飛機加裝輔助動力供電系統(tǒng)技術研究

趙淵昉 孫丹丹 王雯陽

摘要：飛機加改裝過程中由于大量增加用電設備，原飛機電源的額定容量無法滿足新增設備的用電需求，需要通過加裝輔助動力裝置提供額外的供電份額，而加裝輔助動力供電系統(tǒng)需要從飛機剩余電源容量估算、任務系統(tǒng)電源容量分析、輔助動力裝置分系統(tǒng)加裝以及電氣系統(tǒng)試驗4個方面進行充分論證分析，并最終通過實際運行驗證，保證飛機在飛行階段的供電能力和供電品質。

關鍵詞：飛機；加改裝；輔助動力；電源容量

Keywords：aircraft；modification；auxiliary power；power capacity

0 引言

在飛行試驗驗證階段，為了滿足試飛任務需求，飛機需要完成大量加裝、改裝工作。在此過程中，機載任務系統(tǒng)大功率用電設備的投入使用會導致原機電源容量嚴重不足。為解決此項難題，同時考慮試驗機加改裝的獨立性和特殊性，通常采用加裝輔助動力裝置提供額外的能源，而輔助供電系統(tǒng)作為輔助動力提供的主要能源之一，必須進行充分的研究分析驗證，方可投入使用。

1 輔助動力裝置簡介

輔助動力裝置（APU）主要由顯控器、電子控制盒、供電系統(tǒng)、火警和滅火系統(tǒng)、輔助燃油系統(tǒng)和輔助液壓系統(tǒng)等組成，其中供電系統(tǒng)是其重要的組成部分。

顯控器安裝在駕駛艙，用于飛行員或機械師及時了解輔助動力艙工作情況并做出反應，可以控制輔助動力裝置的起動、停車、緊急停車以及發(fā)電機的起動、停車。此外，還可以監(jiān)視整個輔助動力系統(tǒng)的運行狀態(tài)，查詢系統(tǒng)狀態(tài)信息和故障信息。電子控制盒能夠按控制規(guī)律啟動、控制、調節(jié)輔助動力裝置，同時具備系統(tǒng)自檢、故障判斷、故障報警和故障保護等功能；發(fā)電機控制器主要完成發(fā)電機電壓調節(jié)、發(fā)電機過壓、欠壓、啟動、斷開、過頻、欠頻、過流、三相平衡的控制和保護；火警和滅火系統(tǒng)用于對輔助動力艙火警信息進行監(jiān)測和滅火；輔助燃油系統(tǒng)用于完成輔助動力系統(tǒng)的燃油供給和控制。

2 輔助動力供電系統(tǒng)加裝設計

飛機加改裝時，一般優(yōu)先考慮使用原機剩余電量，當原機剩余電量不能滿足任務系統(tǒng)用電或是加裝的任務系統(tǒng)會對原機電網產生嚴重干擾時，必須加裝輔助動力供電系統(tǒng)完成供電，避免對機上原有系統(tǒng)造成干擾和影響。

輔助動力裝置的加改裝包含很多方面的內容，包括輔助動力艙的機械結構、電氣系統(tǒng)和其他關聯系統(tǒng)的加改裝設計。電氣系統(tǒng)作為其中的一個重要組成部分，主要加改裝內容包括中央顯控系統(tǒng)、視頻監(jiān)控系統(tǒng)以及供電系統(tǒng)等的總體布局、安裝、試驗。

2.1 試驗機剩余電源容量估算

通過查詢飛機電源容量裕度或者通過地面試驗模擬空中狀態(tài)檢測飛機負載功率，可以獲取飛機剩余電量情況。在不同飛行階段，飛機的工作狀態(tài)負載也不同。一般認為，飛機在爬升和下降階段消耗電量最大，巡航時若螺旋槳（尾翼）加溫系統(tǒng)工作則消耗電量較大。進行剩余電量估算時，以飛機最小剩余電量為參考值。

2.2 任務系統(tǒng)負載分析

在對任務系統(tǒng)負載進行分析時，一般情況下，需要先統(tǒng)計任務系統(tǒng)各設備的電源特性和工作時間。為了方便分析，可采用表1所示的方式進行計算分析。在計算分析過程中，要對非三相用電設備進行功率配平，確保任務系統(tǒng)負載不平衡度滿足國軍標的相關要求。

2.3 輔助動力加改裝電氣技術

任務系統(tǒng)負載完成分析后，負載功率是輔助動力裝置選型的一個重要依據。一般情況下，各狀態(tài)下應保證電源容量裕度≥25% ，以方便為將來增加的負載設備供電。輔助動力裝置選型完成后，根據其技術條件進行輔助動力裝置的電氣加裝工作。輔助動力裝置的電氣加裝工作包括輔助動力裝置啟動及控制電源設計、地面電源加裝設計、子系統(tǒng)互連設計及匯流條配置設計。

1）輔助動力裝置啟動及控制電源設計

輔助動力裝置起動系統(tǒng)的主要部件是起動電動機，一般選用28VDC的供電模式。起動采用雙供電模式，一種是直接從飛機起動匯流條引取電量給啟動電機，另一種是加裝蓄電瓶來起動輔助動力裝置。

輔助動力裝置控制板及其他系統(tǒng)用電均引自飛機28VDC電，這樣可以保證輔助動力裝置工作過程中不受任務系統(tǒng)電源開關的控制。輔助動力系統(tǒng)的控制面板安裝在駕駛艙，由飛行員負責輔助動力系統(tǒng)的起動與監(jiān)控。為確保輔助動力監(jiān)控器能正常工作，需加裝1臺蓄電瓶用于連續(xù)供電。

某些輔助動力裝置需要對滑油進行電加溫，滑油電加溫一般從原機應急交流匯流條中引取。這樣可以確保在發(fā)動機不工作的情況下由原機提供115VAC電。

2）地面電源加裝設計

由于輔助動力系統(tǒng)只在飛行時工作，所以需要進行交流地面電源設計。地面電源的加裝可以使得任務系統(tǒng)設備在地面試驗時，由地面電源車向其提供三相交流電源。地面電源系統(tǒng)與輔助動力供電系統(tǒng)為互鎖關系，且優(yōu)先級低于輔助動力系統(tǒng)。當輔助動力系統(tǒng)準備工作完成具備加載狀態(tài)時，地面電源自動切斷，轉由輔助動力發(fā)電機向任務系統(tǒng)設備供電，如圖1所示。為方便試飛工程師操作，地面電源控制開關一般安裝在駕駛艙。

3）子系統(tǒng)互連設計

由于輔助動力系統(tǒng)關聯配套工作邏輯關系復雜，安裝位置分散，并且部分系統(tǒng)需要外界為其提供用電以及高低電平指令，所以，必須正確梳理輔助動力子系統(tǒng)間的互連關系。典型輔助動力子系統(tǒng)間互聯關系如圖2所示。

其中，配電控制盒的設計解決了大電流供電線纜難以在輔助動力系統(tǒng)配電中心狹小空間布置的問題，是一個輸入輸出電力的匯總控制中心。飛機上的28VDC和115VAC通過它向其他系統(tǒng)供電，輔助動力發(fā)電機也通過它向任務系統(tǒng)設備供電。

4）匯流條匹配設計

輔助動力發(fā)電機輸出電量與機上電量需采用完全隔離的方式進行匯流條配置，典型配置如圖3所示。實際操作中還應加裝過流、不平衡度超限、相序匹配等保護裝置。各任務系統(tǒng)設備根據其電源特性在相應匯流條上引取電量。

2.4 電源容量分析

不同試飛科目中所需要開啟的負載設備不盡相同，因此要對典型試飛狀態(tài)進行區(qū)別分析，對典型飛行狀態(tài)電源容量進行分析。電源容量分析包括各相匯流條在既定試飛狀態(tài)下的5s平均負載、5min平均負載和連續(xù)平均負載的有功功率、無功功率以及視在功率計算，根據計算結果分析總負載在不同狀態(tài)下的功率因數和相不平衡度。對于變壓器，需要將其副邊所連接的負載設備連同變壓器的損耗一起，列入原邊所在的相內。通過對飛行狀態(tài)下電源容量進行分析，可以計算出各狀態(tài)下的電氣容量裕度，并對電氣容量裕度最低的試飛狀態(tài)給出說明。

2.5 電氣系統(tǒng)檢查試驗

完成試驗機加改裝工作以后，必須對相關系統(tǒng)進行功能和性能測試，方可正式投入使用。

1）輔助動力系統(tǒng)檢查

輔助動力系統(tǒng)在交付前需要在地面試車臺上調試，系統(tǒng)功能正常后完成系統(tǒng)裝機，裝機后一般進行導通、絕緣、短路檢查，同時對顯示控制、滅火、油泵、發(fā)電機、風門電機等主要部件進行功能性測試。

2）機上配套系統(tǒng)檢查

輔助動力系統(tǒng)檢查完成后，還需要對機上其他配套系統(tǒng)進行檢查，主要包括大型盤箱通電檢查、二次電源供電品質檢查、故障模擬檢查、三相負載不平衡度檢查和全機通電聯試。

3 結束語

輔助動力供電系統(tǒng)加改裝是飛機改裝的一個重要部分，加改裝技術已經在多架試驗機上進行了應用。在加改裝過程中，嚴格按照試驗機剩余電源容量估算、任務系統(tǒng)負載分析、電氣系統(tǒng)加裝、電源容量分析、系統(tǒng)試驗等步驟進行，可以有效保證系統(tǒng)投入運行后，應用更加方便，故障率更低，保障試驗機飛行任務的順利完成。

參考文獻

[1]孫傳友. 測控系統(tǒng)原理與設計[M]. 北京：北京航空航空大學出版社，2001.

作者簡介

趙淵昉，技師，主要從事飛機改裝工作。

孫丹丹，高級工程師，主要從事飛機改裝設計工作。

王雯陽，高級工，主要從事飛機改裝工作。