TWI632090B - 氣動式定位系統 - Google Patents

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TWI632090B
TWI632090B TW104104528A TW104104528A TWI632090B TW I632090 B TWI632090 B TW I632090B TW 104104528 A TW104104528 A TW 104104528A TW 104104528 A TW104104528 A TW 104104528A TW I632090 B TWI632090 B TW I632090B
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傑佛瑞Ｃ 寇夫曼
大衛Ｅ 布蘭汀
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Abstract

針對一氣動軸定位系統(pneumatic shaft positioning system)提出機制及流程。依據各種實例，該氣動軸定位系統包含一焰火閥門，此焰火閥門被組構成用以控制從一加壓氣源進入一壓力腔室之氣流。該壓力腔室包含一第一活塞，可滑動地耦接至該壓力腔室。當來自該加壓氣源的氣體填滿該壓力腔室之時，該活塞被組構成滑動通過該壓力腔室並迫使一軸部進入一預定位置。

Description

氣動式定位系統
本發明係有關於一種氣動式定位系統。
致動器(actuator)被使用於各種機械裝置之中以控制其功能並移動此等裝置的部件。具體言之，致動器係一種馬達(motor)，被用以控制一系統、機構、裝置、結構等等。致動器可以藉由各種能源對其供電，且可以將一種選定的能源轉換成動作。
例如，致動器被使用於電腦磁碟機之中以控制讀/寫頭之位置，其中數據資料透過該等讀/寫頭被儲存於磁碟之上並且自磁碟讀取出來。此外，致動器被使用於機器人(robot)，意即，被使用於自動化工廠之中以組裝產品。致動器亦操控運載工具上的制動器(brakes)；控制門的開啟及關閉；升降鐵道閘門以及執行日常生活中的許多其他事務。因此，致動器具有範圍廣泛的用途。
在航空學的領域之中，致動器被用以控制使航空器能夠飛行的各式各樣的操縱面(control surface)。舉例而言，位於每一機翼上的襟翼、擾流板及副翼，均需要一致動器。除此之外，位於尾翼的致動器控制一航空器的方向舵和升降舵。再者，位於機身之中的致動器開啟及關閉蓋住起落架艙的艙門。致動器亦被用以升降航空器的起落架。此外，位於每一引 擎上的致動器控制一飛機藉以減速之推力反向器(thrust reverser)。
常用的致動器分為兩種主要類別：液壓式和電動式，而此二類別間的差異在於動作或控制所藉以完成的推動力。液壓式致動器需要一加壓、不可壓縮之工作流體，通常是油。電動式致動器使用一電動馬達，利用某種傳輸，其軸部旋轉被用以產生一線性位移。
雖然液壓式致動器已廣泛地使用於飛機當中，但液壓式致動器的一個問題在於分配及控制加壓工作流體所需的管路配置。在一飛機之中，一個產生高壓工作流體之幫浦以及繞送工作流體所需的管路配置增添重量並增加設計複雜度，因為液壓式管線必須小心地配置其路線。此外，液壓式系統之中的可能故障模式包含壓力失效、滲漏、以及用以定位操縱面的伺服閥門的電氣故障。不管如何，液壓式系統之一固有特徵係液壓式飛行控制系統能夠在偵測到一故障之後使用阻尼力(damping force)以維持穩定性。
電動致動器克服了液壓式系統的許多缺點。特別是，電動致動器，藉由電能供予動力並受其控制，僅需要導線即能運作及控制。然而，電動致動器在飛機運作期間亦可能失效。例如，電氣馬達的線圈易受損於熱及水。此外，馬達軸部之軸承會磨損。馬達和負載之間的傳輸亦容易故障，其本來就比使用於一液壓式致動器之中的活塞和汽缸更加複雜。在電氣式和液壓式系統兩者的情況之中，一致動器之一機械性故障，例如齒輪或軸承故障等等，均可能造成致動器的機械功能喪失。此外，電氣系統可能失效。電氣失效的一種類型出現於傳送通訊至一致動器之指令迴路之失效。另一種類型的電氣失效出現於致動器內之一電力迴路失效，諸如通往 一馬達之一高電力迴路。
由於電子致動器系統日益增加地使用於航空器設計之中，故其需要新的方法以解決此等系統的可能失效模式。此等系統需要故障容忍度，意即，承受一或多個構件失效或故障，但又維持運作之能力。由於電動飛行控制系統不具備阻尼可用之液壓式流體，故其有必要納入備選的故障保全系統，可以在一失效事件之中使用。
本發明提出氣動軸定位系統以供使用做為主要系統故障期間的輔助性故障保全系統(fail-safe system)。依據各種實例，該氣動軸定位系統包含：一第一壓力腔室；一加壓氣源，連接至該第一壓力腔室；一第一閥門，控制從該加壓氣源進入該第一壓力腔室的氣流；以及一第一活塞，突出進入該第一壓力腔室並可滑動地耦接至該第一壓力腔室。當來自該加壓氣源的氣體填滿該第一壓力腔室之時，該第一活塞迫使一軸部進入一預定位置。
在一特色之中，其可以包含前述及/或以下實例與特色的其中任一者之標的之至少一部分，一氣動軸定位系統亦可以包含一第二壓力腔室及一第二活塞。該第二壓力腔室連接至該加壓氣源。該第一閥門控制從該加壓氣源進入該第二壓力腔室之氣流。該第二活塞突出進入該第二壓力腔室並且可滑動地耦接至該第二壓力腔室。當來自該加壓氣源的氣體填滿該第二壓力腔室之時，該第二活塞迫使該軸部進入該預定位置。
在一特色之中，其可以包含前述及/或以下實例與特色的其中任一者之標的之至少一部分，該第一活塞迫使該軸部沿一第一方向進入 該預定位置。該第二活塞迫使該軸部沿一第二方向進入該預定位置。該第一方向與該第二方向相反。
在一特色之中，其可以包含前述及/或以下實例與特色的其中任一者之標的之至少一部分，當該軸部位於該預定位置之時，該第一活塞及該第二活塞接觸該軸部。
在一特色之中，其可以包含前述及/或以下實例與特色的其中任一者之標的之至少一部分，該氣動軸定位系統亦包含一第一栓塞(stopper)與一第二栓塞。當該軸部位於該預定位置之時，該第一栓塞接合該第一活塞。當該軸部位於該預定位置之時，該第二栓塞接合該第二活塞。
在一特色之中，其可以包含前述及/或以下實例與特色的其中任一者之標的之至少一部分，該氣動軸定位系統亦包含一第三活塞與一第四活塞。該第三活塞突出進入該第一壓力腔室並且可滑動地耦接至該第一壓力腔室。該第四活塞突出進入該第二壓力腔室並且可滑動地耦接至該第二壓力腔室。當來自該加壓氣源的氣體填滿該第一壓力腔室與該第二壓力腔室之時，該第三活塞與該第四活塞迫使該軸部進入該預定位置。
在一特色之中，其可以包含前述及/或以下實例與特色的其中任一者之標的之至少一部分，該第一壓力腔室與該第二壓力腔室被一第二閥門分隔，該第二閥門防止氣流從該第一壓力腔室通往該第二壓力腔室。該第一壓力腔室包含一釋放閥(release valve)，該釋放閥被組構成用以降低該第一壓力腔室之中相對於該第二壓力腔室之一壓力。
在一特色之中，其可以包含前述及/或以下實例與特色的其中任一者之標的之至少一部分，該第一閥門自一飛行控制電腦接收一信 號，並根據該信號控制從該加壓氣源進入該第一壓力腔室之氣流。
在一特色之中，其可以包含前述及/或以下實例與特色的其中任一者之標的之至少一部分，該第一閥門包含一焰火爆破隔膜(pyrotechnic burst disc)。
在一特色之中，其可以包含前述及/或以下實例與特色的其中任一者之標的之至少一部分，當該軸部位於該預定位置之時，該氣動軸定位系統亦包含被組構成用以接合該第一活塞之一聯鎖機構(interlocking mechanism)。
依據各種實例，一機制包含：一飛行控制電腦系統；一軸部，具有一軸線；一致動器，沿著該軸線驅動該軸部之移動；以及一氣動軸定位系統。該致動器通信式地耦接至該飛行控制電腦。該氣動軸定位系統包含：一壓力腔室；一加壓氣源，連接至該壓力腔室；一閥門，控制從該加壓氣源進入該壓力腔室之氣流；以及一活塞，突出進入該壓力腔室並可滑動地耦接至該壓力腔室。該閥門通信式地耦接至該飛行控制電腦。當來自該加壓氣源的氣體填滿該壓力腔室之時，該活塞迫使該軸部進入一預定位置。
在一特色之中，其可以包含前述及/或以下實例與特色的其中任一者之標的之至少一部分，該活塞大致平行於該軸部之一縱向軸線滑動。
在一特色之中，其可以包含前述及/或以下實例與特色的其中任一者之標的之至少一部分，當該致動器故障之時，該飛行控制電腦系統自該致動器接收一故障信號，並傳送一啟動信號至該氣動軸定位系統的 該閥門。
在一特色之中，其可以包含前述及/或以下實例與特色的其中任一者之標的之至少一部分，當該致動器故障之時，該致動器斷離該軸部。
在一特色之中，其可以包含前述及/或以下實例與特色的其中任一者之標的之至少一部分，該致動器係一機電式致動器。
依據各種實例，其提出關聯一氣動軸定位系統之一流程。該氣動軸定位系統包含：一壓力腔室；一加壓氣源，連接至該壓力腔室；一閥門，控制從該加壓氣源進入該壓力腔室之氣流；以及一活塞，突出進入該壓力腔室並可滑動地耦接至該壓力腔室。該閥門被啟動。該啟動之閥門讓氣流能夠自該加壓氣源進入該壓力腔室，從而加壓該壓力腔室並迫使該活塞移出該壓力腔室。使該軸部接觸該活塞。當該軸部接觸該活塞之時，該活塞伸出該壓力腔室之外，從而將該軸部移動至一預定位置。
在一特色之中，其可以包含前述及/或以下實例與特色的其中任一者之標的之至少一部分，一啟動信號被接收於該閥門處。響應接收該啟動信號，該閥門被啟動。
在一特色之中，其可以包含前述及/或以下實例與特色的其中任一者之標的之至少一部分，在移動該軸部至該預定位置之前，該軸部被斷離一致動器。
在一特色之中，其可以包含前述及/或以下實例與特色的其中任一者之標的之至少一部分，當該軸部位於該預定位置之時，該活塞被鎖定。鎖定該活塞防止該活塞相對於該壓力腔室滑動式地移動。
在一特色之中，其可以包含前述及/或以下實例與特色的其中任一者之標的之至少一部分，氣體被從該壓力腔室釋出，從而允許該軸部移動進入一新位置。
以上及其他實施例參照圖式進一步描述於後。
100‧‧‧氣動軸定位系統
101‧‧‧外殼
103‧‧‧平移軸
105‧‧‧凸緣
107‧‧‧中央腔室
109‧‧‧壓力腔室
111‧‧‧壓力腔室
113‧‧‧活塞
115‧‧‧活塞
117‧‧‧活塞
119‧‧‧活塞
121‧‧‧移位腔室
123‧‧‧栓塞
125‧‧‧彈簧
129‧‧‧軸部
131‧‧‧平移
133‧‧‧氣體管線
135‧‧‧加壓氣源
137‧‧‧焰火閥門
141‧‧‧壓力腔室
143‧‧‧活塞
200‧‧‧氣動軸定位系統
301‧‧‧桿柱
303‧‧‧凹口
305‧‧‧桿柱
307‧‧‧凹口
309‧‧‧桿柱
311‧‧‧凹口
313‧‧‧桿柱
315‧‧‧凹口
401‧‧‧單向閥
403‧‧‧釋放閥
405‧‧‧加壓氣源
407‧‧‧焰火閥門
409‧‧‧加壓氣源
411‧‧‧焰火閥門
501‧‧‧飛行控制電腦系統
503‧‧‧主要致動器
505‧‧‧氣動軸定位系統
507‧‧‧外殼
509‧‧‧平移軸
511‧‧‧箭號
513‧‧‧樞轉點
515‧‧‧操縱面
600‧‧‧方法流程圖
602-610‧‧‧步驟
700‧‧‧航空器製造及服務方法
702-714‧‧‧步驟
730‧‧‧航空器
732‧‧‧機體
734‧‧‧航空器內的系統
736‧‧‧航空器內部
738‧‧‧推進系統
740‧‧‧電氣系統
742‧‧‧液壓系統
744‧‧‧環境系統
圖1係依據一些實施例之一氣動軸定位系統之一示意圖。
圖2A係依據一些實施例之一加壓氣源已被釋出之後之一氣動軸定位系統之一示意圖。
圖2B係依據一些實施例之一加壓氣源已被釋出之後之一氣動軸定位系統之另一示意圖。
圖3A至3B係依據一些實施例之具有一聯鎖機構之一氣動軸定位系統之示意圖。
圖4A係依據一些實施例之具有壓力閥門之一氣動軸定位系統之一示意圖。
圖4B係依據一些實施例之具有多重加壓氣源之一氣動軸定位系統之一示意圖。
圖5係依據一些實施例之一航空器飛行控制系統之一示意圖。
圖6係依據一些實施例之利用一氣動軸定位系統定位一軸部之一流程圖。
圖7A係一流程圖，依據一些實施例，顯現一航空器從製造的早期階段到進入服務的生命周期中的關鍵動作。
圖7B係一方塊圖，依據一些實施例，例示一航空器的各種關鍵構件。
在以下的說明之中，其闡述許多具體細節以提供對於本發明概念之一全盤了解。本發明之概念可以在略去此等具體細節的局部或全部的情況下實現。在其他樣例之中，眾所周知的流程動作並未被詳細描述，以免多此一舉地混淆所述之概念。雖然一些概念將配合特定之實施例加以說明，但其應能理解，此等實施例並未預計做為限定。
簡介
由於電子致動器系統日益增加地使用於航空器設計之中，故其需要新的方法以解決此等系統的可能失效模式。此等系統需要故障容忍度，意即，承受一或多個構件失效或故障，但又維持運作之能力。由於電動飛行控制系統不具備阻尼可用之液壓式流體，故其有必要納入備選的故障保全系統，可以在一失效事件之中使用。
一主要飛行控制系統需要操縱面即使在故障發生於致動系統之後仍維持穩定。在一主要飛行控制系統故障的情形下，操縱面必須藉由維持充分的阻尼或者鎖入定位以繼續保持穩定。若操縱面未受阻尼或鎖定，則操縱面將變成不穩定，導致機翼之一災難性故障。
其存在許多機制及程序，被設計以在主要飛行控制致動系統的故障事件之中穩定主要飛行操縱面。特別是，各種實例提供一輔助性故障保全系統，在萬一主要驅動系統故障時，定位並保持飛行操縱面，從而提供飛行操縱面之穩定性。具體言之，依據各種實例，一氣動源被用以在一故障模式情境下穩定及阻尼一機電式致動器。氣動式致動器之使用提供 一種輕量化的方式，能夠在航空器設計上產生重量及成本上的節省。
雖然所描述的各種實例係有關於一氣動式定位系統配合航空器設計之使用，但氣動式定位系統可以使用於各種機械式裝置及運載工具。例如，一氣動式定位系統可以使用於商用飛機、軍事飛機、旋翼飛機(rotorcraft)、運載火箭、太空船/人造衛星等等。此外，一氣動式定位系統可以使用於車輛導航控制系統。再者，氣動式定位系統可以使用於各種裝置之中，諸如，但不限於，機器人、陸上車輛、軌道車輛、閘門、房門等等。
系統實例
其提出許多機制及程序，提供一氣動軸定位系統，可以在一主要系統故障之時被使用做為一輔助性故障保全系統。參見圖1，其顯示依據一些實施例之一氣動軸定位系統之一示意圖。如圖所示，系統100包含一外殼101，具有壓力腔室109、壓力腔室111以及中央腔室107。平移軸103通過外殼101並包含凸緣105。在如圖所示的一些實例之中，凸緣105可以從平移軸103的兩側突出，且在其他實例之中，可以在平移軸周圍形成一環形或其他形狀。平移軸103可以於中央腔室107之內沿其縱向軸線之方向往返運動或平移131。此平移軸103可以是正常運作期間提供平移131之控制的另一機械系統或致動器的一部分。取決於應用，在一些實例之中，平移可以是在大約½吋的範圍之內，而在其他實例之中，在5到10吋的範圍之內，或者任何其他距離，取決於在一機械裝置或致動器之內如何使用平移軸103。
在本實施例之中，加壓氣源135透過氣體管線133連接至壓力腔室109及111，且藉由閥門137與壓力腔室109及111分隔。依據各種 實例，加壓氣源135可以是儲存於瓶中之加壓氣體氮(GN2)，或者任何其他適當之氣體。瓶裝GN2可以取得自任何來源，諸如市售之現貨瓶裝氣體。在一些實例之中，瓶內的GN2之壓力可以是在大約3000至4000psi的範圍之內。依據各種實施例，閥門137可以是一焰火閥門，且可以包含一焰火爆破隔膜，此焰火爆破隔膜係設計以密封加壓氣源而隔離氣體管線133，直到焰火爆破隔膜破裂為止。該焰火閥門可以取得自市售現貨物項，且預計係一次性的使用。
依據本實施例，活塞113及115係位於壓力腔室109之內，而活塞117及119係位於壓力腔室111之內。每一活塞均具有一軸部129(此軸部之描述係參照活塞113進行，但此描述亦適用於其他活塞)，其延伸通過外殼101中之一邊壁而通往中央腔室107。活塞113藉由彈簧125保持就位，其在正常的致動器運作期間，防止軸部129進入中央腔室107並將軸部129保持於平移軸103的路線之外。此等彈簧125係位於移位腔室121之內。
在本實施例之中，氣動軸定位系統100在一主要系統故障之時充當一輔助性故障保全系統。特別是，平移軸103之移動可以受控於一個本身是主要系統一部分的致動器(圖中未顯示)。在正常的致動器運作期間，活塞113、115、117及119藉由其各別的線圈彈簧被保持於一回縮位置，如圖所示。藉由活塞113、115、117及119之回縮，平移軸103透過一正常衝程自由地移動而未受該等活塞之干擾。當被一電信號命令之時，焰火閥門137內部之一爆破隔膜被擊碎，讓氮氣(GN2)能夠自加壓氣源135排出。該等GN2從而流過氣體管線133並進入壓力腔室109及111。該等GN2將活塞推入中央腔室107並迫使該等活塞朝平移軸凸緣105靠近。在一些實例 之中，該等活塞將平移軸103驅動至一預定位置，諸如一中央位置，並保持於此位置，如圖2A所示。
參見圖2A，其顯示加壓氣源已被釋出之後之一氣動軸定位系統之一實例。特別是，GN2已被釋出進入到壓力腔室109及111，且活塞113、115、117、及119朝平移軸103之凸緣105推壓，使得平移軸103被保持於一穩定位置。在本實例之中，彈簧被擠壓，但為了清楚起見，圖中僅顯示其中一組。此外，諸如活塞113上之栓塞123的栓塞防止活塞軸部過度延伸進入中央腔室。
在本實施例之中，平移軸103及該等活塞配置於密封墊之上，故GN2被阻塞於外殼腔穴109及111之中，且活塞上的壓力均隨著時間維持，從而將平移軸103保持於如圖所示的中立位置(neutral position)。在一些實例之中，密封墊摩擦力可以是一活塞之負載容量的大約百分之10。在一些實例之中，活塞上的壓力可以是在大約1500psi的範圍之內，諸如當加壓氣源被釋出於加壓腔室109及111之前包含大約3000psi的GN2之時。然而，其應能體認，此等壓力可以隨壓力腔室、活塞、平移軸以及系統其他構件之尺寸及組態而變動。
一旦系統完成其穩定平移軸103的工作，且不再需要此組態，則該加壓氣源135及焰火閥門137即可被撤除。該等活塞可以被回復至其原始位置，且氣動軸定位系統可以再次與主要致動器在未來的運作期間一起被使用做為一故障保全系統。如前所述，該氣動軸定位系統在一主要致動器或系統之一故障期間被啟用。因此，該系統在正常運作期間可以如圖1所示地保持完好，並在主要致動器的多次重複使用下不被觸發或啟動。
在圖2A所示的實例之中，平移軸103被保持於一中央位置，做為其預定位置。在一些實施例之中，該等活塞可以被預先定位，以控制當閥門被觸發之時軸部將終止於何處。活塞衝程可以被調整以在釋放時建立一所需之位置。在一些實例之中，該預定位置可以是達成最理想的空氣動力系統之一空檔位置，諸如用以降低阻力(drag force)等等。在其他實例之中，其可能需要一不同的預定位置。
參照圖2B，其顯示依據一些實施例之一加壓氣源已被釋出之後之一氣動軸定位系統之一選替性實施例。特別是，系統200包含單一壓力腔室141及活塞143。在本實例之中，GN2已被釋出進入到壓力腔室141且活塞143已朝平移軸103之凸緣105推壓，使得平移軸103被保持成一穩定位置。在本實例之中，彈簧被擠壓而栓塞123防止活塞軸部過度延伸進入凸緣所在的中央腔室107。如圖所示，平移軸103被保持成靠近中央腔室107之一邊壁，從而使平移軸103穩定於此預定位置。雖然本實例顯示使用一活塞，但其可以使用一額外活塞，且在一些實施例之中，壓力腔室141可以被擴充以容納此額外活塞。在此等實施例之中，該二活塞均將朝中央腔室107之邊壁壓擠凸緣105。此外，其可以使用任何數目之活塞，取決於平移軸、凸緣、壓力腔室以及系統其他部件之具體特性。
在本實施例之中，平移軸103及活塞係配置於密封墊之上，故GN2被阻塞於壓力腔室141及氣體管線之中，且活塞上的壓力均隨著時間維持，從而將平移軸103保持於如圖所示的穩定位置處。一旦系統完成其穩定平移軸103的工作，且不再需要此組態，則該加壓氣源135及焰火閥門137即可被撤除。活塞可以被回復至其原始位置，且氣動軸定位系統可 以再次與致動器在未來的運作期間一起被使用做為一故障保全系統。如前所述，該氣動軸定位系統在一主要致動器或系統之一故障期間被啟動。
依據各種實施例，一旦被啟動且已抵達一預定位置，即可使用一聯鎖機構以將活塞固定於一氣動軸定位系統之中。參見圖3A，其顯示具有一聯鎖機構之一氣動軸定位系統之一實例。特別是，本實施例之中所顯示的氣動軸定位系統係類似於如前所述顯示於圖1之系統，但亦加入一聯鎖系統之特徵，其包含桿柱301、305、309及313，位於其各別的活塞113、115、117及119之中。依據各種實施例，每一桿柱均可以包含一彈簧，使得其在系統尚未啟動且活塞尚未接合之時能夠如圖所示地停駐於一回縮位置。然而，當與匹配的凹口303、307、311及315對齊之時，此等桿柱可以擴展入該等凹口，如圖3B所示。例如，在一些實例之中，可以使用一棘爪彈簧(D-tent spring)做為桿柱。
參見圖3B，其顯示具有一接合聯鎖機構之一氣動軸定位系統之一實例。特別是，本實施例之中所顯示的氣動軸定位系統係類似於如前所述顯示於圖2A之系統，但亦加入一聯鎖系統之特徵，其包含桿柱301、305、309及313，位於其各別的活塞113、115、117及119之中。在本實例之中，於焰火閥門137被啟動之後，加壓氣源135已被釋出進入壓力腔室109及111。活塞113、115、117及119被朝平移軸103之凸緣推壓，使得平移軸103被保持於一穩定之預定位置。在本實例之中，彈簧被擠壓，但為了清楚起見，圖中僅顯示其中一組。
在本實施例之中，當該等活塞被朝著平移軸103之凸緣推壓，使得平移軸103抵達其預定位置之時，桿柱301、305、309及313對齊 凹口303、307、311及315，且該等桿柱延伸進入此等凹口之中。當該等桿柱延伸進入凹口之時，如圖3B所示，該等活塞被該聯鎖機構實體地鎖入定位。
在一備選實施例之中，該聯鎖機構可以包含聯鎖凸輪以鎖定軸部的旋轉動作。例如，當平移軸位於預定位置之時，一驅動凸輪及鎖定凸輪可被用以彼此接合，而在平移軸的正常運作期間彼此斷離。特別是，在許多實施例之中，該驅動凸輪及鎖定凸輪可以使用一旋轉鎖定動作以彼此接合。
依據各種實施例，額外或選替性特徵可以被納入一氣動軸定位系統之中。例如，在一些實施例之中，一氣動軸定位系統可以包含被設計成容納不同壓力的壓力腔室。藉由在壓力腔室之中建立不同壓力，當系統啟動之時平移軸所固定的預定位置可以根據應用加以調整。
在壓力腔室之間建立不同壓力的方式之一係將閥門納入一氣動軸定位系統之中。參見圖4A，其顯示依據一些實施例之具有壓力腔室閥門之一氣動軸定位系統之一示意圖。特別是，本實施例之中所顯示的氣動軸定位系統係類似於如前所述顯示於圖1之系統，但亦加入一單向閥(one-way valve)401及一釋放閥403之特徵。
在本實施例之中，在焰火閥門137破裂使得氮氣(GN2)能夠從加壓氣源135排出之後，GN2被釋出進入氣體管線而能夠自由地流入壓力腔室109之中。此外，GN2亦可以透過單向閥401流入壓力腔室111。在一些實例之中，單向閥401會讓GN2進入壓力腔室111直到其抵達一個特定的壓力為止。例如，此壓力可以被設定於一個相對於壓力腔室109中的 壓力之更低壓力，使得活塞117及119被推入中央腔室之距離比活塞113及115短，從而將平移軸103定位於相對於中央腔室內之一中央位置而言一略微偏右的位置。在其他實例之中，單向閥401可以允許GN2流入壓力腔室111，直到其與壓力腔室109達到平衡為止，但壓力腔室111之中的GN2將不被允許回流至壓力腔室109。若釋放閥403被觸發，則氣體可以被從壓力腔室109釋出，同時壓力腔室111維持一固定壓力。在又其他實施例之中，釋放閥403可以被納入，但未納入單向閥401，反之亦然。在釋放閥403被納入但未納入單向閥401的實施例之中，當系統已完成其穩定平移軸103之工作且不再需要此組態之後，釋放閥403可被用以釋放GN2。例如，釋放閥403可在著陸之後或者航空器維修期間被用以放出加壓氣體並且重置系統。在一些實例之中，釋放閥403可被用以在飛行期間將平移軸103回歸至一運作位置。
在壓力腔室之間建立不同壓力的另一種方式係針對每一壓力腔室納入不同的加壓氣源。參見圖4B，其顯示依據一些實施例之具有多重加壓氣源之一氣動軸定位系統之一示意圖。特別是，本實施例之中所顯示的氣動軸定位系統係類似於如前所述顯示於圖1之系統，但壓力腔室109透過焰火閥門407連接至加壓氣源405且壓力腔室111透過焰火閥門411連接至加壓氣源409。
在本實施例之中，當被一電信號命令之時，焰火閥門407內部之一爆破隔膜被擊碎，讓氮氣(GN2)能夠自加壓氣源405排出，且焰火閥門411內部之一爆破隔膜被擊碎，讓氮氣(GN2)能夠從加壓氣源409排出。接著，來自加壓氣源405的GN2而後流過氣體管線並進入壓力腔室109， 從而將活塞113及115推入中央腔室107並迫使該等活塞靠近平移軸103之凸緣。此外，來自加壓氣源409的GN2流過氣體管線並進入壓力腔室111，將活塞117及119推入中央腔室107並迫使該等活塞靠近平移軸103之凸緣。
依據各種實施例，該等活塞將平移軸103驅動至一預定位置。在一些實例之中，此預定位置可以是位於一個在中央腔室107的中心以外的位置。例如，若壓力腔室109包含一個比壓力腔室111更低之GN2壓力，則活塞113及115被推入中央腔室之距離比活塞117及119短，從而將平移軸103定位於相對於中央腔室107內之一中央位置而言一偏左的位置。藉由調整壓力腔室109及111的相對壓力，可以取決於應用調整平移軸103的預定位置。每一腔室的壓力均可以以多種方式加以調整。例如，腔室的尺寸可以被調整，或者加壓氣源135之壓力可以被調整。
操作實例
依據各種實施例，當一主要系統故障之時，可以使用一氣動軸定位系統做為一輔助性故障保全系統，其實例更全面性地描述於上。參照圖5，其顯示依據一些實施例之一航空器飛行控制系統之一示意圖。在特定的實施例之中，一氣動式定位系統可以被使用於航空器控制系統。特別是，一氣動軸定位系統在一主要致動器故障之時可以被使用做為一輔助性故障保全系統。
眾所周知，航空器(為了清楚起見未顯示於圖中，但相關技術已眾所周知)具有附接至一機身之機翼。機翼之中的操縱面控制的項目包括爬升及下降的速率。附接於機身後部的尾翼部分提供操縱及靈敏性。一引擎提供推力且可以在機翼處、在尾翼中、或者於機身附接至飛機。由於 航空器結構係習知的，故為了簡潔起見，此處省略其例示。各種致動器控制位於機翼、尾翼、起落架、起落架艙門、引擎推力反向器等等之中的飛行操縱面之動作。
在本實施例之中，其顯示一操縱面515之一實例。此例中，平移軸509耦接至一航空器之一操縱面515之一樞轉點513。平移軸509沿著箭號511所指示的方向之移動僅是主要致動器503可以致使例如擾流板、襟翼、升降舵、方向舵或副翼之一操縱面移動的一種方式，從而控制該航空器。類似的平移可以控制其他飛行操縱面、機身艙門、起落架、推力反向等等。
依據本實施例，一飛行控制電腦系統501電性耦接至主要致動器503及氣動軸定位系統505，該二者均位於外殼507之中。在一些實例之中，主要致動器503可以是一電動線性致動器。正常運作期間，主要致動器503控制平移軸509之移動。氣動軸定位系統505僅在主要致動器503之一故障期間被啟動。因此，氣動軸定位系統在正常運作期間維持閒置，且不干擾主要致動器503或者平移軸509之動作。此外，主要致動器在氣動軸定位系統505未被觸發或啟動下可以重複使用多次地運作。
參見圖6，其顯示依據一些實施例之利用一氣動軸定位系統定位一軸部之一流程圖600。在本實施例之中，具有一氣動軸定位系統之一設備被提供於602。例如，此一設備之一實例係如圖5所示之一航空器飛行控制系統，然而多種設備均可以配合本文所述之流程使用。在604處，平移軸被操作於正常狀況之下。特別是，一主要致動器可以在正常運作期間可以控制該平移軸之移動。接著，一啟動信號被接收於606處。在圖5所示 的實例之中，飛行控制電腦系統501可以偵測到主要致動器503已故障且可以因此發出一啟動信號給氣動軸定位系統。在608處，氣動式定位系統之中的焰火閥門(或者多個閥門，取決於應用)被啟動。因此，主要致動器系統之故障觸發焰火裝置開通一爆破膜片以釋放氣動式定位系統之內的加壓氣體。特別是，在610處，包含於一壓力容器中的加壓氣體被釋放進入氣動式定位系統之壓力腔室以將一或多個活塞移動到穩定平移軸之位置。在圖5所示的實例之中，利用氣動式定位系統將平移軸驅動至一預定位置並且使平移軸保持於此位置係被設計以維持飛行操縱面之穩定。在一些實施例之中，一旦氣動軸定位系統505被啟動，主要致動器503即可以斷離平移軸509。雖然本實施例之中所述之流程係有關於一種配合一航空器使用之氣動式定位系統，但其應能體認到，此流程可以使用於各種裝置、系統等等。
航空器之實例
以下將說明顯示於圖7A中之一航空器製造及服務方法700以及顯示於圖7B中之一航空器730，以使本文所述的流程及系統的各種特徵得到更好的例示。生產之前的期間，航空器製造及服務方法700可以包含航空器730的規格制定及設計702以及物料採購704。生產階段包含航空器730之構件及次組件製造706與系統整合708。之後，航空器730可以通過認證及交付710以將其投入在役服務712。在一客戶端的在役服務期間，航空器730被排程進行常規的維護及維修714(此亦可以包含修改、重組、翻新等等)。雖然本文所述之實施例概括而言係有關於商用航空器之服務，但該等實施例亦可以實行於航空器製造及服務方法700的其他階段。
航空器製造及服務方法700中的每一步驟均可以由一系統 整合者、一第三方及/或一運作者(例如，一客戶)加以執行或實施。針對此說明之目的，一系統整合者可以包含，但不限於，任何數目之航空器生產者及主系統分包商；一第三方可以包含，舉例而言，但不限於，任何數目之銷售商、分包商及供應商；而一運作者可以是一航空公司、租賃公司、軍事實體、服務機構等等。
如圖7B所示，藉由航空器製造及服務方法700所生產的航空器730可以包含機體732、內部736以及多個系統734。系統734之實例包含推進系統738、電氣系統740、液壓系統742以及環境系統744中的一或多項。此實例可以包含任何數目之其他系統。雖然所顯示者係一航空器實例，但本揭示之原理可以套用於其他產業，諸如汽車產業。
實施於本文的設備及方法可以被運用於航空器製造及服務方法700中的任何一或多個階段期間。舉例而言，但不限於，對應至構件及次組件製造706的構件及次組件之生產及製造方式可以類似於航空器730在役服務時所生產的構件及次組件。
並且，一或多個設備實施例、方法實施例、或者其一組合可以在構件及次組件製造706及系統整合708期間使用，舉例而言，但不限於，為了大致加速航空器730之組裝或者降低其成本。相仿地，一或多個設備實施例、方法實施例、或者其一組合可以在航空器730在役服務時使用，舉例而言，但不限於，維護及維修714可以於系統整合708及/或維護及維修714期間使用，以判定部件是否可以彼此連接及/或匹配。
結論
儘管基於清楚理解之目的，已將前述之概念詳細地說明如 上，但其應相當明顯，在所附申請專利範圍的範疇之內可以進行一些變更及修改。應注意，實施該等流程、系統及設備有許多種選替性方式。因此，本文之實施例應被視為例示性，而非限定性。

Claims (15)

  1. 一種氣動軸定位系統，包含：第一壓力腔室；加壓氣源，耦接至該第一壓力腔室；第一閥門，控制從該加壓氣源進入該第一壓力腔室之氣流；平移軸，包括凸緣；以及第一活塞，突出進入該第一壓力腔室並可滑動地耦接至該第一壓力腔室，其中當來自該加壓氣源的氣體填滿該第一壓力腔室之時，該第一活塞被推壓而朝向該平移軸的該凸緣以使得該平移軸被保持於預定位置。
  2. 如申請專利範圍第1項之氣動軸定位系統，另包含第二壓力腔室及第二活塞，其中該第二壓力腔室連接至該加壓氣源，其中該第一閥門控制從該加壓氣源進入該第二壓力腔室之氣流，其中該第二活塞突出進入該第二壓力腔室且可滑動地耦接至該第二壓力腔室，並且其中當來自該加壓氣源的氣體填滿該第二壓力腔室之時，該第二活塞迫使該平移軸進入該預定位置。
  3. 如申請專利範圍第2項之氣動軸定位系統，其中該第一活塞迫使該平移軸沿第一方向進入該預定位置，其中該第二活塞迫使該平移軸沿第二方向進入該預定位置，且其中該第一方向與該第二方向相反。
  4. 如申請專利範圍第3項之氣動軸定位系統，其中當該平移軸位於該預定位置之時，該第一活塞及該第二活塞接觸該平移軸。
  5. 如申請專利範圍第4項之氣動軸定位系統，另包含第一栓塞及第二栓塞，其中當該平移軸位於該預定位置之時，該第一栓塞接合該第一活塞，且其中當該平移軸位於該預定位置之時，該第二栓塞接合該第二活塞。
  6. 如申請專利範圍第2至5項中任一項之氣動軸定位系統，其中該第一壓力腔室與該第二壓力腔室被第二閥門分隔，該第二閥門防止氣流從該第一壓力腔室通往該第二壓力腔室，且其中該第一壓力腔室包含釋放閥，該釋放閥被組構成用以降低該第一壓力腔室之中相對於該第二壓力腔室之壓力。
  7. 如申請專利範圍第1項之氣動軸定位系統，其中該第一閥門自飛行控制電腦接收信號，並根據該信號控制從該加壓氣源進入該第一壓力腔室之氣流。
  8. 一種設備，包含：申請專利範圍第1項之氣動軸定位系統；飛行控制電腦系統，其中致動器通信式地耦接至該飛行控制電腦；並且其中該第一閥門通信式地耦接至該飛行控制電腦系統。
  9. 如申請專利範圍第8項之設備，其中當該致動器故障之時，該飛行控制電腦系統自該致動器接收故障信號，並傳送啟動信號至該氣動軸定位系統的該第一閥門。
  10. 如申請專利範圍第9項之設備，其中當該致動器故障之時，該致動器斷離該平移軸。
  11. 一種操作氣動軸定位系統的方法，包含： 操作該氣動軸定位系統，該氣動軸定位系統包含：壓力腔室；加壓氣源，連接至該壓力腔室；閥門，控制從該加壓氣源進入該壓力腔室之氣流；平移軸，包括凸緣；以及活塞，突出進入該壓力腔室並可滑動地耦接至該壓力腔室；啟動該閥門，其中經啟動之該閥門讓氣流能夠自該加壓氣源進入該壓力腔室，從而加壓該壓力腔室並迫使該活塞移出該壓力腔室；使該平移軸接觸該活塞；以及當該平移軸接觸該活塞之時，在來自該加壓氣源的氣體填滿該壓力腔室時，推壓該活塞而朝向該平移軸的該凸緣以使得該平移軸移動至預定位置。
  12. 如申請專利範圍第11項之方法，另包含在該閥門處接收啟動信號，其中該閥門響應於接收該啟動信號而被啟動。
  13. 如申請專利範圍第11或12項之方法，另包含在移動該平移軸至該預定位置之前將該平移軸斷離致動器。
  14. 如申請專利範圍第11項之方法，另包含當該平移軸位於該預定位置之時，鎖定該活塞，其中鎖定該活塞防止該活塞相對於該壓力腔室滑動式地移動。
  15. 如申請專利範圍第11項之方法，另包含自該壓力腔室釋出氣體，從而允許該平移軸移動進入新位置。
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