風冷式及液冷式機載電負載系統研究

劉學杰等

摘 要：在飛機動力裝置定型試飛中，往往需要在載機上加裝電負載系統進行模擬加載，以完成對其工作性能的考核。文章從設計方案及工作特點方面對液冷式及風冷式機載電負載系統進行比較。針對風冷式電負載系統的對氣動及操穩特性產生不利影響的缺點，引出散熱器安裝在載機機身內的液冷式電負載系統。然后對這兩種電負載系統進行對比分析，剖析其各自的優缺點，并在文章最后進行了總結。

關鍵詞：動力裝置定型試飛；模擬加載；電負載系統；負載單元

1 概述

在飛機動力裝置定型試飛中，必須進行電氣負載和電源容量測試，同時檢測發電機過載對發動機性能的影響，通常使用的測試方式就是在載機上加裝電負載系統進行模擬加載[1][2]。目前國內比較成熟的電負載方案有四種：風冷式電負載系統、液冷式電負載系統、蒸發式電負載系統以及容積式電負載系統。這幾種負載系統各有其優缺點，文章通過重點闡述前兩種負載系統，然后對幾種系統進行比較，分析其在飛機上的實現的各種關鍵技術及各自缺點。

2 風冷式電負載系統

風冷式電負載系統是通過在載機機身外吊掛安裝負載吊艙，利用載機飛行中外部沖壓空氣與吊艙內的電熱負載的載體進行強迫通風冷卻來實現動力裝置的能量消耗[3]。

2.1 設計方案

風冷式電負載系統由負載單元模塊、負載吊艙及負載控制柜三個子系統組成。

負載單元模塊用于消耗發動機的電功率。負載吊艙用于為電阻模塊提供適宜的安裝環境，既是電熱負載的載體，又是冷卻空氣的通道。負載控制柜安裝在載機機艙內，用于加載模擬負載，并能實時顯示發電機工作電壓、電流、吊艙壁溫。

風冷式電負載系統工作原理如圖1所示，系統啟動后，電壓、電流傳感器將發動機發電機的三相電壓電流值變換為模擬電壓信號或電流信號；通過PLC上擴展的A/D模塊將上述信號變為數字量送入PLC控制器中；PLC控制器根據A/D定標參數將數字量化為對應電壓、電流值，并輸出至負載吊艙里的負載單元。同時，PLC控制器將顯示參數信息輸出至控制終端，試飛工程師可以據此有選擇地加載負載單元。

2.2 風冷式電負載系統特點

風冷式電負載系統具有以下優點：一是控制原理簡單明了，操作簡便。二是系統占用載機艙內空間小，而且設計消耗功率大。因此吊艙理論外形及尺寸可以根據功能需要進行設計，吊艙負載單元模塊的總功率也可以比較大，能滿足大功率動力裝置試飛模擬加載需求。但是風冷式電負載系統中負責通風冷卻的負載吊艙屬于大型外掛物，一般掛裝在載機機身外氣流平穩區域，這將會對飛機的氣動及操穩特性產生不利影響。而液冷式電負載系統的散熱裝置安裝在載機艙內，可避免這一缺點。

3 液冷式電負載系統

液冷式電負載系統是通過負載單元對工作液進行加熱及散熱器對工作液冷卻，如此進行不斷循環來實現動力裝置能量消耗的。

3.1 設計方案

液冷式電負載系統由液冷子系統、負載子系統以及控制子系統三部分組成，其工作原理如圖2所示。負載元件將加熱器罐組里面的工作液（防凍液或水）加熱至某一設定值后，工作泵啟動將工作液泵出，送至與大氣相通的散熱器中完成熱能交換，冷卻后的工作液又回到儲液罐，如此不斷循環，消耗負載電能。

液冷子系統主要包括加熱器罐組、集液器、工作泵、流量傳感器、溫度傳感器、散熱器以及分配閥等。散熱器一般安裝在載機艙內地板下，通過進氣道及出氣道與外界大氣相通。為了增加系統可靠性，一般都設計主輔電動泵的雙裕度結構。負載子系統由加熱罐組及負載單元組成，負載單元累加的總功率一般比試飛所需的總功率值要大一些。控制子系統通過各類傳感器采集壓力、溫度、電流、電壓、流量等參數的實時數據，對數據進行分析處理輸出，試飛工程師依據輸出信息監控整個系統的實時狀態，并進行模擬負載的加載。

3.2 液冷式電負載系統特點

液冷式電負載系統是把液冷系統和負載子系統整合在一起，整個系統元器件多，系統控制復雜，故障率較高。另外，在載機上加裝一套散熱器以完成對工作液冷卻，必須在飛機結構上開設一個進氣口框及一個排氣口框，將對飛機造成不可恢復的損傷，這在動力裝置的新機試飛中是不可取的，為了避免這一缺陷，飛機試飛改裝工程師研制出了一種在試飛過程中無需冷卻循環的系統-容積式電負載系統，以及通過將蒸發罐組中的水加熱汽化排到飛機外部大氣中帶走將熱量，實現負載電能的消耗的蒸發式電負載系統，由于文章篇幅限制，不再在文中展開討論。

4 結束語

文章介紹了我國常用的幾種機載電負載系統，針對風冷式電負載系統的對氣動及操穩特性產生不利影響的缺點，引出散熱器安裝在載機機身內的液冷式電負載系統，但是液冷式系統存在元器件多，系統控制復雜，故障率較高等缺點。目前風冷式電負載系統已經在我國某型運輸機上成功承擔過某發動機的科研試飛工作，液冷式電負載系統因其復雜的控制及故障率高等困難還沒有完成過完整的研究工作。

參考文獻

[1]吳曉輝，等.基于飛機發電機測試的電負載控制系統[J].航空制造技術，2011（2）：81-84.

[2]殷智偉，范蟠果.飛機發電機電負載控制系統的設計和實現[J].機械與電子，2010（2）：46-48.

[3]牛亞宏，王進.機載電熱負載吊艙[J].科技通報，2012（11）：208-211.

[4]孫新川，仲秦，范蟠果.LabWindows/CVI和PLC技術下的飛機電負載系統設計[J].機械與電子，2010（2）：14-18.

[5]劉少軍，王瑜瑜.基于LabWindows/CVI的飛機電負載系統設計[J].電子技術應用，2014，40（11）：92-94.

作者簡介：劉學杰（1982-），男，籍貫：安徽省阜陽市，工程師，碩士研究生，從事試驗機改裝設計與研究工作。

呂超（1984-），男，籍貫：陜西省咸陽市，工程師，碩士研究生，從事試驗機改裝設計與研究工作。