Avaliação do desempenho dinâmico de um atuador hidráulico digital para aplicações aeronáuticas em condição de falha

Abstract

Esta dissertação apresenta uma análise do comportamento dinâmico de um Atuador Hidráulico Digital ? DHA para acionamento de superfícies de controle de aeronaves em condição de falha. Os acionamentos hidráulicos são amplamente utilizados em superfícies de controle de aeronaves, sendo a abordagem mais tradicional para esse fim o controle por servoválvulas ou válvulas proporcionais. Entretanto, a baixa eficiência energética devido aos efeitos restritivos e vazamentos internos vem motivando o desenvolvimento de novas soluções, onde destacam-se os sistemas hidráulicos digitais, que tem se mostrado como alternativa promissora para aliar o tradicional e já bem estabelecido desempenho robusto da hidráulica com ganhos de eficiência energética devido a eliminação desses efeitos. Contudo, poucos estudos ainda são encontrados sobre o desempenho de atuadores hidráulicos digitais em condições de falha, bem como sua capacidade de reconfiguração para promover a tolerância a falhas do sistema, sendo este um dos principais requisitos para aplicações aeronáuticas. Estudos iniciais para a concepção DHA mostraram que em condições de falha o atuador perde a capacidade de exercer determinados valores de força, que podem comprometer o desempenho operacional e a sua confiabilidade. Até o momento, não havia sido formalizada uma estratégia de reconfiguração para o sistema operando em falha, não se sabendo, portanto, se este seria capaz de continuar atendendo aos requisitos operacionais e garantir redundância funcional. Neste sentido, os resultados apresentados nesta dissertação compõem uma serie de análises realizadas com a concepção DHA, os quais permitiram uma maior compressão do seu comportamento em condições de falha, de forma a entender quais são os requisitos mínimos de redundância que garantem a operacionalidade do sistema para diferentes falhas. Para isto, foram utilizados experimentos e modelos matemáticos dos atuadores estudados que foram posteriormente redimensionados e aplicados nos elevons de um modelo de aeronave de combate na configuração delta-canard e monoposto. Por fim, esta dissertação se soma ao conjunto de trabalhos desenvolvidos pela parceria Brasil-Suécia envolvendo LASHIP-UFSC, FLUMES-LIU, CERTI e SAAB AB, que vem apresentando resultados promissores em soluções de atuadores hidráulicos digitais para fins aeroespaciais, recebendo reconhecimento internacional como referência nesta temática.

Abstract: This Master's thesis presents an analysis of the dynamic behavior of a Digital Hydraulic Actuator ? DHA designed for flight control purposes under a failure condition. The hydraulic technology is widely used for controlling flight surfaces in aircraft and the traditionally approach for this purpose is the control by servo or proportional valves. Nevertheless, the low energy efficiency of the conventional solutions, due to the resistive effects and internal leakage, has been motivating the development of new solutions that increasing the energy saving. In this scenario, the new researches on Digital Hydraulic Systems have shown the great potential of this technology to combine the well-established and robust performance of the hydraulic technology with high levels of energy efficiency. Nowadays, just a few studies are found about the DHA performance under a failure conditions, and also about their ability to reconfigure itself and increase the system?s fault tolerance, one of the main requirements for aeronáutical applications. The initial studies for the DHA conception under failure conditions showed that the actuator loses some discrete forces values, which can compromise their operational performance and reliability. Until now, a system failure reconfiguration strategy had not yet been formalized, and it is not known, therefore, if the system would be capable to meet the operational requirements and guaranteeing the functional redundancy. The results presented in this Master?s thesis comprise a series of analyzes that were carried out for the DHA concept, which allow an overview of the DHA behavior under failure conditions in order to better understand the functional redundancy requirements. Experimental tests at LASHIP's Digital Hydraulic test rig which comprises a DHA prototype were carried out and also simulations with validated mathematical models of the actuators were applied in a fighter aircraft model. The results of this Master's thesis adds to the set of previous works developed throungh the Brazil-Sweden partnership involving LASHIP-UFSC, FLUMES-LIU, CERTI, and SAAB AB, which has been showing promising results in Digital Hydraulics solutions for aerospace purposes, and receiving international recognition in this theme.