo matemático, uma bancada de testes foi construída no Laboratório de Sistemas Hidráulicos e Pneumáticos ? LASHIP da UFSC, onde diferentes experimentos foram realizados. Os resultados obtidos mostram que o DEHA consegue controlar a posição com erro em regime permanente de 0.27×10-3 m e com eficiência energética da ordem de 54%, sendo 29 vezes maior que o SHA e 1.2 vezes maior que o EHA, o que demostra que o DEHA pode ser uma solução promissora para o desenvolvimento de atuadores hidráulicos mais eficientes.

Abstract: Through the growing global awareness to reduce greenhouse gas emissions, the aeronautical industry has been looking for more efficient solutions that can be applied in the aircraft in order to reduce fuel consumption. With the continuing growing demand for air transportation, the search for more efficient systems has increased considerably, bringing the concept called More Electric Aircraft, which aims to replace hydraulic and pneumatic systems with purely electric systems. However, the high power-to-weight ratio, high reliability, the good dynamic response makes hydraulic actuators technology widely used to control primary and secondary flight control surfaces. However, hydraulic systems are known by their low energy efficiency, which is caused by restrictive control techniques that throttle the passage of fluid through control orifices, and also by internal leakage of the components. To improve the efficiency of hydraulic systems, digital hydraulics emerges as a new technological alternative, where control is performed by non-restrictive techniques, through the use of hydraulic components in parallel or through fast switching hydraulics. Therefore, this doctoral thesis aims to develop a new hydraulic actuator solution for the application in aeronautics using digital hydraulics. The developed solution uses a digital pump, on/off valves, and a multi-chamber cylinder. The solution was called Digital Electro Hydrostatic Actuator - DEHA in reference to Electro Hydrostatic Actuators - EHA. For the DEHA design, a methodology was developed to determine the required number of chambers for the cylinder and the number of binary modulus for the digital pump. Therefore, a four-chamber cylinder and a digital pump with three binary modulus were used, resulting in 43 different velocities for the actuator. In addition, the actuator has been optimized for the desired velocity profile using an optimization algorithm. The same algorithm was used to optimize the pumps for the multi-chamber cylinder already available at the Laboratory of Hydraulic and Pneumatic Systems at UFSC. To verify the feasibility of the proposed solution, a mathematical model using the MATLAB/Simulink and Hopsan software was developed. In addition, a model for the EHA and another for the SHA (Servo Hydraulic Actuator) were developed to compare results and efficiencies. In order to validate the mathematical model, a test bench was built, where different experiments were performed. The results obtained show that DEHA is able to control the position with an error equals to 0.27×10-3 m in steady-state and with an energy efficiency of 54%, being 29 times higher than SHA and 1.2 times higher than EHA, which demonstrates that DEHA can be a promising solution for the development of more efficient hydraulic actuators.