多電技術(shù)在民用飛機(jī)領(lǐng)域應(yīng)用的研究

陳勇哲

摘 要：本文介紹了多電飛機(jī)的概念，在民用飛機(jī)領(lǐng)域的發(fā)展方向。以及多電系統(tǒng)相對(duì)于傳統(tǒng)飛機(jī)系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)及其關(guān)鍵技術(shù)的特點(diǎn)。

關(guān)鍵詞：多電飛機(jī)；優(yōu)勢(shì)展望；關(guān)鍵技術(shù)

引言

民用飛機(jī)的發(fā)動(dòng)機(jī)往往是設(shè)計(jì)師想降低飛機(jī)油耗時(shí)關(guān)注的首個(gè)領(lǐng)域，但是，研究人員證明，在其他用電氣的分系統(tǒng)上更多地使用電力可以使整個(gè)飛機(jī)電氣系統(tǒng)利用率更加有效。多電飛機(jī)的概念應(yīng)運(yùn)而生。多電飛機(jī)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，重量輕、可靠性高、性能價(jià)格比高等普通飛機(jī)所不能比擬的特點(diǎn)。在一些航空技術(shù)領(lǐng)先的國(guó)家的設(shè)計(jì)師們已經(jīng)開展了長(zhǎng)時(shí)間的研究，其發(fā)電、配電和電力作動(dòng)是研究的主要領(lǐng)域。

發(fā)動(dòng)機(jī)主要為飛機(jī)提供飛行動(dòng)力，同時(shí)又是飛機(jī)上液壓、氣壓、供電和機(jī)械系統(tǒng)等次級(jí)功率系統(tǒng)的原動(dòng)力。所以全電飛機(jī)是一種用電力供電系統(tǒng)取代原來(lái)的液壓、氣壓和機(jī)械系統(tǒng)的飛機(jī)，也就是所有的次級(jí)功率系統(tǒng)均采用電的形式工作。而多電飛機(jī)是全電飛機(jī)發(fā)展的一個(gè)過渡過程，是用電力系統(tǒng)部分取代次級(jí)功率系統(tǒng)的飛機(jī)。

1 優(yōu)勢(shì)展望

因采用多電系統(tǒng)的飛機(jī)上液壓系統(tǒng)、發(fā)動(dòng)機(jī)引氣裝置、氣動(dòng)系統(tǒng)、飛行控制系統(tǒng)的機(jī)械和液壓系統(tǒng)、發(fā)動(dòng)機(jī)和機(jī)翼內(nèi)的引氣管路和高壓液壓管路的取消，使得多電飛機(jī)全部的二次動(dòng)力部件均由電力驅(qū)動(dòng)。在設(shè)計(jì)上考慮輔助動(dòng)力部件和其他的二次動(dòng)力部件可以放在最佳重量、平衡和氣動(dòng)外形所期望的地方。發(fā)動(dòng)機(jī)整流罩就可按最佳氣動(dòng)力來(lái)設(shè)計(jì)，從而減少了發(fā)動(dòng)機(jī)的截面積，減輕了系統(tǒng)的重量，進(jìn)一步解決了使用成本高的問題。主要體現(xiàn)在以下幾方面：

作動(dòng)系統(tǒng)的改變：電力作動(dòng)系統(tǒng)與液壓系統(tǒng)相比雖然用電量大大增加、但是其發(fā)熱量低、部件間磨損小，系統(tǒng)的可靠性大大提高，而且具有容錯(cuò)的能力。

制造與裝配上的優(yōu)勢(shì)：多電飛機(jī)也有很大的吸引力。一般普通民用客機(jī)的的二次動(dòng)力系統(tǒng)至少需要21個(gè)動(dòng)力部件，而在引入多電飛機(jī)理念后，只需要9個(gè)部件就能滿足需求。動(dòng)力部件的減少極大地減輕了系統(tǒng)重量，同時(shí)在系統(tǒng)安裝上提高了57%的工作效率。

燃料節(jié)?。憾嚯婏w機(jī)取消了從發(fā)動(dòng)機(jī)引氣，采用封閉循環(huán)環(huán)境控制系統(tǒng)。取消了與用于客艙增壓等從發(fā)動(dòng)機(jī)引氣的管路，相對(duì)于常規(guī)系統(tǒng)，運(yùn)行的性能代償損失降低30%，節(jié)省了燃料。

由于液壓式拖動(dòng)機(jī)構(gòu)：因線性活塞拖動(dòng)器是液壓拖動(dòng)通常采用的方式。為了連接被驅(qū)動(dòng)的控制面，需外加整流罩及搖臂結(jié)構(gòu)。而電動(dòng)拖動(dòng)器是鉸線拖動(dòng)機(jī)構(gòu)，其在機(jī)翼面和操縱面內(nèi)便可安裝。所以在采用電拖動(dòng)器以后，飛機(jī)的機(jī)翼和尾翼的大小、形狀和位置的靈活性增加，因此，簡(jiǎn)化了系統(tǒng)的綜合布局。

維修及維護(hù)：多電飛機(jī)系統(tǒng)的元件有足夠的自檢能力。電力作動(dòng)系統(tǒng)中的微處理機(jī)內(nèi)具有很強(qiáng)的機(jī)內(nèi)自檢能力。因取消了更換油濾、添加液壓油等定期維護(hù)工作，且電氣參數(shù)本身易于監(jiān)測(cè)，所以便于外場(chǎng)維護(hù)，同時(shí)測(cè)試所需的設(shè)備也很少。由于多電飛機(jī)的飛行控制系統(tǒng)是軟件驅(qū)動(dòng)的，飛機(jī)可以通過直接而快速的軟件改變來(lái)實(shí)現(xiàn)最新控制規(guī)律和適應(yīng)其他的飛行任務(wù)。所以多電飛機(jī)還使得飛機(jī)的飛行任務(wù)范圍擴(kuò)寬。

2關(guān)鍵技術(shù)

多電飛機(jī)將會(huì)明顯的改善飛機(jī)的保障性、可靠性、維修性故障受損后的自修復(fù)能力及全周期費(fèi)用和飛機(jī)性能。而目前多電飛機(jī)的研究主要集中在配電、發(fā)電和電力作動(dòng)三方面。

2.1電源系統(tǒng)

飛機(jī)上的動(dòng)力由主要?jiǎng)恿投蝿?dòng)力組成。主要?jiǎng)恿?lái)自于發(fā)動(dòng)機(jī)，二次動(dòng)力則為飛機(jī)設(shè)備和操縱系統(tǒng)提供能量。一般來(lái)說，普通飛機(jī)上的二次動(dòng)力有電、液、氣三種。而多種動(dòng)力的同時(shí)使用會(huì)使飛機(jī)和發(fā)動(dòng)機(jī)性能降低。

經(jīng)實(shí)踐證明，主電源用交流電源不適合于在多電飛機(jī)上使用。因?yàn)槎嚯婏w機(jī)容量要求大，而恒頻交流電源的效率較低，并且交流電不易實(shí)現(xiàn)不間斷供電，所以無(wú)法滿足需求。而270伏的高壓直流電源系統(tǒng)具有可靠性高、效率高、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、易于實(shí)現(xiàn)不中斷的電源供電等優(yōu)點(diǎn)，因此270伏高壓直流電源具有較大的發(fā)展前途。其中最典型的為開關(guān)磁阻電機(jī)。其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，可靠性高，可承受的工作轉(zhuǎn)速和環(huán)境溫度都很高，當(dāng)電機(jī)繞阻故障時(shí)，不會(huì)使故障面擴(kuò)大，易于實(shí)現(xiàn)起動(dòng)/發(fā)電雙功能。適合于在多電飛機(jī)上使用。

2.2固態(tài)配電技術(shù)

在20世紀(jì)80年代，出現(xiàn)了固態(tài)功率控制器。它是高壓直流電源的實(shí)用基礎(chǔ)之一。常規(guī)的電磁式繼電器在通斷電路時(shí)會(huì)產(chǎn)生火花或電弧。而由功率半導(dǎo)體和大規(guī)模集成電路等構(gòu)成的固態(tài)功率控制器，因其驅(qū)動(dòng)功率小且無(wú)二次擊穿從而達(dá)到自動(dòng)均流。所以具有接通斷開負(fù)載、實(shí)現(xiàn)故障保護(hù)和提供開關(guān)信息功能的的固態(tài)功率控制器具，其保護(hù)作用通過直接檢測(cè)電流來(lái)實(shí)現(xiàn)，而不是熱保護(hù)方式。保護(hù)選擇性的改善可有效降低故障短路引起的不良后果。取消了離散信號(hào)控制線的固態(tài)配電技術(shù)控制。對(duì)于用電設(shè)備進(jìn)行控制和保護(hù)，主要是由機(jī)載計(jì)算機(jī)通過多路傳輸數(shù)據(jù)總線來(lái)完成傳遞控制信號(hào)和狀態(tài)信息，再經(jīng)固態(tài)功率控制器來(lái)控制和保護(hù)，最終在座艙內(nèi)的綜合顯示裝置顯示系統(tǒng)狀態(tài)。分布式匯流條配電方式適用在信息配電系統(tǒng)中。在飛機(jī)座艙內(nèi)并不需要設(shè)置中心配電裝置，配電匯流條可與電設(shè)備就近相連，而固態(tài)功率控制器可同時(shí)提供饋電保護(hù)。

在固態(tài)配電系統(tǒng)中，功率控制器接通或斷開電氣負(fù)載必須按負(fù)載要求的邏輯方程進(jìn)行，使得微型計(jì)算機(jī)代替了飛行人員的操作，因此飛機(jī)上每個(gè)電氣負(fù)載都對(duì)應(yīng)一個(gè)邏輯控制方程。固態(tài)配電技術(shù)可有效實(shí)現(xiàn)負(fù)載自動(dòng)管理、減輕配電系統(tǒng)的重量、保證供電的質(zhì)量、和可靠性等優(yōu)點(diǎn)，相信在未來(lái)的多電飛機(jī)中的應(yīng)用會(huì)更加廣泛。

2.3 電力作動(dòng)技術(shù)

未來(lái)的飛機(jī)中將主要使用功率電傳系統(tǒng)。功率電傳作動(dòng)系統(tǒng)包括以下三個(gè)主要部分。

（1）集成的作動(dòng)裝置

傳統(tǒng)的集成作動(dòng)裝置缺點(diǎn)集中體現(xiàn)在體積和重量較大，難控制等因素。在未來(lái)多電飛機(jī)的設(shè)計(jì)中，伺服控制采用電力驅(qū)動(dòng)泵來(lái)替代傳統(tǒng)的液壓泵。得益于微電子器件的發(fā)展，減小了系統(tǒng)體積和重量的電子控制單元微型電路實(shí)現(xiàn)了將光傳飛行的經(jīng)驗(yàn)應(yīng)用于功率電傳的集成作動(dòng)裝置中。

（2）備用靜液作動(dòng)器

備用靜液作動(dòng)器已開始在現(xiàn)行飛機(jī)上使用。它是一個(gè)雙通道系統(tǒng)，保留了作為主通道的液壓系統(tǒng)來(lái)作動(dòng)，當(dāng)期時(shí)效時(shí)則由作為輔助通道的電力來(lái)作動(dòng)。備用靜液作動(dòng)器在高功率條件下的應(yīng)用可滿足多電飛機(jī)的功能需求，但其電磁兼容性及提高可靠性和延長(zhǎng)使用周期的問題在設(shè)計(jì)上必須考慮到。

（3）機(jī)電作動(dòng)器

在多電飛機(jī)中液壓部分被功率電傳的機(jī)電作動(dòng)器完全取代了了，舵面或機(jī)輪剎車等是電動(dòng)機(jī)通過傳動(dòng)系統(tǒng)直接驅(qū)動(dòng)。由作動(dòng)器模塊和電子控制單元兩個(gè)主要部分組成。作動(dòng)模塊的作用是把電能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能以驅(qū)動(dòng)控制舵面，電子控制單元的作用是根據(jù)所得到的控制信號(hào)來(lái)控制作動(dòng)器。具有容錯(cuò)的機(jī)電作動(dòng)器和電動(dòng)靜液壓作動(dòng)器， 用于電動(dòng)環(huán)控系統(tǒng)、冷卻風(fēng)扇和燃油泵的綜合電動(dòng)機(jī)控制器，減輕控制器重量和改善電磁兼容性的光電傳感器為現(xiàn)在電力作動(dòng)技術(shù)的發(fā)展目標(biāo)。

3 結(jié)束語(yǔ)

多電飛機(jī)的研究水平是一個(gè)國(guó)家綜合技術(shù)水平的體現(xiàn)，同時(shí)也是經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平的重要象征。我國(guó)在高壓直流發(fā)電配電系統(tǒng)的原理性研究上還有很長(zhǎng)的路要走，當(dāng)前正在開展機(jī)電作動(dòng)器和電動(dòng)靜液作動(dòng)器的功率電傳作動(dòng)器研究以及高速電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)的空氣循環(huán)機(jī)的研究，但在多電飛機(jī)的不少領(lǐng)域還屬一片空白。鑒于其良好的發(fā)展前景，及其良好的研究環(huán)境，相信在不久將來(lái)會(huì)在該領(lǐng)域開拓出廣泛的空間。

參考文獻(xiàn)：

[1] 黨曉民，成杰，林麗.我國(guó)大型飛機(jī)環(huán)境控制系統(tǒng)研制展望.航空工程進(jìn)展，2010，第1卷第1期.

[2] CCAR25.民用航空適航條例第25部運(yùn)輸類飛機(jī)適航標(biāo)準(zhǔn)第三版[S].中國(guó)：中國(guó)民航總局，2001.