“航空航天供電系統(tǒng)”的課程改革研究

楊善水，王 莉，張卓然

(南京航空航天大學自動化學院，江蘇南京210016)

我國航空、航天事業(yè)近幾年來蓬勃發(fā)展，尤其是大型客機研制工作的全面開展，使得國家對航空、航天人才的需求變得非常迫切。一些高校開設了與航空航天相關(guān)的專業(yè)，并在本科生中開設了“航空航天供電系統(tǒng)”課程。但是我們發(fā)現(xiàn)，新增設的專業(yè)和課程有諸多的局限性，教學中往往突出部件多，介紹系統(tǒng)少［1，2]。

1 從功能要求的角度闡述系統(tǒng)組成

在“航空航天供電系統(tǒng)”的課堂教學中，首先要闡述負載對飛機供電系統(tǒng)的需求。飛機上的用電設備按照用電種類，分為交流用電設備和直流用電設備兩類，其中交流用電設備按照頻率、相數(shù)等分類又有多種不同的類型，如三相用電設備、單相用電設備，400Hz用電設備和50Hz用電設備等。為了滿足不同種類用電設備的供電需求，需要航空航天供電系統(tǒng)提供三相115/200V，400Hz交流電和單相115V，400Hz交流電等電能。

基于這種需求分析，本課程闡述航空航天供電系統(tǒng)的組成，包括發(fā)電機和蓄電池配置的多種形式的變換器，包括AC/DC變換器、AC/AC變換器、DC/DC變換器和DC/AC變換器等。上述發(fā)電機、蓄電池和各種變換器組成的系統(tǒng)繞被稱為電源系統(tǒng)。

2 從可靠性的角度闡述系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

飛機對供電系統(tǒng)的基本要求按照重要度排序依次為可靠性、費用、維修性、重量和供電質(zhì)量，其中可靠性要求尤為重要。高的可靠性來源于良好的設計、優(yōu)良的工藝和高性能的器件。

余度供電是指飛機供電系統(tǒng)的匯流條和設備能從多個通道獲取電能。為了實現(xiàn)余度供電，供電系統(tǒng)中必須能提供余度電源和余度配電，即供電系統(tǒng)應有備用或多個相同的供電部件同時存在。比如，雙發(fā)電機供電系統(tǒng)中，往往還有APU發(fā)電機、RAT發(fā)電機以及蓄電池，變壓整流器也是多臺配置。

飛機供電系統(tǒng)的余度和容錯供電要求是:①供電系統(tǒng)在沒有故障時，要能給所有負載供電;②供電系統(tǒng)在發(fā)生一次故障時，能給全部重要負載和飛行關(guān)鍵負載供電;③供電系統(tǒng)在發(fā)生兩次故障時，仍能給重要負載以及全部飛行關(guān)鍵負載供電;④供電系統(tǒng)在發(fā)生三次故障時，仍不喪失給全部飛行關(guān)鍵負載供電的能力。為達到這一容錯目標，就要在盡可能高的可靠度下，通過設計電網(wǎng)的結(jié)構(gòu)來提高容錯供電能力和提高任務可靠度。

3 從部件功能的角度分析系統(tǒng)配置

我們在分析“航空航天供電系統(tǒng)”課程系統(tǒng)的配置時，為了充分發(fā)揮學生學習的自主作用，可以安排他們講解各個部件的組成和特點。如在交流供電系統(tǒng)中，布置學生講解同步交流發(fā)電機、變壓器和變壓整流器等的原理和功能;在直流供電系統(tǒng)中，可以布置學生講解直流發(fā)電機和逆變器等的基本原理和功能。然后由教師分析這些不同功能的部件是如何組成系統(tǒng)的，從而培養(yǎng)學生的全局意識。

為進一步闡明先進飛機供電系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和配置，分析其功能和組成，本課程以民用大型客機B787為例進行分析，其供電系統(tǒng)如圖1所示，包括發(fā)電機、變換器、配電、固態(tài)功率控制器和無刷直流電動機等各種部件。教師在課堂上分析供電系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)特點時，學生講部件，教師講系統(tǒng)，取得了很好的教學效果。

圖1 B787飛機供電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

4 從發(fā)展的角度闡述系統(tǒng)類型

本課程的教學應盡可能與教師的科研工作相結(jié)合，與學科和專業(yè)發(fā)展的前沿相結(jié)合，與學科建設相結(jié)合。

目前，多電和全電飛機技術(shù)受到國內(nèi)、外專業(yè)人士的重視。傳統(tǒng)的飛機上并存著液壓能、氣壓能和電能三種二次能源，可靠性低，使用維護困難。多電飛機以電能部分取代液壓能和氣壓能。全電飛機以電能全部取代液壓能和氣壓能。多電和全電飛機具有可靠性高和效率高、維護性好等優(yōu)點，是先進飛機的發(fā)展方向［3，4]。

在教學中，我們介紹了飛機供電系統(tǒng)的多電和全電飛機研究的關(guān)鍵技術(shù)問題。如:大功率發(fā)電系統(tǒng)、作動系統(tǒng)、綜合控制和管理系統(tǒng)、高速電機、電氣環(huán)境控制系統(tǒng)、電動燃油和滑油供給系統(tǒng)、電氣防/除冰系統(tǒng)、航空航天發(fā)動機的電力起動和起動/發(fā)電系統(tǒng)和固態(tài)配電系統(tǒng)等。這些系統(tǒng)涉及到發(fā)電、配電、電能變換和電動機負載等各個方面。這樣就為后面要講的內(nèi)容做了鋪墊。

為進一步闡明多電飛機的特點，我們在上課時可以仍然以多電飛機B787為例講解。這樣既可以分析B787飛機供電系統(tǒng)的特點，又可以結(jié)合多電飛機的研究內(nèi)容闡明在B787飛機上已經(jīng)解決了的問題和解決方法。

在教學過程中，我們既要介紹國內(nèi)外現(xiàn)役航空供電系統(tǒng)的性能指標，也會介紹國內(nèi)和國際的行業(yè)標準，并分析航空供電系統(tǒng)的典型標準。如美國軍用標準MIL-STD-704F［5]、國際標準化組織制定的國際標準ISO1540［6]、國家軍用標準GJB181A［7]等。我們引導學生思考問題，從標準和規(guī)范上對航空供電系統(tǒng)的設計提出制約。

5 結(jié)語

本文根據(jù)我校課程組教學積累的經(jīng)驗，在“航空航天供電系統(tǒng)”課程教學中，結(jié)合教師自身的科研經(jīng)歷和成果，通過部件功能需求分析、可靠性要求和發(fā)展方向等方面系統(tǒng)的講授，向?qū)W生闡述航空供電系統(tǒng)的構(gòu)成、配置和發(fā)展，強調(diào)系統(tǒng)性，獲得了良好的教學效果。

［1] 楊善水，肖嵐，王莉.“航空航天供電系統(tǒng)”課程物理仿真及計算機演示系統(tǒng)教學平臺的建設［M] .南京:電氣電子教學學報，第28卷第4期，2006，8:98-101

［2] 胡海兵，肖嵐，楊善水.“航空航天器供電系統(tǒng)”精品課程建設［M] .南京:電氣電子教學學報，第31卷第4期，2009，8:31-33

［3] Cloyd J.S.Status of the united states air force＇s more electric aircraft initiative.IEEE Aerospace Electronic System Magzine，1998，13(14):17-22

［4] Emadi A，Ehsani M.Aircraft power systems:state of the art，and future trends.IEEE AES System Magazine，2000，20(1):28～32

［5] Department of Defense:MIL-STD-704F Interface Standard:Aircraft Electric Power Characteristics.Washingtong USA:Department of Defense，2004

［6] International Organization For Standardization.ISO 1540.Aerospace:Characteristics of aircraft electrical systems，USA:ISO.International Standard Organization，2004

［7] 中華人民共和國國家軍用標準:GJB181A-2003飛機供電特性.中國人民解放軍總裝備部，2006。