民用飛機電傳飛控系統(tǒng)供電設(shè)計

申海榮

摘 要：電傳飛控系統(tǒng)設(shè)計中供電設(shè)計是重要的一部分，供電設(shè)計的關(guān)鍵在于滿足飛控系統(tǒng)安全性要求、電源品質(zhì)要求、測試要求和適航要求等。該文整理分析了適航規(guī)章及相關(guān)規(guī)范文件對配電的具體要求，分析了國內(nèi)外主流民用飛機飛控系統(tǒng)架構(gòu)和供電配置，以及多電趨勢下飛控系統(tǒng)供電方法，總結(jié)了飛控系統(tǒng)供電設(shè)計的發(fā)展趨勢和設(shè)計思路。

關(guān)鍵詞：飛控系統(tǒng) 供電 安全性 多電

中圖分類號：V24 文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：1674-098X（2017）06（b）-0009-03

飛機飛控系統(tǒng)已從機械操縱發(fā)展到現(xiàn)在的數(shù)字電傳飛控系統(tǒng)。相對于機械操縱系統(tǒng)，電傳飛控系統(tǒng)最大的難點在于解決安全性的問題，解決思路通常是余度配置，這意味著飛控系統(tǒng)需要使用大量的數(shù)字計算機、電子控制器等電子設(shè)備，而這些設(shè)備的供電也逐漸成為飛控系統(tǒng)設(shè)計的一個重要因素。

多電飛機是目前民用大飛機發(fā)展的趨勢，飛控系統(tǒng)作動器也逐步由液壓能源轉(zhuǎn)為功率電傳作動器，A350、A380、B787等新研制的飛機使用了部分功率電傳作動器[1]。這對飛控系統(tǒng)配電提出了新的要求。

1 供電要求

1.1 適航要求

FAR25-1351（d）和CCAR25-1351（d）“無正常電源時的運行”中要求“當(dāng)正常電源（除蓄電池之外的電源）不工作、燃油（從熄火和重新起動能力考慮）為臨界狀態(tài)，且飛機最初處于最大審定高度的情況下，飛機能按目視飛行規(guī)則安全飛行至少5 min”[2]。該要求使機組有能力在嘗試識別電氣失效原因、需要時重新起動發(fā)動機以及重建某些發(fā)電能力的同時，保持對飛機的控制。

CS25 1351（d）“無正常電源時的運行”中要求：“應(yīng)當(dāng)有措施確保在所有正常發(fā)電電源失效的情況下，為完成飛行并安全著陸所必需的設(shè)施充分供電。該備用電源的所有組部件和布線應(yīng)當(dāng)在物理上和電氣上與正常系統(tǒng)隔離，并且使得沒有單項失效會同時影響正常供電和備用供電，包括起火、電纜線束切斷、接線盒或控制板喪失功能。在有關(guān)備用電源持續(xù)性和完整性以確保充分供電的問題上，應(yīng)當(dāng)對采用電傳操縱那樣的飛機給予特別考慮，這類飛機在供電完全喪失后可能導(dǎo)致立即失控”[3]。這里備用電源包括時限電源（如蓄電池）和非時限電源（如RAT）。

上述條款對非正常供電的要求主要可總結(jié)為以下幾條：（1）在僅有RAT和蓄電池供電時，飛機應(yīng)能完成飛行并安全著陸；（2）在僅有蓄電池供電情況下，飛機應(yīng)能安全飛行5 min；（3）備用電源應(yīng)與正常系統(tǒng)物理和電氣上隔離。作為保證飛行安全的基本系統(tǒng)，CS25 1351（d）提出對電傳飛控系統(tǒng)應(yīng)給與特別考慮。

1.2 其他要求

相對于機械或者模擬電子控制，數(shù)字電傳飛控系統(tǒng)采用的FCM、ACE等數(shù)字設(shè)備，受供電中斷及其它電氣特性的影響很大。DO-160對壓降、電壓尖峰和供電中斷等電氣特性，以及測試環(huán)境、測試程序等提出了要求。飛控系統(tǒng)配電設(shè)計首先應(yīng)滿足DO-160的相關(guān)要求。

DO-160是對航空電子設(shè)備的基本要求，當(dāng)飛控系統(tǒng)及設(shè)備要求高于DO-160時，必須滿足型號設(shè)計更高的要求。

2 飛控系統(tǒng)架構(gòu)及供電

2.1 分布式供電

空客飛機采用非相似軟硬件的多余度飛控計算機，每個計算機能夠完成控制律運算和對作動器的控制，舵面由對應(yīng)的計算機控制，主要舵面在控制計算機故障時可轉(zhuǎn)由其它計算機控制[4，5]。這種類型飛機可采用分布式供電，飛控計算機直接由飛機匯流條供電，部分計算機供電由基本匯流條提供或可以轉(zhuǎn)接到基本匯流條上，保證應(yīng)急狀態(tài)下計算機可工作。

以采用分布式供電飛控系統(tǒng)的某型飛機為例，共采用6臺飛控計算機，3臺主飛行控制計算機，3臺輔飛行控制計算機。主要舵面按照規(guī)定的順序可接受4臺計算機的控制（主飛控計算機優(yōu)先于輔飛控計算機），即4臺計算機同時故障才會導(dǎo)致對應(yīng)的舵面失去控制。6臺計算機分別由三個匯流條供電，其中2臺由DC ESS供電，2臺由DC2供電，2臺由DC 1供電，如圖1所示。DC ESS在僅RAT供電或電氣緊急形態(tài)時也工作；DC2在失去2套液壓系統(tǒng)或電氣緊急形態(tài)時由DC ESS供電；DC1為普通直流匯流條，由4個發(fā)電機之一供電。另外，DC1、DC2、DC ESS均可由相應(yīng)的蓄電池供電。

2.2 集中式供電

波音飛機飛控架構(gòu)與空客不同，自動飛行及高級控制律計算一般由FCM完成，基本的控制律計算和作動器的控制由ACE完成。ACE接受飛行員控制指令，通過內(nèi)部總線發(fā)送給FCM運算，運算完成后控制指令傳給ACE，ACE將指令發(fā)給REU控制作動器工作[4，5]。這類飛機控制鏈路包含了FCM、ACE和REU等多種電子控制器件，可采用集中式供電，即通過電源調(diào)節(jié)模塊接收多余度的電源輸入，再為飛控設(shè)備進行二次配電。

以采用集中式供電飛控系統(tǒng)的某型飛機為例，兩臺發(fā)動機每臺帶動兩個VFG（交流變頻發(fā)電機），每個VFG附加一個PMG。PMG、飛機匯流條、主蓄電池和飛控蓄電池給PCM供電，再由PCM為飛控系統(tǒng)FCM、ACE和REU等設(shè)備供電。每個PCM采用3余度供電輸入，PMG的交流電源為主電源，備用電源有飛機電網(wǎng)28V直流匯流條、主蓄電池和飛控蓄電池，如表1所示。PCM除了進行電源交直流轉(zhuǎn)換、優(yōu)化電源品質(zhì)、監(jiān)控電源故障外，也是飛控系統(tǒng)執(zhí)行控制的一部分，系統(tǒng)可通過PCM可切斷故障通道的電源。

2.3 飛控系統(tǒng)供電考慮

飛控系統(tǒng)與飛機飛行安全直接相關(guān)，也是1351（d）主要考慮的對象。應(yīng)急供電時要能滿足安全飛行和著陸的要求，供電方式必須與飛控系統(tǒng)整體架構(gòu)結(jié)合考慮，各個型號配電方法不同，但都采用了余度配電的思路保證系統(tǒng)安全性，為飛控系統(tǒng)配電設(shè)計提供了參考；除此之外，蓄電池需滿足飛機安全飛行5 min的要求；用電設(shè)備需滿足相關(guān)規(guī)范的要求和系統(tǒng)設(shè)計要求。

3 功率電傳作動器供電

隨著多電飛機的發(fā)展和功率電傳作動器技術(shù)的成熟，民用飛機飛控作動系統(tǒng)將由液壓作動器逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)殡姽β首鲃悠?。EHA（電靜液作動器）和EBHA（電備份的液壓作動器）首先在軍用飛機上使用，新研制民用大飛機A380和B787部分作動器也采用了功率電傳作動器[6]。

使用電功率作動器后，飛控系統(tǒng)增加交流電的使用。以某型多電飛機為例，功率電傳作動器使用2套應(yīng)急狀態(tài)可用的電源以及1套普通電源，液壓能源系統(tǒng)由3套減少為2套。功率電傳作動器供電如圖2所示，E1由直流基本匯流條和交流基本匯流條組成；E2由EHA直流匯流條和EHA交流匯流條組成，正常工作時分別與DC2和AC3相連，當(dāng)失去兩套液壓系統(tǒng)時分別與DC ESS和AC ESS相連；E3由DC1和AC1組成。

傳統(tǒng)飛控作動系統(tǒng)采用液壓能源，飛控系統(tǒng)供電只需直流電的配置。多電飛機飛控系統(tǒng)采用部分功率電傳作動器，還需考慮交流電的配置以及與直流電配置相結(jié)合。如果液壓能源系統(tǒng)減少為2套，使用部分功率電傳作動器，供電配置需考慮以下幾方面：（1）失去2套液壓系統(tǒng)時，功率電傳作動器及相應(yīng)的電子控制可保證飛機安全飛行和著陸；（2）功率電傳作動器交流供電、電子控制設(shè)備直流供電以及飛控系統(tǒng)架構(gòu)的匹配性；（3）對交流電源功率以及電源品質(zhì)的要求。

4 結(jié)語

電傳飛控系統(tǒng)采用大量的數(shù)字控制設(shè)備，實現(xiàn)與飛行安全直接相關(guān)的功能，除了系統(tǒng)架構(gòu)及設(shè)備可靠性外，供電也是影響系統(tǒng)安全的重要因素。飛控系統(tǒng)配電應(yīng)與系統(tǒng)架構(gòu)相配合，來保證系統(tǒng)安全性要求。在多電飛機的趨勢下，飛控系統(tǒng)也將逐漸采用功率電傳作動器，減少液壓能源系統(tǒng)的使用，通過交直流電源的適當(dāng)配置可使飛控系統(tǒng)達到更高的安全標(biāo)準(zhǔn)。

參考文獻

[1] 李哲.干線客機飛控系統(tǒng)的多電趨勢分析[J].系統(tǒng)仿真學(xué)報，2008（S2）：205-208.

[2] CCAR 25中國民用航空規(guī)章第25部運輸類飛機適航標(biāo)準(zhǔn)R4[S].

[3] CS 25 Certification Specifications and Acceptable Means of Compliancefor Large AeroplanesAmdt11[Z].

[4] 黃子林，劉宏明，馬勇.多電飛機飛控系統(tǒng)的技術(shù)應(yīng)用[J].航空制造技術(shù)，2014（S1）：199-200.

[5] 王永，中國一航.民機電傳飛行控制系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)研究[A].中國航空學(xué)會年學(xué)術(shù)年會[C].2007.

[6] 齊海濤，付永領(lǐng)，郎燕.大型客機飛控作動系統(tǒng)配置方案設(shè)計[J].液壓與氣動，2014（4）.