民用飛機(jī)APU系統(tǒng)電搭接設(shè)計(jì)研究

（上海飛機(jī)設(shè)計(jì)研究院動(dòng)力燃油系統(tǒng)設(shè)計(jì)研究部，上海 201210）

APU（輔助動(dòng)力裝置）在民用飛機(jī)上得到了越來(lái)越廣泛的應(yīng)用，已成為民用飛機(jī)為滿足適航要求所必需的設(shè)備之一。APU作為飛機(jī)的輔助動(dòng)力源，主要為飛機(jī)提供電源和氣源，使飛機(jī)不依靠地面的支持設(shè)備提供電源或氣源，更具有獨(dú)立性、舒適性，增大了飛機(jī)的機(jī)動(dòng)性和靈活性[1]。

作為民用飛機(jī)必需的機(jī)載設(shè)備，APU系統(tǒng)的設(shè)計(jì)必須要考慮電搭接的問(wèn)題。電搭接是指在兩金屬物體之間建立一條供電流流動(dòng)的低阻抗通路。其目的在于為飛機(jī)金屬構(gòu)件之間以及構(gòu)件、設(shè)備、附件與基本結(jié)構(gòu)之間提供穩(wěn)定的低阻抗電流通路，從而防止它們之間產(chǎn)生電磁干擾電平，提供電源電流返回通路，也是保護(hù)人身安全防電擊以及提供靜電防護(hù)、雷電防護(hù)、保證低阻抗的天線地網(wǎng)的必要措施。電搭接良好與否，直接影響飛機(jī)的安全和性能[2]。

電搭接通常可以分為兩大類：直接電搭接和間接電搭接。在系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，直接電搭接應(yīng)作為首選項(xiàng)。直接電搭接是指通過(guò)熔接、焊接等形成永久性的或通過(guò)螺接、鉚接等形成半永久性的金屬對(duì)金屬的緊固連接。當(dāng)直接電搭接設(shè)計(jì)不可行時(shí)，如兩個(gè)被搭接零件間存在相對(duì)運(yùn)動(dòng)或有非金屬零件相隔等情況，這時(shí)必須采用間接電搭接設(shè)計(jì)[3]。間接電搭接是指通過(guò)金屬材質(zhì)的搭接件將兩個(gè)被搭接零件連接起來(lái)形成一個(gè)低阻抗的電流通路。搭接件有搭接條和搭接線兩種，搭接條通常應(yīng)用于需傳導(dǎo)大電流的場(chǎng)合，而搭接線通常用于不需傳導(dǎo)大電流的場(chǎng)合。

本文將詳細(xì)探討APU系統(tǒng)進(jìn)行電搭接設(shè)計(jì)時(shí)所需遵循的設(shè)計(jì)要求以及典型的間接電搭接設(shè)計(jì)方案。

1 設(shè)計(jì)要求

民用飛機(jī)的設(shè)計(jì)，首先要考慮適航條款要求，表1給出了APU系統(tǒng)電搭接設(shè)計(jì)相關(guān)的適航條款及內(nèi)容。

表1 APU系統(tǒng)電搭接設(shè)計(jì)相關(guān)的適航條款

除了適航條款要求外，APU系統(tǒng)的電搭接設(shè)計(jì)還應(yīng)考慮以下通用要求[3]：

（1）應(yīng)盡可能選擇可兼容的材料以最小化腐蝕；

（2）不同類金屬的電搭接可通過(guò)選擇可兼容的導(dǎo)電表面處理來(lái)完成；

（3）在振動(dòng)和熱膨脹情況下，電搭接電阻必須保持在規(guī)定的允許值范圍內(nèi)；

（4）電搭接連接應(yīng)盡量位于受保護(hù)區(qū)，并應(yīng)位于可接近區(qū)域，以便于檢查和更換；

（5）電搭接連接不應(yīng)嚴(yán)重妨礙航線可更換部件的拆卸和重新安裝；

（6）設(shè)計(jì)和定位搭接件時(shí)要考慮部件的運(yùn)動(dòng)情況，以防止它們和其他部件之間的干擾和間歇接觸。

2 APU系統(tǒng)典型電搭接設(shè)計(jì)

2.1 進(jìn)氣風(fēng)門

進(jìn)氣風(fēng)門為APU系統(tǒng)的活動(dòng)部件，如圖1所示，在APU工作時(shí)打開，在APU不工作時(shí)關(guān)閉。由于進(jìn)氣風(fēng)門暴露在飛機(jī)外表面，在飛行過(guò)程中可能遭遇閃電，因此進(jìn)氣風(fēng)門需進(jìn)行電搭接處理。進(jìn)氣風(fēng)門通過(guò)兩個(gè)鵝頸連接件鉸接在進(jìn)氣風(fēng)門框后緣支架上，進(jìn)氣風(fēng)門可繞著進(jìn)氣風(fēng)門框后緣支架軸轉(zhuǎn)動(dòng)從而實(shí)現(xiàn)進(jìn)氣風(fēng)門的打開和關(guān)閉。因此，實(shí)現(xiàn)進(jìn)氣風(fēng)門到進(jìn)氣風(fēng)門框的直接電搭接是不可行的，這里只能通過(guò)間接電搭接來(lái)實(shí)現(xiàn)。由于需傳導(dǎo)大電流，因此需選用搭接條來(lái)實(shí)現(xiàn)電搭接。如圖2所示，可以通過(guò)兩個(gè)電搭接條將鵝頸連接件搭接到進(jìn)氣風(fēng)門框上，從而形成低阻抗的電流通路。

圖1進(jìn)氣系統(tǒng)

圖2進(jìn)氣風(fēng)門搭接

2.2 安裝拉桿

APU的典型安裝形式是通過(guò)6到8根拉桿懸掛在飛機(jī)基本結(jié)構(gòu)上，6根桿稱為靜定桿系結(jié)構(gòu)，大于6根桿稱為超靜定桿系結(jié)構(gòu)，圖3展示了一種超靜定安裝桿系結(jié)構(gòu)。APU及拉桿都處于飛機(jī)尾錐內(nèi)，由于APU本身可能有燃油和滑油的泄露，有可能在尾錐內(nèi)形成可燃蒸汽，因此APU和拉桿均需進(jìn)行電搭接處理以消除靜電積聚。為減小APU和飛機(jī)之間的振動(dòng)或沖擊的傳遞，通常會(huì)在APU的安裝節(jié)處設(shè)置隔振器，隔振器的核心減振部件通常為橡膠件，從而阻斷了APU到拉桿的電流通路，因此此處需通過(guò)間接電搭接的形式實(shí)現(xiàn)低阻抗電流通路。拉桿的飛機(jī)端的安裝形式通常為通過(guò)螺栓的鉸接機(jī)構(gòu)，以實(shí)現(xiàn)安裝時(shí)欄桿的小角度轉(zhuǎn)動(dòng)調(diào)整，因此此處亦需通過(guò)間接電搭接的形式實(shí)現(xiàn)拉桿到飛機(jī)基本結(jié)構(gòu)的低阻抗電流通路。由于不需傳導(dǎo)大電流，因此可選用搭接線來(lái)實(shí)現(xiàn)，圖4展示了一種典型的搭接線實(shí)現(xiàn)方式。圖中的搭接線可以分為兩段，一段連接APU和拉桿，另一段連接拉桿和飛機(jī)基本結(jié)構(gòu)。

圖3安裝系統(tǒng)

圖4安裝拉桿搭接

2.3 排氣管

排氣系統(tǒng)將APU產(chǎn)生的高溫燃?xì)馀懦鰴C(jī)外，同時(shí)還需具有降噪功能。目前，典型的民用飛機(jī)排氣系統(tǒng)從降噪結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上可以分為兩類：整合式消音器和獨(dú)立式消音器，如圖5所示。整合式消音器利用尾錐蒙皮作為消音腔的外殼，和排氣管一起組成消音腔起到降噪的作用。獨(dú)立式消音器的排氣管自身已設(shè)計(jì)成帶有消音腔，不利用尾錐蒙皮作為降噪結(jié)構(gòu)的一部分。無(wú)論是整合式消音器還是獨(dú)立式消音器，由于排氣管起到將APU燃?xì)馀懦龅綑C(jī)外的作用，排氣管的末端通常會(huì)暴露在飛機(jī)外表面，因此在飛行過(guò)程中可能遭遇閃電，因此排氣管末端需進(jìn)行電搭接處理。由于排氣管屬于航線可更換部件，排氣管末端通常采用接觸式支撐而非緊固連接以便于拆裝和維護(hù)，因此此處需采用間接電搭接。由于需傳導(dǎo)大電流，因此需選用搭接條來(lái)實(shí)現(xiàn)電搭接。圖6展示了一種典型的搭接條實(shí)現(xiàn)方式。

圖5排氣系統(tǒng)

圖6排氣管搭接

2.4 進(jìn)氣風(fēng)門作動(dòng)器

進(jìn)氣風(fēng)門的打開和關(guān)閉通常由進(jìn)氣風(fēng)門作動(dòng)器來(lái)實(shí)現(xiàn)。圖7展示了一種進(jìn)氣風(fēng)門作動(dòng)器及其安裝形式。圖中的進(jìn)氣風(fēng)門由作動(dòng)器的作動(dòng)桿頂開，作動(dòng)桿頂端采用鉸接連接形式，以實(shí)現(xiàn)進(jìn)氣風(fēng)門打開和關(guān)閉時(shí)作動(dòng)桿相對(duì)于進(jìn)氣風(fēng)門的小角度轉(zhuǎn)動(dòng)；同時(shí)，作動(dòng)器本身的也需通過(guò)鉸接的形式安裝在進(jìn)氣風(fēng)門框上，以實(shí)現(xiàn)進(jìn)氣風(fēng)門打開和關(guān)閉時(shí)作動(dòng)器本身相對(duì)于進(jìn)氣風(fēng)門框的小角度轉(zhuǎn)動(dòng)。由于作動(dòng)器通過(guò)作動(dòng)桿頂端和進(jìn)氣風(fēng)門有直接接觸，在進(jìn)氣風(fēng)門遭遇閃電時(shí)會(huì)有部分電流傳導(dǎo)到作動(dòng)器上，因此進(jìn)氣風(fēng)門作動(dòng)器需進(jìn)行電搭接處理。由于作動(dòng)器本身是通過(guò)鉸接的形式安裝在進(jìn)氣風(fēng)門框上的，因此此處只能通過(guò)間接電搭接來(lái)實(shí)現(xiàn)。由于需傳導(dǎo)大電流，因此需選用搭接條來(lái)實(shí)現(xiàn)電搭接。圖8展示了一種典型的搭接條實(shí)現(xiàn)方式。

圖7進(jìn)氣風(fēng)門作動(dòng)器

圖8進(jìn)氣風(fēng)門作動(dòng)器搭接

2.5 電流路徑分析

綜上所述，圖9給出了電搭接電流傳導(dǎo)路徑框圖。對(duì)于圖中所示的鉸接連接或接觸支撐都不可以作為電流傳導(dǎo)的主通道，均需設(shè)計(jì)有通過(guò)搭接條或搭接線所形成的低阻抗電流通路作為電流傳導(dǎo)主通道，并且圖中所示的電流傳導(dǎo)路徑最終都要終結(jié)到了飛機(jī)基本結(jié)構(gòu)上，滿足相關(guān)設(shè)計(jì)要求。

圖9 電搭接電流路徑框圖

3 結(jié)束語(yǔ)

本文梳理了APU系統(tǒng)電搭接設(shè)計(jì)所需遵循的適航條款要求和通用要求，以這些要求作為指導(dǎo)思想，詳細(xì)分析了APU系統(tǒng)中不能通過(guò)直接電搭接滿足要求的部件，給出了通過(guò)搭接條或搭接線等間接電搭接實(shí)現(xiàn)低阻抗電流通路的設(shè)計(jì)案例，并以電流路徑框圖的形式分析了電流傳導(dǎo)路徑，結(jié)果滿足設(shè)計(jì)要求。本文所闡述的方法可為民用飛機(jī)APU系統(tǒng)電搭接設(shè)計(jì)提供參考和借鑒。

[1]《航空發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)手冊(cè)》總編委會(huì).輔助動(dòng)力裝置及動(dòng)力機(jī)[M].北京：航空工業(yè)出版社，2000.

[2]《飛機(jī)設(shè)計(jì)手冊(cè)》總編委會(huì).航空電子系統(tǒng)及儀表[M].北京：航空工業(yè)出版社，2001:141.

[3]SAE.ARP1870 Aerospace Systems Electrical Bonding and Grounding for Electromagnetic Compatibility and Safety[S].USA:SAE International，1999.