容積式及蒸發式機載電負載系統研究

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考核。文章分別從設計方案和工作特點兩個方面對容積式及蒸發式機載電負載系統進行比較，分析其在飛機上實現的各種關鍵技術及各自優缺點。

關鍵詞：動力裝置定型試飛；容積式電負載系統；蒸發式電負載系統；模擬加載

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。目前國內比較成熟的電負載方案有四種：蒸發式電負載系統、容積式電負載系統、液冷式電負載系統以及風冷式電負載系統。這幾種負載系統各有其優缺點，本文通過重點闡述容積式電負載系統和蒸發式電負載系統的設計方案，然后進行比較，分析其在飛機上實現的各種關鍵技術及各自特點。

2 容積式電負載系統

容積式電負載系統是一種通過負載單元加熱容積罐內液體的方式將電能轉換為熱能完全存儲于工作液中的耗能系統。

2.1 設計方案

容積式電負載系統由采集控制子系統、負載子系統及地面保障子系統組成。

容積式電負載系統工作原理：采集控制系統將輸入的指定值傳送至容積罐內的負載單元，負載元件啟動后開始提取飛機動力裝置的電能，同時將信息反饋給采集控制系統，使其以發電機（或APU發電機）輸出電流為依據調節負載系統。

采集控制子系統主要由工控機、PLC控制器、接觸器及各類傳感器等構成，這些設備器件集成于貨艙的控制柜內，以工控機為核心通過采集壓力、溫度、電流、電壓及液位等信息，對系統狀態監控。

負載子系統主要由容積罐組、負載單元以及電動無級可調的變壓器等組成。該系統將電能轉換為熱能，同時對電阻絲溫升帶來的負載變化進行實時微調，滿足負載加載的精度要求。

負載子系統各個元器件如圖1所示，容積罐組安裝在載機地板上，負載單元安裝于容積罐內，罐組間通過管路連通。負載子系統還包含閥門、溫度傳感器、壓力傳感器、注水組件、排水組件等，主要完成蒸餾水存儲、加注、排放、管內壓力的保持以及其他輔助功能。

地面保障子系統主要完成任務開始前蒸餾水的補給及任務結束后高溫蒸餾水的排放工作，同時具備再次快速補給室溫蒸餾水的能力。該系統由地面補液罐、地面泵、閥門、控制面板以及相關運載工具構成。

2.2 容積式電負載系統特點

容積式電負載系統將容積罐內的蒸餾水加熱來實現能量的消耗，但是由于水的比熱容較低，散熱效果差，整個系統需水量大的驚人。例如，一個功率為100KVA的負載系統安全運行4小時，可以容積罐內7噸蒸餾水由25℃加熱至75℃，考慮到低壓沸騰及設計安全余度等因素，需水量要超出10噸，占用空間大，這在一般的飛機試飛中是不可取的，針對這一特點，我們研制了另一套電負載系統——蒸發式電負載系統。

3 蒸發式電負載系統

蒸發式電負載系統通過將蒸發罐組中的水加熱汽化排入飛機外部大氣中，由此將熱量帶走，實現負載電能的消耗。

3.1 設計方案

蒸發式電負載系統主要由控制子系統、補水排水子系統、負載子系統以及蒸發耗能子系統等4部分組成。蒸發式電負載系統工作原理如圖2所示。

負載系統啟動后，蒸發罐中負載元件工作，將蒸發罐組中的水由常溫加熱至沸騰，負載元件繼續加熱，水吸收熱能后開始汽化由防冰排水口排出到飛機外部大氣中，將熱量帶走，實現負載電能的消耗。蒸發罐組中的水消耗后水位降低，低至設定水位后由補水排水子系統進行補水調節。整個過程在控制系統的控制下進行。

控制子系統主要由接觸器、繼電器、濾波器以及工控機等組成，工控機負責采集壓力、溫度、電流、電壓、流量等各個傳感器的實時數據，并對數據進行分析處理，判斷整個系統的實時狀態，接收用戶命令，實現負載的控制等功能。

補水排水子系統由補水罐、補水泵以及液位傳感器等組成。當液位傳感器采集到各個蒸發器的液位低于設定值時，則自動啟動補水泵，由補水箱向蒸發罐組輸水，使其達到設定的液位值。

負載子系統主要由安裝在電加熱器罐里面的多個負載元件組成，均分在三個電加熱器罐里。在出現負載不平衡時，系統具有自動切除功能。

蒸發耗能子系統主要由蒸發罐組、汽液分離器、壓力活門、壓力傳感器、單向閥以及安全閥等組成。蒸汽達到一定壓力經壓力活門通過排放桿排出飛機；壓力活門用于調節蒸發器出口壓力，保持蒸發罐組內外壓差在允許的范圍之內，由壓力傳感器來實時檢測管路壓力。

3.2 蒸發式耗能電負載系統特點

蒸發式耗能電負載系統避免了容積式電負載系統占用空間龐大，系統后續試飛工作工程量大的缺點。同時整個系統與飛機本體界面清楚，不改變原機氣動外形、承載能力及艙內環境，重量輕散熱效率高，可以長時間的進行地面和空中試驗。本系統的控制系統先進，所有的操作及系統狀態信息均在可視化的操作界面上，試飛工程師操縱方便，出現緊急情況時能夠發現和處理。

4 結束語

文章介紹了我國常用的容積式電負載系統和蒸發式電負載系統，通過分析這兩種系統的優缺點，針對容積式電負載系統散熱效果差，整個系統需要儲水量大的缺點，引入蒸發式電負載系統。蒸發式耗能電負載系統不改變原機氣動外形、承載能力及艙內環境，重量輕散熱效率高，是目前最先進缺點最少的電負載系統。

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（3）：81-84.

[2]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，2012（2）：14-18.

作者簡介：蘭莎莎（1982-），女，工程師，本科，從事試驗機改裝設計與研究工作。

袁剛平（1987-），男，助理工程師，本科，從事試驗機改裝設計與研究工作。