THIẾT KẾ MÔ HÌNH DỰA TRÊN ACTIVE/ACTIVE ELECTRO-HYDROSTATIC ACTUATION CHO HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN BAY TRỰC THĂNG

THIẾT KẾ MÔ HÌNH DỰA TRÊN ACTIVE/ACTIVE ELECTRO-HYDROSTATIC ACTUATION CHO HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN BAY TRỰC THĂNG

🚀 Thách thức trong phát triển hệ thống điều khiển bay cho trực thăng

Làm thế nào để đảm bảo tính an toàn cho Hệ thống điều khiển bay chính (PFCS – Primary Flight Control System) trong điều kiện hoạt động khắc nghiệt của trực thăng?
Làm sao để ứng dụng Electro-Hydrostatic Actuation (EHA) thay thế hệ thống thủy lực truyền thống, trong khi vẫn đảm bảo phản hồi nhanh, chịu được rung động và có độ tin cậy cao?

Những câu hỏi này đặt ra một loạt thách thức kỹ thuật:

✔️ Tính an toàn cao (Safety-Critical): Trực thăng không có khả năng tái cấu hình PFCS khi xảy ra lỗi chấp hành. Mất kiểm soát cánh quạt chỉ trong vài mili giây có thể dẫn đến hậu quả nghiêm trọng.

✔️ Tải trọng và rung động đặc biệt: Hệ thống chấp hành phải chịu tải trọng dao động cao tần số trên 20Hz từ cánh quạt và hộp số.

✔️ Phản hồi động học cao: Trực thăng có tính ổn định khí động kém hơn so với máy bay cánh cố định, đòi hỏi hệ thống chấp hành có độ cứng cao, độ rơ nhỏ và tần số đáp ứng lớn.

✔️ Quản lý nhiệt độ: Hệ thống chấp hành phải hoạt động ổn định trong dải nhiệt độ từ -40°C đến 85°C, trong điều kiện tản nhiệt kém do trực thăng bay ở độ cao thấp.

✔️ Yêu cầu về độ cứng (Stiffness): Độ cứng của hệ thống chấp hành ảnh hưởng trực tiếp đến độ chính xác của phản hồi vị trí, khả năng chống nhiễu tải và ổn định tổng thể của hệ thống điều khiển.

1️⃣ Electro-Hydrostatic Actuator (EHA) – Giải pháp cho Hệ thống Điều khiển Bay của Trực thăng

Tại sao không sử dụng Electro-Mechanical Actuator (EMA)?

EMA có nguy cơ kẹt cứng (jamming), làm giảm độ tin cậy khi áp dụng trong điều khiển cánh quạt chính và cánh quạt đuôi. Điều này đã được chứng minh qua các dự án như HEAT (Helicopter Electro-Mechanical Actuation Technology) và HEMAS (Helicopter Electro-Mechanical Actuation System) nhưng chưa thành công trong thử nghiệm bay.

👉 EHA có lợi thế gì?

• Active/Active Redundancy: Khi một kênh gặp lỗi, kênh còn lại vẫn duy trì hoạt động mà không làm mất kiểm soát hệ thống.
• Cách ly lỗi dễ dàng: Nếu một kênh hỏng, van bypass có thể tắt kênh đó mà không ảnh hưởng đến hệ thống.
• Giảm thiểu lực chống đối (Force-Fighting): Hai kênh chấp hành có thể hoạt động song song mà không gây ra xung đột lực.

Ví dụ:

Ví dụ thực tế về ứng dụng EHA trong Hệ thống Điều khiển Bay Trực thăng

Một hệ thống Electro-Hydrostatic Actuator (EHA) dual-redundant đã được mô phỏng trên Simcenter Amesim, áp dụng vào hệ thống điều khiển cánh quạt chính (swashplate) của trực thăng.

📌 Cấu trúc hệ thống chấp hành gồm:

• Hai bộ Electric Motor Driven Pumps (EMDPs) hoạt động chế độ Active/Active.
• Một xi lanh thủy lực kép (tandem hydraulic cylinder), kết hợp xi lanh đối xứng và không đối xứng.
• Bộ điều khiển EHA, thực hiện kiểm soát vị trí qua thuật toán PID.
• Van chọn chế độ (Mode Selection Valve – MSV) để chuyển đổi giữa Active/Active, Active/Passive, hoặc chế độ trở về trung tâm.

🚀 Kết quả thử nghiệm mô phỏng trên Simcenter Amesim:

1️⃣ Hiệu suất đáp ứng:

• Thời gian phản hồi 0,6 giây trong chế độ Active/Active.
• Tăng lên 0,8 giây khi chuyển sang chế độ Active/Standby.

2️⃣ Phân tích lưu lượng bơm:

• Ở chế độ tải nhẹ, bơm đối xứng có hệ số dao động lưu lượng 6,1%, thấp hơn bơm không đối xứng 11,4%.
• Khi tải cao hơn, hệ số dao động giảm xuống còn 7,4% cho cả hai loại bơm.

3️⃣ Đánh giá ổn định điều khiển:

• Áp suất giữa hai buồng xi lanh có sự mất đồng bộ nhẹ (P1 và P3 không hoàn toàn khớp nhau).
• Cần cải thiện thuật toán điều khiển hợp tác để tối ưu hóa hiệu suất và giảm ảnh hưởng đến tuổi thọ EHA.

📊 Mô phỏng dưới điều kiện tải động thực tế:
Một tải 10 kN kết hợp với tải dao động 2 kN ở tần số 8 Hz được áp vào hệ thống. Kết quả cho thấy:
✅ Hệ thống vẫn duy trì kiểm soát vị trí chính xác.
✅ Tải động không gây ảnh hưởng lớn đến phản hồi vị trí của hệ thống.

Link bài báo: MODEL-BASED DESIGN OF ACTIVE_ACTIVE ELECTROHYDROSTATIC ACTUATION FOR HELICOPTER FLIGHT CONTROLS 

2️⃣ Hướng đi tiếp theo và đề xuất cải tiến

🔹 Tối ưu hóa thuật toán điều khiển:

• Giảm thiểu dao động mô-men xoắn của bơm không đối xứng.
• Cải thiện kiểm soát lực giữa hai kênh chấp hành để tăng độ bền hệ thống.

🔹 Cải tiến mô hình mô phỏng:

• Đơn giản hóa một số mô hình chi tiết để giảm thời gian tính toán.
• Thử nghiệm thêm các phương pháp điều khiển tiên tiến như Model Predictive Control (MPC).

🔹 Nghiên cứu thử nghiệm thực tế:

• Tích hợp hệ thống này vào một nền tảng trực thăng thực để kiểm chứng ngoài thực địa.

✈️ Việc ứng dụng EHA trong điều khiển bay trực thăng là một bước tiến quan trọng trong xu hướng More-Electric Helicopter (MEH) và All-Electric Helicopter (AEH). Với khả năng kiểm soát lực chính xác, cách ly lỗi tốt và hiệu suất cao, công nghệ này sẽ đóng vai trò then chốt trong hệ thống điều khiển bay của trực thăng thế hệ mới.

📢 Kết nối và Hợp tác

💡 Bạn có quan tâm đến việc triển khai Simcenter Amesim trong thiết kế hệ thống điều khiển bay? Hãy liên hệ ngay để được tư vấn chi tiết!