基于多電飛機概念下的飛機電氣發(fā)展方向

吳秀杰 江鵬 楊彬彬 郭鵬 張睿純

【摘要】本文主要剖析了進入21世紀(jì)以來誕生的三種多電飛機，即A380、B787和F-35的電氣系統(tǒng)新技術(shù)，指出電氣科技的發(fā)展是實現(xiàn)多電飛機的關(guān)鍵，多電飛機技術(shù)的應(yīng)用推進了航空科技的發(fā)展。

【關(guān)鍵詞】多電飛機；起動/發(fā)電機；固態(tài)功率控制器；電液作動機構(gòu)；機電作動機構(gòu)

1.引言

隨著F-35、A380和B787飛機的先后誕生，多電飛機已經(jīng)從概念逐步變成了現(xiàn)實，多電飛機是下一代先進戰(zhàn)斗機的一個重要特征。一方面，由于對戰(zhàn)斗機性能要求的提高而使電子設(shè)備的用電量猛增。另一方面，縮小或取消集中式的液壓系統(tǒng)，廣泛采用電力作動器和功率電傳技術(shù)作為飛機操縱、環(huán)控、液壓、機輪剎車的動力源，使飛機可靠性、維修性、靈活性大為改善，重量大幅度降低。多電飛機的實質(zhì)是用電力系統(tǒng)部分取代次級功率系統(tǒng)，其特征是具有大容量的供電系統(tǒng)和廣泛采用電力作動技術(shù)。

2.概述

本文通過對目前國外先進飛機電氣系統(tǒng)的闡述，提出了今后飛機電氣系統(tǒng)發(fā)展方向，并揭示了多電飛機的特征，對多電飛機供電系統(tǒng)先進技術(shù)進行了簡單闡述，探討了多電飛機的電氣系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)的研究現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢，闡述了PSP 和ELMC 的功能，發(fā)展多電飛機電源系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)的設(shè)計方案。

3.國內(nèi)外研究狀況

在激烈競爭的航空領(lǐng)域，降低飛機的使用維護費用是減少飛機全壽命周期費用的重要措施?，F(xiàn)在的飛機制造商更強調(diào)采用新技術(shù)來降低飛機的飛行費用和維護費用，在多電飛機上盡量采用電力系統(tǒng)代替飛機上的其它二次能源，這樣可以大大降低系統(tǒng)重量和成本，提高飛機的維護性和可靠性。

早在20世紀(jì)70年代初期，美國空軍就在進行用機電作動系統(tǒng)取代液壓作動系統(tǒng)的研究，后來隨著電傳操縱系統(tǒng)的裝機使用，人們開始多電飛機電氣系統(tǒng)技術(shù)的研究。波音公司開展了先進電源系統(tǒng)和控制方案的研究，用通用多功能硬件和計算機技術(shù)將電源系統(tǒng)和數(shù)字電子信息系統(tǒng)結(jié)合在一起。F-22、F-35 戰(zhàn)斗機和波音787、A380等民機電氣系統(tǒng)中采用電氣負載自動管理多路傳輸技術(shù)。F-22 已經(jīng)采用了多電飛機技術(shù)，用軟件控制配電中心保護飛機布線不受故障影響，并為電力管理和余度進行負載轉(zhuǎn)換。F-22 還采用了負載自動管理、自檢測和故障隔離等新技術(shù)。F-16、 YAH - 64以及海軍LAMPS 艦載直升機使用了分布式配電及負載自動管理技術(shù)。美國的第一代多電飛機C-141“電運輸星”和F-18“系統(tǒng)研究機”使用了功率電傳作動器技術(shù)，大量采用釤鈷永磁電動機作為電力作動器。此外美、英、法國早已開始了分布式配電和負載自動管理系統(tǒng)的研制，把電氣系統(tǒng)納入公共設(shè)備管理系統(tǒng)。

4.飛機電氣系統(tǒng)發(fā)展需求

4.1 電力容量需求

未來飛機機載電源的功率需求有非常大的提高，每個發(fā)動機提供的電力將達到500KW。為此美國在研制500KVA起動/發(fā)電機，歐洲也在研究300KVA以上發(fā)電機，以滿足對電力容量的要求。

4.2 供電體制的變化

隨著電力系統(tǒng)容量的增加，飛機上直流28V電源的應(yīng)用范圍將進一步縮小。為了減輕輸電電線的重量，需要采用更高的電壓，如270V直流電。

4.3 不中斷供電需求

對于依賴電作動器的飛機來說，要求在整個飛行包線都要保證飛行控制作動器的電力。雖然允許短時間的中斷，但是飛行控制完全采用電作動的多電飛機，決不允許長時間的電力中斷。

4.4 負載自動管理

隨著飛機上用電負載的增加，只能依靠計算機實現(xiàn)對負載進行自動管理。通過固態(tài)功率控制器SSPC和機電功率控制器EMPC實現(xiàn)對負載的控制、狀態(tài)檢測，故障隔離及系統(tǒng)重構(gòu)是多電飛機電氣系統(tǒng)的基本需求。

5.多電飛機定義

從字面上講，多電飛機就是大量用電飛機。從其內(nèi)涵講，是一種在飛機上盡可能用電力作動方式取代液壓、氣壓和機械作動方式的飛機。從系統(tǒng)綜合角度上講，多電飛機是在功能上實現(xiàn)機載機電系統(tǒng)綜合化的一個實例。在多電飛機上減少了次級功率的類型，僅保留供電系統(tǒng)，取消了液壓和氣壓系統(tǒng)，同時采用雙重用途的部件（起動/發(fā)電機）把發(fā)電系統(tǒng)和發(fā)動機起動系統(tǒng)綜合在一起，從而實現(xiàn)了機載機電系統(tǒng)綜合化。

5.1 多電飛機優(yōu)越性

與傳統(tǒng)的戰(zhàn)斗機相比，多電飛機具以下優(yōu)越性：

（1）更小的易損性。

（2）多電飛機在戰(zhàn)斗受損后生存能力強，也更安全。

（3）促進了航空科技的迅速發(fā)展。

（4）具有更好的性能，減小了飛機起飛重量，減輕了飛機冷卻負擔(dān)，飛行控制和剎車等功能得到改善。

5.2 發(fā)展多電飛機關(guān)鍵技術(shù)問題

基于系統(tǒng)級優(yōu)化技術(shù)的多電飛機，各系統(tǒng)將采用更新的技術(shù)來滿足飛機整體性能的需求，帶來了飛機電氣系統(tǒng)革命化的變化，比較突出的關(guān)鍵技術(shù)如下：

5.2.1 起動/發(fā)電技術(shù)

傳統(tǒng)的發(fā)動機引氣方式影響發(fā)動機的效率和穩(wěn)定性。為了優(yōu)化飛機的性能，把發(fā)電系統(tǒng)和發(fā)動機系統(tǒng)進行了綜合，在多電發(fā)動機中，直接把發(fā)電機安裝在發(fā)動機軸上，作為起動/發(fā)電機。

內(nèi)置式發(fā)電機要求可靠性高，需要采用開關(guān)磁阻式無刷電機。因為該發(fā)電機具有極高的可靠性以及高溫、高速和大功率密度運行的能力，所以說高可靠性的內(nèi)裝式開關(guān)磁阻起動/發(fā)電系統(tǒng)是多電飛機首先要解決的問題。

由于內(nèi)裝式開關(guān)磁阻起動/發(fā)電機安裝在發(fā)動機油槽內(nèi)，所以起動/發(fā)電機要考慮高溫和過速時轉(zhuǎn)子材料的應(yīng)力和找出控制渦流損耗的最佳方法。

5.2.2 組合動力裝置

通過組合動力裝置IPU，把主發(fā)動機起動系統(tǒng)、應(yīng)急動力裝置和輔助動力裝置合并成一個部件，為主發(fā)動機起動狀態(tài)，飛行應(yīng)急狀態(tài)以及地面檢查等輔助狀態(tài)提供電力。

5.2.3 電作動技術(shù)

機電作動器是未來作動技術(shù)發(fā)展的目標(biāo)，但是作為飛機上的關(guān)鍵設(shè)備，現(xiàn)在主要還是采用電靜液作動器為主。

5.2.4 負載自動管理技術(shù)

5.2.4.1 電氣負載管理中心（ELMC）

ELMC是具有局部處理能力的智能終端，對其周圍負載進行控制和管理。主要功能有：

（1）匯流條監(jiān)測功能；

（2）控制SSPC；

（3）繼電器監(jiān)控以及二極管監(jiān)測；

（4）通訊功能；

（5）自檢測（BIT）功能。

5.2.4.2 供電系統(tǒng)處理機（PSP）

PSP控制整個電氣系統(tǒng)，負責(zé)整個電源系統(tǒng)的狀態(tài)獲取，實現(xiàn)電源系統(tǒng)故障判斷和供電系統(tǒng)布局處理功能。主要功能有：

（1）控制系統(tǒng)的啟動和關(guān)閉；

（2）控制系統(tǒng)電氣數(shù)據(jù)總線；

（3）接收和處理系統(tǒng)狀態(tài)數(shù)據(jù)，實現(xiàn)負載的管理；

（4）連接航空電子系統(tǒng)；

（5）進行系統(tǒng)供電系統(tǒng)處理機自檢測和故障診斷。

5.3 先進飛機配電系統(tǒng)的應(yīng)用意義

分布式配電和數(shù)字式負載管理技術(shù)已在美國新研制的P-7A反潛機上使用。美國為先進戰(zhàn)術(shù)戰(zhàn)斗機上研制的容錯供電子系統(tǒng)樣機也采用了上述兩種技術(shù)。我國的飛機配電系統(tǒng)技術(shù)多年來沒有得到足夠的重視，飛機供電系統(tǒng)多采用傳統(tǒng)的集中配電方式。飛機配電系統(tǒng)技術(shù)的滯后阻礙著其它機載系統(tǒng)性能的提高，從而也影響飛機的整體性能，因而迫切要求采用新型配電布局方案，更新現(xiàn)有的配電控制和管理系統(tǒng)，以適應(yīng)新一代先進飛機的性能要求。必須盡快對下列技術(shù)的研究：

（1）實現(xiàn)負載的自動管理、提高供電系統(tǒng)可靠性和供電品質(zhì)。

（2）提高配電系統(tǒng)的維護性、減輕地勤人員的工作量。

（3）提高配電系統(tǒng)的可操作性和可擴展性。

（4）節(jié)約空間、減輕共電系統(tǒng)重量。

6.總結(jié)

我國的飛機電氣技術(shù)與國外的差距還比較大，只有通過科技來降低飛機的全壽命周期費用，才能在全球的航空領(lǐng)域生存發(fā)展。參考國外的技術(shù)發(fā)展路線，結(jié)合我國的國情，在發(fā)展多電飛機技術(shù)方面重點分階段地解決以起動/發(fā)電技術(shù)、自動配電技術(shù)和混合作動技術(shù)為主，探索大功率外置式起動/發(fā)電技術(shù)作為飛機的主電源的相關(guān)技術(shù)，探索基于總線的自動配電技術(shù)，采用固態(tài)功率控制器對常規(guī)負載的控制，并逐步提高固態(tài)配電的功率水平，作動技術(shù)可參照A380等飛機的思路，開發(fā)鋰電池的應(yīng)用技術(shù)，探索飛機電氣系統(tǒng)的設(shè)計平臺技術(shù)，逐步采用電氣系統(tǒng)仿真技術(shù)，在硬件設(shè)計前進行驗證降低系統(tǒng)設(shè)計成本和風(fēng)險，提高發(fā)電功率，擴大用電負載類型，探索電氣除冰技術(shù)及電氣環(huán)控技術(shù)，加大基礎(chǔ)研究力度，在基礎(chǔ)元件和材料上能有重量的突破，基本解決多電飛機技術(shù)發(fā)展的限制因素。

7.結(jié)束語

我國航空工業(yè)經(jīng)過近年的發(fā)展，已取得較大的進步，特別是通過各大型號的研制，普遍加強了對預(yù)研項目的重視，但整體來說對飛機的應(yīng)用需求研究缺乏總體宏觀考慮，預(yù)研項目進展緩慢，對長期預(yù)研和基礎(chǔ)研究不夠重視。需站在國家戰(zhàn)略高度發(fā)展我國的航空產(chǎn)業(yè)，根據(jù)國情在廣泛吸收跟蹤國外技術(shù)基礎(chǔ)上堅定地走自主研發(fā)的道路，開發(fā)出具有一定國際竟?fàn)幜Φ木哂型耆灾髦R產(chǎn)權(quán)的新一代飛機。

參考文獻

[1]嚴(yán)仰光，龔春英，王慧貞，秦海鴻.多電飛機和電氣科技[M].

[2]中國航空工業(yè)發(fā)展研究中心.新一代機載設(shè)備和武器系統(tǒng)技術(shù)跟蹤[M].

[3]飛機設(shè)計手冊：第16分冊[M].航空工業(yè)出版社.