อุปกรณ์ขับเคลื่อนไฟฟ้า-ไฮดรอลิก

อุปกรณ์ขับเคลื่อนไฟฟ้า-ไฮดรอลิก (Electro-hydraulic actuator หรือ EHA) คืออุปกรณ์ขับเคลื่อนที่ทำงานโดยการเปลี่ยนพลังงานไฟฟ้าให้เป็นพลังงานกลผ่านระบบไฮดรอลิกขนาดเล็กที่บรรจุอยู่ในตัวเครื่องเพียงชุดเดียว โดย EHA จะเข้ามาแทนที่ระบบไฮดรอลิกแบบดั้งเดิมที่ต้องพึ่งพาปั๊มไฮดรอลิกส่วนกลางและเครือข่ายท่อส่งน้ำมันไฮดรอลิกที่ซับซ้อน ซึ่งช่วยลดความซับซ้อนของโครงสร้างระบบ เพิ่มความปลอดภัย และเพิ่มความเชื่อถือได้ในการทำงาน

วิวัฒนาการของระบบควบคุมการบิน

ในยุคแรกของอากาศยาน การควบคุมพื้นผิวบังคับการบิน (Aerodynamic surfaces) ทำได้โดยใช้สายเคเบิลเชื่อมต่อกับคันบังคับ ซึ่งอาศัยแรงจากนักบินโดยตรงผ่านกลไกการผ่อนแรง อย่างไรก็ตาม เมื่ออากาศยานมีขนาดใหญ่ขึ้นและมีสมรรถนะสูงขึ้น แรงต้านทางอากาศที่กระทำต่อพื้นผิวบังคับการบินก็เพิ่มสูงขึ้นจนนักบินไม่สามารถควบคุมได้ด้วยแรงกายเพียงอย่างเดียว โดยเฉพาะในช่วงความเร็วสูง ซึ่งส่งผลให้เกิดปัญหาในการควบคุมอากาศยานในเครื่องบินบางรุ่นในช่วงต้นของสงครามโลกครั้งที่ 2

การนำระบบไฮดรอลิกมาใช้

ในช่วงทศวรรษ 1940 เริ่มมีการนำระบบไฮดรอลิกเข้ามาช่วยผ่อนแรง โดยการติดตั้งปั๊มไฮดรอลิกไว้ที่เครื่องยนต์เพื่อส่งน้ำมันแรงดันสูงผ่านท่อไปยังอุปกรณ์ขับเคลื่อน (Actuator) ที่พื้นผิวบังคับการบิน ซึ่งจะถูกควบคุมด้วยวาล์วที่เชื่อมต่อกับสายเคเบิลควบคุม ต่อมามีการพัฒนาระบบควบคุมจากสายเคเบิลเป็นสัญญาณไฟฟ้า ซึ่งเรียกว่าระบบ Fly-by-wire และพัฒนาต่อไปเป็นระบบเครือข่ายใยแก้วนำแสงที่เรียกว่า Fly-by-light

อย่างไรก็ตาม ระบบเหล่านี้ยังคงต้องมีส่วนประกอบหลัก 3 ส่วน คือ ระบบจ่ายน้ำมันไฮดรอลิกส่วนกลาง, วาล์วและเครือข่ายควบคุม และตัวอุปกรณ์ขับเคลื่อน ซึ่งหากส่วนใดส่วนหนึ่งล้มเหลวอาจทำให้อากาศยานไม่สามารถควบคุมได้ จึงจำเป็นต้องมีระบบสำรองที่ซับซ้อนและเพิ่มน้ำหนักให้กับตัวเครื่อง นอกจากนี้ การรักษาแรงดันน้ำมันไฮดรอลิกให้คงที่ตลอดเวลาทำให้เกิดการสิ้นเปลืองพลังงานอย่างต่อเนื่อง

หลักการทำงานของ EHA

การพัฒนาอุปกรณ์ขับเคลื่อนไฟฟ้า-ไฮดรอลิก (EHA) เกิดขึ้นจากการพัฒนาของมอเตอร์ไฟฟ้าที่มีการควบคุมการป้อนกลับที่แม่นยำ (Precision feedback controlled motor) หรือสเต็ปเปอร์มอเตอร์ (Stepper motor) กำลังสูง ซึ่งสามารถเคลื่อนที่ตามมุมที่กำหนดได้อย่างแม่นยำตามสัญญาณไฟฟ้าที่ได้รับ

ในระบบ EHA มอเตอร์ไฟฟ้ากำลังสูงจะขับเคลื่อนปั๊มแบบย้อนกลับได้ (Reversible pump) ซึ่งเชื่อมต่อกับกระบอกสูบไฮดรอลิก ปั๊มจะทำหน้าที่สร้างแรงดันให้กับของเหลวทำงาน (Working fluid) ซึ่งโดยทั่วไปคือน้ำมันไฮดรอลิก เพื่อดันให้กระบอกสูบเคลื่อนที่ โดยระบบทั้งหมดซึ่งประกอบด้วย ปั๊ม, กระบอกสูบ และถังพักน้ำมัน จะถูกบรรจุรวมกันเป็นหน่วยเดียว (Self-contained unit)

ระบบ Power-by-Wire

EHA เปลี่ยนรูปแบบการส่งพลังงานจากการใช้ท่อน้ำมันไฮดรอลิกส่วนกลาง มาเป็นการส่งพลังงานผ่านสายไฟไฟฟ้าปกติ (แม้จะมีขนาดใหญ่กว่าสายไฟในระบบ Fly-by-wire) โดยความเร็วในการเคลื่อนที่ถูกควบคุมผ่านการมอดูเลตสัญญาณรหัสพัลส์ (Pulse-code modulation) ส่งผลให้เกิดระบบที่เรียกว่า Power-by-wire ซึ่งทั้งสัญญาณควบคุมและพลังงานถูกส่งผ่านสายไฟชุดเดียวกัน

ข้อดีของอุปกรณ์ขับเคลื่อนไฟฟ้า-ไฮดรอลิก

• ลดความซับซ้อน: ไม่จำเป็นต้องมีปั๊มไฮดรอลิกส่วนกลางและท่อส่งน้ำมันที่ยาวและซับซ้อนทั่วตัวเครื่อง
• เพิ่มความปลอดภัย: การสร้างระบบสำรองทำได้ง่ายขึ้น โดยการติดตั้ง EHA สองชุดต่อหนึ่งพื้นผิวบังคับการบิน และใช้สายไฟสองชุดแยกจากกัน
• ประหยัดพลังงาน: EHA จะใช้พลังงานไฟฟ้าเฉพาะเมื่อมีการเคลื่อนที่เท่านั้น ในขณะที่มอเตอร์หยุดทำงาน แรงดันจะถูกรักษาไว้ภายในระบบปิด ทำให้ลดการสิ้นเปลืองพลังงานจากการที่ต้องเดินปั๊มไฮดรอลิกส่วนกลางตลอดเวลา
• ลดน้ำหนักและเพิ่มประสิทธิภาพ: การลดจำนวนท่อส่งน้ำมันช่วยลดน้ำหนักรวมของระบบ และช่วยให้การออกแบบโครงสร้างอากาศยานมีความลู่ลม (Streamlining) ได้ดียิ่งขึ้น