輕型運(yùn)動(dòng)飛機(jī)電氣負(fù)載和電源容量分析方法研究

鄭博峰 金 鐳 胡 濤

隨著我國(guó)低空空域逐步開放，通用航空產(chǎn)業(yè)迎來了快速發(fā)展，尤其是小型航空器制造業(yè)愈加繁榮，其適航取證需求也隨之增加。以固定翼“輕型運(yùn)動(dòng)飛機(jī)”（Light Sport Aircraft，LSA）為例，已頒布的適航技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)和管理程序均對(duì)電氣系統(tǒng)負(fù)載和電源容量予以明確要求，本文在分析研究這些適航性要求基礎(chǔ)上，給出LSA電氣負(fù)載和電源容量分析的一般流程和方法，并用典型LSA工程實(shí)施加以驗(yàn)證，為固定翼輕型運(yùn)動(dòng)飛機(jī)適航取證提供參考。

1 LSA電氣系統(tǒng)架構(gòu)及供電特點(diǎn)

LSA與民用運(yùn)輸類飛機(jī)的電氣系統(tǒng)相比較，其電氣系統(tǒng)和電源供電架構(gòu)復(fù)雜程度都較為簡(jiǎn)單。LSA通常采用電子綜合飛行儀表系統(tǒng)和單發(fā)直流供電系統(tǒng)。主電源為交流發(fā)電機(jī)（由飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)），通過調(diào)壓整流器轉(zhuǎn)換成直流持續(xù)輸出，向各個(gè)機(jī)載電氣設(shè)備供電；應(yīng)急電源為蓄電池，在飛機(jī)飛行中因主電源故障停止供電時(shí)，蓄電池負(fù)責(zé)向機(jī)上重要設(shè)備供電；在發(fā)動(dòng)機(jī)空中停車時(shí)，負(fù)責(zé)發(fā)動(dòng)機(jī)再啟動(dòng)；在地面停機(jī)時(shí)，完成飛行前準(zhǔn)備和發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)供電。

因此，LSA電源系統(tǒng)的基本轉(zhuǎn)換邏輯為：正常工作時(shí)，發(fā)電機(jī)與蓄電池并聯(lián)工作；當(dāng)主電源停止供電時(shí)，將手動(dòng)/自動(dòng)切換至應(yīng)急電源。

2 電氣系統(tǒng)相關(guān)適航標(biāo)準(zhǔn)要求

為了保證飛行安全，LSA電源系統(tǒng)要求具有足夠的能力來應(yīng)對(duì)任何的正常和緊急狀況，適航審定程序及技術(shù)文件均對(duì)LSA電氣系統(tǒng)提出了明確要求：

AC-21-AA-2015-37R1《輕型運(yùn)動(dòng)航空器型號(hào)設(shè)計(jì)批準(zhǔn)審定程序》第8.6節(jié)要求電氣系統(tǒng)應(yīng)有主開關(guān)和過載保護(hù)裝置，電線能夠與每一電路負(fù)載相符。

ASTM F2245-14《輕型飛機(jī)設(shè)計(jì)和性能標(biāo)準(zhǔn)》附錄A 2.9.3要求總連續(xù)電力載荷不應(yīng)該超過總額定發(fā)電機(jī)或交流發(fā)電機(jī)輸出容量的80%。

從要求可以看出，飛機(jī)電氣負(fù)載與電源容量匹配性、過載能力都是電氣系統(tǒng)適航性設(shè)計(jì)中需要特別關(guān)注的技術(shù)指標(biāo)，通常采用分析/計(jì)算的方法開展適航符合性驗(yàn)證工作。飛機(jī)電氣負(fù)載和電源容量分析的目的是表明電源系統(tǒng)在正常工作或主電源失效（應(yīng)急供電）狀態(tài)下，電源系統(tǒng)的容量能夠滿足相應(yīng)組合的負(fù)載用電量要求。

3 電氣負(fù)載和電源容量分析流程/方法研究

電氣負(fù)載和電源容量分析的實(shí)質(zhì)就是對(duì)飛機(jī)各工作狀態(tài)下各時(shí)間區(qū)段內(nèi)，負(fù)載總用電要求和電源工作實(shí)際容量二者之間的比較分析，從而確定飛機(jī)電源的容量裕度是否滿足要求。電氣負(fù)載和電源容量分析一般流程如圖1所示。

3.1 電氣負(fù)載分析

電氣負(fù)載分析的目的是確定機(jī)上所有用電設(shè)備所需用電量。首先，對(duì)飛機(jī)工作狀態(tài)和負(fù)載工作時(shí)間區(qū)段進(jìn)行劃分；其次，以具有獨(dú)立功能的電子設(shè)備為用電單元，統(tǒng)計(jì)其在飛機(jī)各個(gè)工作狀態(tài)下的工作時(shí)間和單位時(shí)間功耗，形成匯流條負(fù)載表；最后計(jì)算所有用電設(shè)備在飛機(jī)的各種工作狀態(tài)下各時(shí)間區(qū)間的總負(fù)載要求，形成負(fù)載分析表。具體工作內(nèi)容如下。

3.1.1 飛機(jī)工作狀態(tài)劃分

參考GJB 860-1990《飛機(jī)電氣負(fù)載和電源容量分析》，結(jié)合輕型運(yùn)動(dòng)飛機(jī)運(yùn)行特點(diǎn)，飛機(jī)工作狀態(tài)一般可劃分為以下9種工作狀態(tài)：G1，地面維護(hù)；G2，儀器校準(zhǔn)；G3，裝載和準(zhǔn)備；G4，啟動(dòng)和預(yù)熱；G5，滑行；G6，起飛和爬升；G7，巡航；G8，著陸；G9，應(yīng)急。

3.1.2 負(fù)載工作時(shí)間區(qū)段劃分

由于發(fā)電機(jī)的發(fā)電和過載能力通常采用連續(xù)工作時(shí)的額定容量以及5s和5min區(qū)間額定容量進(jìn)行表征。為了方便與發(fā)電機(jī)輸出功率作比較，同時(shí)保證充分利用電源的短時(shí)過載能力來承受用電設(shè)備的短時(shí)負(fù)荷，從而合理地確定電源的容量，就必須按電源的3個(gè)容量區(qū)段：連續(xù)、5s和5min來統(tǒng)計(jì)設(shè)備用電情況。

3.1.3 匯流條負(fù)載表計(jì)算

統(tǒng)計(jì)各負(fù)載的階段工作時(shí)間和單位時(shí)間功耗。時(shí)間大于5min的負(fù)載進(jìn)行連續(xù)分析，負(fù)載表中填作“C”；持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)于5s的負(fù)載進(jìn)行5min分析，負(fù)載表中精確到0.01min；持續(xù)時(shí)間大于0.005min小于5s的負(fù)載進(jìn)行5s分析，負(fù)載表中精確到0.01min；工作時(shí)間小于或等于0.005min者，屬于瞬時(shí)用電設(shè)備可忽略，負(fù)載表中填作“0”。

3.1.4 負(fù)載分析表計(jì)算

每項(xiàng)直流負(fù)載分別按各個(gè)工作狀態(tài)下規(guī)定的3種時(shí)間區(qū)間進(jìn)行計(jì)算，填入直流負(fù)載分析表。工作時(shí)間大于5min的用電設(shè)備視為連續(xù)負(fù)載，其平均安培數(shù)等于每個(gè)設(shè)備的負(fù)載要求乘以同時(shí)工作的設(shè)備數(shù)。

工作時(shí)間小于負(fù)載分析表欄頭規(guī)定的時(shí)間區(qū)間的用電設(shè)備視為非連續(xù)負(fù)載，其平均負(fù)載按公式（1）計(jì)算。

式中：

P —非連續(xù)工作負(fù)載用電量，W；

Pi—單臺(tái)設(shè)備的用電量，A；

n —同時(shí)工作的設(shè)備數(shù)；

t —工作時(shí)間，s；

T —時(shí)間區(qū)間，s。

3.2 電源容量分析

電源容量分析分為主電源容量分析和應(yīng)急電源容量分析。前者是對(duì)主電源額定容量的修正，確定主電源在飛機(jī)的各種工作狀態(tài)下的實(shí)際發(fā)電能力。在電氣負(fù)載分析和主電源容量分析的基礎(chǔ)上，將兩者放在飛機(jī)的同一個(gè)工作狀態(tài)下的同一個(gè)時(shí)間區(qū)段內(nèi)進(jìn)行比較，從而確定主電源容量對(duì)其用電負(fù)載的滿足程度及裕量。應(yīng)急電源容量分析是對(duì)飛行前準(zhǔn)備、發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)和應(yīng)急負(fù)載供電這3種情況下的用電要求和蓄電池容量進(jìn)行比對(duì)。

3.2.1 主電源容量分析

主電源容量分析包括電源修正容量和容量裕度分析兩部分。

3.2.1.1 電源修正容量

電源的額定容量是指在規(guī)定環(huán)境條件下，電源在正常工作狀態(tài)的發(fā)電能力。由于電源實(shí)際工作的環(huán)境條件與設(shè)計(jì)規(guī)定的環(huán)境條件有很大的不同，其實(shí)際發(fā)電能力受到各種因素的影響，需對(duì)電源的額定容量進(jìn)行修正：通常使用額定容量修正系數(shù)（機(jī)械修正系數(shù)、電磁修正系數(shù)、冷卻修正系數(shù)以及并聯(lián)修正系數(shù)）對(duì)各外在因素的影響程度進(jìn)行量化。

電源的修正容量被認(rèn)為是電源工作中的實(shí)際供電能力

3.2.1.2 主電源容量裕度分析

航空電源通常都應(yīng)具有短時(shí)過載能力。短時(shí)過載能力通常按5s和5min兩個(gè)時(shí)間區(qū)間來考核。發(fā)電機(jī)的5min過載能力及其熱容量可向工作時(shí)間在5min以內(nèi)的大功率負(fù)載提供短時(shí)電能（如停車制動(dòng)器、襟翼收放電動(dòng)機(jī)構(gòu)等）；5s過載能力可滿足大電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)電流要求和排除配電網(wǎng)中出現(xiàn)的導(dǎo)線短路故障。

因此，在進(jìn)行電源容量分析時(shí)，將發(fā)電機(jī)短時(shí)過載能力稱為區(qū)間額定容量，通常以連續(xù)工作的額定容量的倍數(shù)表示。5s過載能力為連續(xù)工作的額定容量的2倍，5min過載能力為連續(xù)工作的額定容量的1.5倍。

分別計(jì)算各工作狀態(tài)下各時(shí)間區(qū)間的電源容量裕度。如果電源容量裕度均大于20%，則認(rèn)為主電源在不同的工作狀態(tài)均有足夠的容量裕度，滿足負(fù)載供電要求。

3.2.2 應(yīng)急電源容量分析

應(yīng)急電源一般為蓄電池/組，應(yīng)急電源容量計(jì)算的過程中應(yīng)考慮以下3種使用模式。

模式a——飛行前準(zhǔn)備

飛行前檢查只對(duì)某些重要設(shè)備通電，確認(rèn)其是否正常，以判斷是否具備飛行的基本條件；同時(shí)，為啟動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)做準(zhǔn)備。檢查所需的用電量通常由地面電源提供，在無地面電源供給時(shí)才允許使用蓄電池/組進(jìn)行飛行前檢查。

在此情況下，飛機(jī)正常啟動(dòng)發(fā)電機(jī)投入電網(wǎng)后，將自動(dòng)對(duì)蓄電池/組進(jìn)行充電。飛機(jī)啟動(dòng)和預(yù)熱階段足以為蓄電池/組充滿飛行前檢查所消耗的容量。因此，飛行前檢查所消耗的蓄電池/組容量可不計(jì)入實(shí)際應(yīng)急容量。

模式b——發(fā)動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)

應(yīng)急電源還被用于機(jī)上發(fā)動(dòng)機(jī)的地面啟動(dòng)和空中停車再啟動(dòng)。啟動(dòng)所消耗的容量等于飛行任務(wù)中發(fā)動(dòng)機(jī)最多啟動(dòng)次數(shù)乘以啟動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)電流。

模式c——應(yīng)急狀態(tài)供電

在應(yīng)急狀態(tài)下，蓄電池/組需要向機(jī)上重要設(shè)備供電。分析應(yīng)急狀態(tài)蓄電池/組的典型負(fù)載情況，以確定蓄電池/組的應(yīng)急供電時(shí)間和用電情況。

蓄電池/組容量必須大于應(yīng)急狀況下模式b和模式c中負(fù)載消耗的總?cè)萘俊?/p>

4 工程案例分析

以某典型LSA為例，充分考慮在飛機(jī)各種工作狀態(tài)下其用電設(shè)備在3種時(shí)間區(qū)間（5s、5min、連續(xù)）的用電情況，按照本文給出的計(jì)算流程和方法，完成電氣負(fù)載和電源容量分析計(jì)算，其中直流電源使用分析表見表1。從表1中計(jì)算結(jié)果可以得出連續(xù)區(qū)間負(fù)載分析中的電源容量裕度均小于其他區(qū)間的負(fù)載，其中G4階段的電源容量裕度達(dá)到24.83%，高于適航標(biāo)準(zhǔn)中20%的最低要求，該LSA電氣負(fù)載能夠滿足適航標(biāo)準(zhǔn)要求。

表1 直流電源使用分析表

分析正常工作狀態(tài)下電氣負(fù)載極值發(fā)生在G4連續(xù)時(shí)間區(qū)間內(nèi)的原因：飛機(jī)的G4工作狀態(tài)為啟動(dòng)和預(yù)熱階段，在這一階段需使用電啟動(dòng)器啟動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)，而該LSA電啟動(dòng)器的功耗為180A/min。發(fā)動(dòng)機(jī)投入電網(wǎng)后，還將自動(dòng)對(duì)蓄電池進(jìn)行充電，其功耗為2.5 A/min，這也導(dǎo)致飛機(jī)在G4階段主電源的容量裕度偏小，大功率用電設(shè)備的使用使得G4階段連續(xù)時(shí)間區(qū)間內(nèi)產(chǎn)生負(fù)載極值。

通過工程實(shí)踐可以得出，如果LSA電氣系統(tǒng)架構(gòu)無特別設(shè)定，且在各階段中無其他大功率用電設(shè)備連入（如，有些機(jī)型裝有座椅加熱系統(tǒng)，在G5或G6階段開啟），則可重點(diǎn)分析G4階段的連續(xù)區(qū)間負(fù)載分析中的主電源容量裕度。如果該狀態(tài)計(jì)算分析結(jié)果能夠滿足適航性要求，則其他階段的容量裕度通常也能夠滿足。

5 結(jié)論

本文在對(duì)固定翼輕型運(yùn)動(dòng)飛機(jī)電氣負(fù)載適航性要求分析的基礎(chǔ)上，研究形成電氣負(fù)載和電源容量分析一般流程，并以某典型LSA為例，研究在適航符合性驗(yàn)證過程中該型飛機(jī)電氣負(fù)載極值出現(xiàn)的階段、時(shí)間區(qū)間及產(chǎn)生的原因，為同類LSA適航取證過程中的電氣負(fù)載和電源容量分析工作予以參考。