基于多電飛機概念下的飛機電氣發展方向

吳秀杰 江鵬 楊彬彬 郭鵬 張睿純

【摘要】本文主要剖析了進入21世紀以來誕生的三種多電飛機，即A380、B787和F-35的電氣系統新技術，指出電氣科技的發展是實現多電飛機的關鍵，多電飛機技術的應用推進了航空科技的發展。

【關鍵詞】多電飛機；起動/發電機；固態功率控制器；電液作動機構；機電作動機構

1.引言

隨著F-35、A380和B787飛機的先后誕生，多電飛機已經從概念逐步變成了現實，多電飛機是下一代先進戰斗機的一個重要特征。一方面，由于對戰斗機性能要求的提高而使電子設備的用電量猛增。另一方面，縮小或取消集中式的液壓系統，廣泛采用電力作動器和功率電傳技術作為飛機操縱、環控、液壓、機輪剎車的動力源，使飛機可靠性、維修性、靈活性大為改善，重量大幅度降低。多電飛機的實質是用電力系統部分取代次級功率系統，其特征是具有大容量的供電系統和廣泛采用電力作動技術。

2.概述

本文通過對目前國外先進飛機電氣系統的闡述，提出了今后飛機電氣系統發展方向，并揭示了多電飛機的特征，對多電飛機供電系統先進技術進行了簡單闡述，探討了多電飛機的電氣系統關鍵技術的研究現狀和發展趨勢，闡述了PSP 和ELMC 的功能，發展多電飛機電源系統關鍵技術的設計方案。

3.國內外研究狀況

在激烈競爭的航空領域，降低飛機的使用維護費用是減少飛機全壽命周期費用的重要措施。現在的飛機制造商更強調采用新技術來降低飛機的飛行費用和維護費用，在多電飛機上盡量采用電力系統代替飛機上的其它二次能源，這樣可以大大降低系統重量和成本，提高飛機的維護性和可靠性。

早在20世紀70年代初期，美國空軍就在進行用機電作動系統取代液壓作動系統的研究，后來隨著電傳操縱系統的裝機使用，人們開始多電飛機電氣系統技術的研究。波音公司開展了先進電源系統和控制方案的研究，用通用多功能硬件和計算機技術將電源系統和數字電子信息系統結合在一起。F-22、F-35 戰斗機和波音787、A380等民機電氣系統中采用電氣負載自動管理多路傳輸技術。F-22 已經采用了多電飛機技術，用軟件控制配電中心保護飛機布線不受故障影響，并為電力管理和余度進行負載轉換。F-22 還采用了負載自動管理、自檢測和故障隔離等新技術。F-16、 YAH - 64以及海軍LAMPS 艦載直升機使用了分布式配電及負載自動管理技術。美國的第一代多電飛機C-141“電運輸星”和F-18“系統研究機”使用了功率電傳作動器技術，大量采用釤鈷永磁電動機作為電力作動器。此外美、英、法國早已開始了分布式配電和負載自動管理系統的研制，把電氣系統納入公共設備管理系統。

4.飛機電氣系統發展需求

4.1 電力容量需求

未來飛機機載電源的功率需求有非常大的提高，每個發動機提供的電力將達到500KW。為此美國在研制500KVA起動/發電機，歐洲也在研究300KVA以上發電機，以滿足對電力容量的要求。

4.2 供電體制的變化

隨著電力系統容量的增加，飛機上直流28V電源的應用范圍將進一步縮小。為了減輕輸電電線的重量，需要采用更高的電壓，如270V直流電。

4.3 不中斷供電需求

對于依賴電作動器的飛機來說，要求在整個飛行包線都要保證飛行控制作動器的電力。雖然允許短時間的中斷，但是飛行控制完全采用電作動的多電飛機，決不允許長時間的電力中斷。

4.4 負載自動管理

隨著飛機上用電負載的增加，只能依靠計算機實現對負載進行自動管理。通過固態功率控制器SSPC和機電功率控制器EMPC實現對負載的控制、狀態檢測，故障隔離及系統重構是多電飛機電氣系統的基本需求。

5.多電飛機定義

從字面上講，多電飛機就是大量用電飛機。從其內涵講，是一種在飛機上盡可能用電力作動方式取代液壓、氣壓和機械作動方式的飛機。從系統綜合角度上講，多電飛機是在功能上實現機載機電系統綜合化的一個實例。在多電飛機上減少了次級功率的類型，僅保留供電系統，取消了液壓和氣壓系統，同時采用雙重用途的部件（起動/發電機）把發電系統和發動機起動系統綜合在一起，從而實現了機載機電系統綜合化。

5.1 多電飛機優越性

與傳統的戰斗機相比，多電飛機具以下優越性：

（1）更小的易損性。

（2）多電飛機在戰斗受損后生存能力強，也更安全。

（3）促進了航空科技的迅速發展。

（4）具有更好的性能，減小了飛機起飛重量，減輕了飛機冷卻負擔，飛行控制和剎車等功能得到改善。

5.2 發展多電飛機關鍵技術問題

基于系統級優化技術的多電飛機，各系統將采用更新的技術來滿足飛機整體性能的需求，帶來了飛機電氣系統革命化的變化，比較突出的關鍵技術如下：

5.2.1 起動/發電技術

傳統的發動機引氣方式影響發動機的效率和穩定性。為了優化飛機的性能，把發電系統和發動機系統進行了綜合，在多電發動機中，直接把發電機安裝在發動機軸上，作為起動/發電機。

內置式發電機要求可靠性高，需要采用開關磁阻式無刷電機。因為該發電機具有極高的可靠性以及高溫、高速和大功率密度運行的能力，所以說高可靠性的內裝式開關磁阻起動/發電系統是多電飛機首先要解決的問題。

由于內裝式開關磁阻起動/發電機安裝在發動機油槽內，所以起動/發電機要考慮高溫和過速時轉子材料的應力和找出控制渦流損耗的最佳方法。

5.2.2 組合動力裝置

通過組合動力裝置IPU，把主發動機起動系統、應急動力裝置和輔助動力裝置合并成一個部件，為主發動機起動狀態，飛行應急狀態以及地面檢查等輔助狀態提供電力。

5.2.3 電作動技術

機電作動器是未來作動技術發展的目標，但是作為飛機上的關鍵設備，現在主要還是采用電靜液作動器為主。

5.2.4 負載自動管理技術

5.2.4.1 電氣負載管理中心（ELMC）

ELMC是具有局部處理能力的智能終端，對其周圍負載進行控制和管理。主要功能有：

（1）匯流條監測功能；

（2）控制SSPC；

（3）繼電器監控以及二極管監測；

（4）通訊功能；

（5）自檢測（BIT）功能。

5.2.4.2 供電系統處理機（PSP）

PSP控制整個電氣系統，負責整個電源系統的狀態獲取，實現電源系統故障判斷和供電系統布局處理功能。主要功能有：

（1）控制系統的啟動和關閉；

（2）控制系統電氣數據總線；

（3）接收和處理系統狀態數據，實現負載的管理；

（4）連接航空電子系統；

（5）進行系統供電系統處理機自檢測和故障診斷。

5.3 先進飛機配電系統的應用意義

分布式配電和數字式負載管理技術已在美國新研制的P-7A反潛機上使用。美國為先進戰術戰斗機上研制的容錯供電子系統樣機也采用了上述兩種技術。我國的飛機配電系統技術多年來沒有得到足夠的重視，飛機供電系統多采用傳統的集中配電方式。飛機配電系統技術的滯后阻礙著其它機載系統性能的提高，從而也影響飛機的整體性能，因而迫切要求采用新型配電布局方案，更新現有的配電控制和管理系統，以適應新一代先進飛機的性能要求。必須盡快對下列技術的研究：

（1）實現負載的自動管理、提高供電系統可靠性和供電品質。

（2）提高配電系統的維護性、減輕地勤人員的工作量。

（3）提高配電系統的可操作性和可擴展性。

（4）節約空間、減輕共電系統重量。

6.總結

我國的飛機電氣技術與國外的差距還比較大，只有通過科技來降低飛機的全壽命周期費用，才能在全球的航空領域生存發展。參考國外的技術發展路線，結合我國的國情，在發展多電飛機技術方面重點分階段地解決以起動/發電技術、自動配電技術和混合作動技術為主，探索大功率外置式起動/發電技術作為飛機的主電源的相關技術，探索基于總線的自動配電技術，采用固態功率控制器對常規負載的控制，并逐步提高固態配電的功率水平，作動技術可參照A380等飛機的思路，開發鋰電池的應用技術，探索飛機電氣系統的設計平臺技術，逐步采用電氣系統仿真技術，在硬件設計前進行驗證降低系統設計成本和風險，提高發電功率，擴大用電負載類型，探索電氣除冰技術及電氣環控技術，加大基礎研究力度，在基礎元件和材料上能有重量的突破，基本解決多電飛機技術發展的限制因素。

7.結束語

我國航空工業經過近年的發展，已取得較大的進步，特別是通過各大型號的研制，普遍加強了對預研項目的重視，但整體來說對飛機的應用需求研究缺乏總體宏觀考慮，預研項目進展緩慢，對長期預研和基礎研究不夠重視。需站在國家戰略高度發展我國的航空產業，根據國情在廣泛吸收跟蹤國外技術基礎上堅定地走自主研發的道路，開發出具有一定國際竟爭力的具有完全自主知識產權的新一代飛機。

參考文獻

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