直升機供電系統自動管理技術研究

陳亮 袁大天

【摘?要】供電系統主要包含電源系統和配電系統，由發電機、變壓整流器、蓄電池、各類控制器、匯流條、配電設備及電網絡等組成。本文就直升機供電系統的管理技術進行了探討。

【關鍵詞】直升機;供電系統;自動管理技術

前言

隨著對直升機系統安全性、維修保障性和低維護費用等要求越來越高，直升機的故障預測與健康管理技術研究越來越受到重視。故障預測與健康管理（PrognosticandHealthManagement，PHM）是指利用各種傳感器并通過實時監測、定期巡檢和離線檢測等相結合的方法，獲取設備/系統狀態信息，借助各種智能推理算法評估系統/設備健康狀態;在故障發生前，結合歷史工況信息和故障信息等多種信息資源進行狀態評估和故障預測，并提供維修保障決策及實施計劃等以實現系統的視情維修。在直升機系統設計中應用健康管理技術，可以實現自主式后勤，提高直升機安全性和任務完成率，提高維護工作效率，延長裝備使用壽命，降低全壽命周期費用。相比而言，國外直升機健康管理技術研究起步早，工作深入并且得到了廣泛應用。美軍將PHM作為一項戰略性的裝備保障策略，對裝備狀態進行實時或近實時監控，根據裝備的實際狀態確定最佳維修時機，以提高裝備的可用度和任務可靠性，其中F-35代表了目前美國PHM應用的最高水準。目前PHM技術也已廣泛應用于其他歐美航空技術發達國家。國內對于PHM技術研究相對較晚，研究需求和研究對象主要集中在航空、航天、船舶和兵器等高技術復雜裝備方面，研究工作以高校和院所為主，距離系統級應用還有相當的距離。本文從直升機系統角度梳理了PHM技術需求，結合自身工程經驗，以直升機供電系統為對象，研究了系統級健康管理架構、設計原則和關鍵技術，并從系統安全性、保障性、最低放飛清單、專家系統等方面對系統級健康評估進行分析，最終形成供電系統健康管理架構。

1電源系統運行模式

根據無人直升機的運行狀態及電源系統的構型狀態，電源系統工作模式可分為：

1.1外電源地面供電狀態

系統設計為外電源優先供電，接通外電源情況下，機上發電機自動斷開。開車前階段為直升機靜止處于地面狀態，全機供電通過外電源接口由機外電源輸入12V、28V直流電源至PP1、PP2匯流條，由外電源給機上12V和28V用電設備供電。外電源供電時同時可接通蓄電池組，給蓄電池組充電。

1.2發電機運行供電狀態

開車階段可分為起動到怠速，怠速到額定。直升機開車至怠速時，發動機自帶的磁電機達到發電要求，當輸出電壓大于12V后，PP1匯流條由地面電源改為磁電機供電，而交流發電機的怠速狀態沒有達到發電要求，PP2繼續由地面電源供電，為保障安全，必須在旋翼轉動之前斷開地面電源及設備。斷開地面電源后，PP1匯流條繼續由磁電機供電，而PP2匯流條改由24V蓄電池供電。當直升機達到額定后，交流發電機及電源變換器輸出28V至PP2匯流條。由發電機給機上用電設備由發電機供電。發電機供電時同時可接通蓄電池組，給蓄電池組充電。

1.3蓄電池組應急供電狀態

當人為或故障導致外電源及發電機斷開供電的情況下，分別由12V和24V蓄電池組給機上PP1、PP2匯流條供電，由兩組蓄電池組給機上應急設備供電。此時進入蓄電池組應急供電狀態。上述電源系統構型狀態在轉變過程中，供電轉換技術起到了重要的作用。

2典型供電系統健康管理系統設計

機載健康管理主要工作：首先，以供電系統各典型成品/設備/元器件等相關故障數據積累和故障場景為基礎，通過必要的測試點TP布局，獲取系統運行所需的信息，這些信息主要包括供電系統中影響直升機安全飛行的關鍵參數、反應系統/設備運行狀態的參數、基于系統/部件FMECA分析相關的特征參數以及與維護相關的信息，為供電系統健康管理設計提供數據支持;其次，負責供電系統級信息處理的設備有發電機控制器、輔助發電機控制器、外部電源監控器、直流電源控制保護器、蓄電池充電器，由各控制器將底層采集到的數據進一步處理以獲取特征信息，并記錄大量運行數據，結合健康數據庫、故障數據庫等信息，實現后續狀態監測、健康評估以及故障預測功能;然后，由供電系統各控制器將系統級關鍵重要參數、故障信息、狀態監測信息等，通過總線形式上傳給機電、航電上位機，再由機電、航電上傳至直升機級綜合管理機，由綜合管理機結合當前整機各系統狀態完成直升機級的信息融合，為空勤人員指示系統當前狀態并提供決策支持，通常與飛行安全、任務完成相關的診斷決策在機載綜合管理機中完成。地面健康管理主要實現與維護相關的工作以及深度推理預測工作，地勤人員通過地面維護設備可人機交互完成整機地面維護檢查，獲取直升機健康狀態;另外，地面PHM推理機可以存儲更多的歷史數據，更詳盡的產品/備件庫存信息，有更完備的系統故障模型、預測算法，可進一步實現故障預測，提供決策支持。

3關鍵技術及難點

3.1特征參數的選擇

由于各類設備/成品的特殊性，其可監控的參數較多，但如何選取特征參數，使之既能充分表征系統/設備運行狀態，又能兼顧安全性、可靠性、成本等因素，目前并沒有有效的評價標準或指標，需要大量理論研究和試驗數據支撐，并聯合相關科研單位進行深入研究。

3.3健康狀態評估

對于設備/系統健康狀態目前無可直接參考的指標或標準，但健康狀態又是決策的依據，可以結合相關專業標準（如GJB181B相關技術參數）和主機相關系統安全性評估指標對設備健康狀態進行評定。

3.3故障及壽命預測

包括故障預測和壽命預測，需要大量的運行數據、故障數據作為樣本數據，針對不同類型系統/設備數據選擇合適的預測算法，以建立各類數據的故障/壽命發展趨勢模型，目前大量樣本數據的積累、預測算法的選擇與驗證是實現預測功能需要攻克的難點。

結束語

本文從直升機系統健康管理需求分析為切入點，參考OSA-CBM體系結構，以直升機供電系統作為對象，提出了一套直升機供電系統健康管理設計思路和方法，形成了典型供電系統健康管理架構，并對關鍵技術和難點進行了分析，為后續供電系統健康管理設計提供了理論支持和參考。

參考文獻：

[1]馬寧，呂琛.直升機故障預測與健康管理框架研究[J].華中科技大學學報：自然科學版，2009，37（1）：207-209.

[2]張寶珍.國外綜合診斷、預測與健康管理技術的發展及應用[J].計算機測量與控制，2008，16（5）：591-594

（作者單位：中國飛行試驗研究院）