Aerospace actuators 1: Needs, reliability and hydraulic power solutions

Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ix
Notations and Acronyms . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . xiii
Chapter 1. General Considerations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1
1.1. Power transmission in aircraft . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1
1.1.1. Needs and requirements for secondary
power and power flows . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1
1.1.2. Actuation functions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2
1.1.3. Actuation needs and constraints . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5
1.2. Primary and secondary power transmission
functions for actuators . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8
1.2.1. Primary functions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10
1.2.2. Secondary functions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12
1.2.3. Signal approach and power approach . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13
1.2.4. Types of actuators . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14
1.3. Hydraulic power actuation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16
1.3.1. Units and reference values . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16
1.3.2. Energy transport by a liquid . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18
1.3.3. Historical evolution of power and
pressure use . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22
1.3.4. Potential advantages and disadvantages
of hydraulic technology . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27
1.3.5. Overall hydraulic circuit architecture . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31
Chapter 2. Reliability . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33
2.1. Risks and risk acceptance . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33
2.2. Response to failure . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36
vi Aerospace Actuators 1
2.2.1. Resistance to failure . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37
2.2.2. Tolerance to failure . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38
2.2.3. Examples . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40
2.3. Redundancy. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40
2.3.1. Static redundancy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44
2.3.2. Dynamic redundancy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48
2.4. Feared events and failure rates in actuation . . . . . . . . . . . . . . . . . 51
2.5. Fundamentals of reliability calculation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52
2.5.1. Variables used in reliability calculation . . . . . . . . . . . . . . . . . 52
2.5.2. Generic failure rate models . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55
2.5.3. Reliability of element associations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57
2.6. Short glossary of technical terms
pertaining to reliability . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60
Chapter 3. Hydraulic Fluid and its Conditioning . . . . . . . . . . . . . . 63
3.1. Needs and constraints . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63
3.1.1. Opportunities and constraints in
hydrostatic power transmission . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63
3.1.2. Actual hydraulic fluid . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64
3.1.3. Physical properties . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 66
3.2. Fluid conditioning . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68
3.2.1. Fluid in sufficient quantity . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68
3.2.2. Pressurization and charging . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70
3.2.3. Filtration . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73
3.2.4. Thermal management . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 76
3.2.5. External leakage collection . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81
3.3. Monitoring and maintaining the fluid in
working conditions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81
3.3.1. Fluid quantity . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 82
3.3.2. Cleanliness . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 82
3.3.3. Pressurization – depressurization . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 83
3.3.4. Examples . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 83
3.4. Energy phenomena caused by the fluid . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 84
3.4.1. Hydraulic resistance . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 84
3.4.2. Hydraulic capacitance . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 84
3.4.3. Hydraulic inertia . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 87
3.4.4. Speed of sound in the hydraulic fluid . . . . . . . . . . . . . . . . . . 87
Chapter 4. Hydromechanical Power Transformation . . . . . . . . . . . 89
4.1. Hydromechanical power transformation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 89
4.2. Functional perspective . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 94
4.3. Technological shortcomings . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 95
Contents vii
4.3.1. Energy losses . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 96
4.3.2. Compressibility of the hydraulic fluid . . . . . . . . . . . . . . . . . . 97
4.3.3. Wall deformation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 97
4.3.4. Pulsations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 97
4.3.5. Drainage . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 99
4.4. Pump driving . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 100
4.4.1. Driving performed by main engines: Engine
Driven Pump (EDP) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 100
4.4.2. Driving performed by an electric motor:
Electro Mechanical Pump (EMP) or Alternative
Current Motor Pump (ACMP) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 102
4.4.3. Driving performed by a hydraulic motor:
Power Transfer Unit (PTU) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 102
4.4.4. Dynamic air driving: Ram Air Turbine
(RAT) or Air Driven Pump (ADP) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 104
4.4.5. Driving performed by a gas turbine: Solid
Propellant Gas Generator (SPGG) or Monofuel
Emergency Power Unit (MEPU) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 104
4.4.6. Fluid supply under pressure . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 105
Chapter 5. Power Metering in Hydraulics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 107
5.1. Power metering principles . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 107
5.2. Power-on-Demand. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 110
5.2.1. Metering by pump drive adjustment . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 110
5.2.2. Metering by displacement adjustment . . . . . . . . . . . . . . . . . . 111
5.3. Metering by hydraulic restriction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 114
5.3.1. Functional configuration . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 115
5.3.2. Types of distribution . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 120
5.4. Impact of restriction configuration and properties
on the metering function . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 122
5.4.1. Fixed hydraulic restriction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 122
5.4.2. Variable hydraulic restriction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 125
5.5. Servovalves . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 139
5.5.1. Architecture . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 139
5.5.2. Incremental improvements of servovalve performances . . . . . . . 143
5.5.3. Power supply of the electromagnetic motor . . . . . . . . . . . . . . 145
5.5.4. Concepts of pilot stages . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 145
5.5.5. Direct drive valve . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 151
Chapter 6. Power Management in Hydraulics . . . . . . . . . . . . . . . . 157
6.1. Power distribution . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 157
6.2. Providing power . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 157
viii Aerospace Actuators 1
6.2.1. Transporting fluid . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 157
6.2.2. Isolating . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 162
6.2.3. Sequencing user power supplies . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 165
6.2.4. Merging sources . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 165
6.2.5. Sharing sources . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 166
6.2.6. Storing/restoring energy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 168
6.2.7. Adjusting the pressure level . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 171
6.3. Protecting . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 172
6.3.1. Protecting against overpressure/overload . . . . . . . . . . . . . . . . 173
6.3.2. Protecting against cavitation and desorption . . . . . . . . . . . . . . 176
6.3.3. Protecting against over-consumptions . . . . . . . . . . . . . . . . . . 178
6.4. Managing the load . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 180
6.4.1. Locking the load in position . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 180
6.4.2. Ensuring irreversibility . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 181
6.4.3. Releasing the load . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 182
6.4.4. Damping the load . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 183
Chapter 7. Architectures and Geometric
Integration of Hydraulically-supplied Actuators . . . . . . . . . . . . . . 189
7.1. Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 189
7.2. Arrangement of actuation functions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 190
7.3. Architecture and routing of hydraulic power networks . . . . . . . . . . 191
7.3.1. Architecture . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 191
7.3.2. Routing . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 193
7.4. Integration of components and equipment . . . . . . . . . . . . . . . . . . 193
7.4.1. In-line integration . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 194
7.4.2. Manifold integration . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 194
7.4.3. Sub-system integration . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 197
7.5. Integration of actuators in the airframe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 200
7.5.1. Controls . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 200
7.5.2. Structural integration . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 203
Bibliography . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 209
Index . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 219