多電技術在民用飛機領域應用的研究

陳勇哲

摘 要：本文介紹了多電飛機的概念，在民用飛機領域的發展方向。以及多電系統相對于傳統飛機系統的優勢及其關鍵技術的特點。

關鍵詞：多電飛機；優勢展望；關鍵技術

引言

民用飛機的發動機往往是設計師想降低飛機油耗時關注的首個領域，但是，研究人員證明，在其他用電氣的分系統上更多地使用電力可以使整個飛機電氣系統利用率更加有效。多電飛機的概念應運而生。多電飛機具有結構簡單，重量輕、可靠性高、性能價格比高等普通飛機所不能比擬的特點。在一些航空技術領先的國家的設計師們已經開展了長時間的研究，其發電、配電和電力作動是研究的主要領域。

發動機主要為飛機提供飛行動力，同時又是飛機上液壓、氣壓、供電和機械系統等次級功率系統的原動力。所以全電飛機是一種用電力供電系統取代原來的液壓、氣壓和機械系統的飛機，也就是所有的次級功率系統均采用電的形式工作。而多電飛機是全電飛機發展的一個過渡過程，是用電力系統部分取代次級功率系統的飛機。

1 優勢展望

因采用多電系統的飛機上液壓系統、發動機引氣裝置、氣動系統、飛行控制系統的機械和液壓系統、發動機和機翼內的引氣管路和高壓液壓管路的取消，使得多電飛機全部的二次動力部件均由電力驅動。在設計上考慮輔助動力部件和其他的二次動力部件可以放在最佳重量、平衡和氣動外形所期望的地方。發動機整流罩就可按最佳氣動力來設計，從而減少了發動機的截面積，減輕了系統的重量，進一步解決了使用成本高的問題。主要體現在以下幾方面：

作動系統的改變：電力作動系統與液壓系統相比雖然用電量大大增加、但是其發熱量低、部件間磨損小，系統的可靠性大大提高，而且具有容錯的能力。

制造與裝配上的優勢：多電飛機也有很大的吸引力。一般普通民用客機的的二次動力系統至少需要21個動力部件，而在引入多電飛機理念后，只需要9個部件就能滿足需求。動力部件的減少極大地減輕了系統重量，同時在系統安裝上提高了57%的工作效率。

燃料節省：多電飛機取消了從發動機引氣，采用封閉循環環境控制系統。取消了與用于客艙增壓等從發動機引氣的管路，相對于常規系統，運行的性能代償損失降低30%，節省了燃料。

由于液壓式拖動機構：因線性活塞拖動器是液壓拖動通常采用的方式。為了連接被驅動的控制面，需外加整流罩及搖臂結構。而電動拖動器是鉸線拖動機構，其在機翼面和操縱面內便可安裝。所以在采用電拖動器以后，飛機的機翼和尾翼的大小、形狀和位置的靈活性增加，因此，簡化了系統的綜合布局。

維修及維護：多電飛機系統的元件有足夠的自檢能力。電力作動系統中的微處理機內具有很強的機內自檢能力。因取消了更換油濾、添加液壓油等定期維護工作，且電氣參數本身易于監測，所以便于外場維護，同時測試所需的設備也很少。由于多電飛機的飛行控制系統是軟件驅動的，飛機可以通過直接而快速的軟件改變來實現最新控制規律和適應其他的飛行任務。所以多電飛機還使得飛機的飛行任務范圍擴寬。

2關鍵技術

多電飛機將會明顯的改善飛機的保障性、可靠性、維修性故障受損后的自修復能力及全周期費用和飛機性能。而目前多電飛機的研究主要集中在配電、發電和電力作動三方面。

2.1電源系統

飛機上的動力由主要動力和二次動力組成。主要動力來自于發動機，二次動力則為飛機設備和操縱系統提供能量。一般來說，普通飛機上的二次動力有電、液、氣三種。而多種動力的同時使用會使飛機和發動機性能降低。

經實踐證明，主電源用交流電源不適合于在多電飛機上使用。因為多電飛機容量要求大，而恒頻交流電源的效率較低，并且交流電不易實現不間斷供電，所以無法滿足需求。而270伏的高壓直流電源系統具有可靠性高、效率高、結構簡單、易于實現不中斷的電源供電等優點，因此270伏高壓直流電源具有較大的發展前途。其中最典型的為開關磁阻電機。其結構簡單，可靠性高，可承受的工作轉速和環境溫度都很高，當電機繞阻故障時，不會使故障面擴大，易于實現起動/發電雙功能。適合于在多電飛機上使用。

2.2固態配電技術

在20世紀80年代，出現了固態功率控制器。它是高壓直流電源的實用基礎之一。常規的電磁式繼電器在通斷電路時會產生火花或電弧。而由功率半導體和大規模集成電路等構成的固態功率控制器，因其驅動功率小且無二次擊穿從而達到自動均流。所以具有接通斷開負載、實現故障保護和提供開關信息功能的的固態功率控制器具，其保護作用通過直接檢測電流來實現，而不是熱保護方式。保護選擇性的改善可有效降低故障短路引起的不良后果。取消了離散信號控制線的固態配電技術控制。對于用電設備進行控制和保護，主要是由機載計算機通過多路傳輸數據總線來完成傳遞控制信號和狀態信息，再經固態功率控制器來控制和保護，最終在座艙內的綜合顯示裝置顯示系統狀態。分布式匯流條配電方式適用在信息配電系統中。在飛機座艙內并不需要設置中心配電裝置，配電匯流條可與電設備就近相連，而固態功率控制器可同時提供饋電保護。

在固態配電系統中，功率控制器接通或斷開電氣負載必須按負載要求的邏輯方程進行，使得微型計算機代替了飛行人員的操作，因此飛機上每個電氣負載都對應一個邏輯控制方程。固態配電技術可有效實現負載自動管理、減輕配電系統的重量、保證供電的質量、和可靠性等優點，相信在未來的多電飛機中的應用會更加廣泛。

2.3 電力作動技術

未來的飛機中將主要使用功率電傳系統。功率電傳作動系統包括以下三個主要部分。

（1）集成的作動裝置

傳統的集成作動裝置缺點集中體現在體積和重量較大，難控制等因素。在未來多電飛機的設計中，伺服控制采用電力驅動泵來替代傳統的液壓泵。得益于微電子器件的發展，減小了系統體積和重量的電子控制單元微型電路實現了將光傳飛行的經驗應用于功率電傳的集成作動裝置中。

（2）備用靜液作動器

備用靜液作動器已開始在現行飛機上使用。它是一個雙通道系統，保留了作為主通道的液壓系統來作動，當期時效時則由作為輔助通道的電力來作動。備用靜液作動器在高功率條件下的應用可滿足多電飛機的功能需求，但其電磁兼容性及提高可靠性和延長使用周期的問題在設計上必須考慮到。

（3）機電作動器

在多電飛機中液壓部分被功率電傳的機電作動器完全取代了了，舵面或機輪剎車等是電動機通過傳動系統直接驅動。由作動器模塊和電子控制單元兩個主要部分組成。作動模塊的作用是把電能轉換為機械能以驅動控制舵面，電子控制單元的作用是根據所得到的控制信號來控制作動器。具有容錯的機電作動器和電動靜液壓作動器， 用于電動環控系統、冷卻風扇和燃油泵的綜合電動機控制器，減輕控制器重量和改善電磁兼容性的光電傳感器為現在電力作動技術的發展目標。

3 結束語

多電飛機的研究水平是一個國家綜合技術水平的體現，同時也是經濟發展水平的重要象征。我國在高壓直流發電配電系統的原理性研究上還有很長的路要走，當前正在開展機電作動器和電動靜液作動器的功率電傳作動器研究以及高速電動機驅動的空氣循環機的研究，但在多電飛機的不少領域還屬一片空白。鑒于其良好的發展前景，及其良好的研究環境，相信在不久將來會在該領域開拓出廣泛的空間。

參考文獻：

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