輕型運動飛機電氣負載和電源容量分析方法研究

鄭博峰 金 鐳 胡 濤

隨著我國低空空域逐步開放，通用航空產業迎來了快速發展，尤其是小型航空器制造業愈加繁榮，其適航取證需求也隨之增加。以固定翼“輕型運動飛機”（Light Sport Aircraft，LSA）為例，已頒布的適航技術標準和管理程序均對電氣系統負載和電源容量予以明確要求，本文在分析研究這些適航性要求基礎上，給出LSA電氣負載和電源容量分析的一般流程和方法，并用典型LSA工程實施加以驗證，為固定翼輕型運動飛機適航取證提供參考。

1 LSA電氣系統架構及供電特點

LSA與民用運輸類飛機的電氣系統相比較，其電氣系統和電源供電架構復雜程度都較為簡單。LSA通常采用電子綜合飛行儀表系統和單發直流供電系統。主電源為交流發電機（由飛機發動機驅動），通過調壓整流器轉換成直流持續輸出，向各個機載電氣設備供電；應急電源為蓄電池，在飛機飛行中因主電源故障停止供電時，蓄電池負責向機上重要設備供電；在發動機空中停車時，負責發動機再啟動；在地面停機時，完成飛行前準備和發動機啟動供電。

因此，LSA電源系統的基本轉換邏輯為：正常工作時，發電機與蓄電池并聯工作；當主電源停止供電時，將手動/自動切換至應急電源。

2 電氣系統相關適航標準要求

為了保證飛行安全，LSA電源系統要求具有足夠的能力來應對任何的正常和緊急狀況，適航審定程序及技術文件均對LSA電氣系統提出了明確要求：

AC-21-AA-2015-37R1《輕型運動航空器型號設計批準審定程序》第8.6節要求電氣系統應有主開關和過載保護裝置，電線能夠與每一電路負載相符。

ASTM F2245-14《輕型飛機設計和性能標準》附錄A 2.9.3要求總連續電力載荷不應該超過總額定發電機或交流發電機輸出容量的80%。

從要求可以看出，飛機電氣負載與電源容量匹配性、過載能力都是電氣系統適航性設計中需要特別關注的技術指標，通常采用分析/計算的方法開展適航符合性驗證工作。飛機電氣負載和電源容量分析的目的是表明電源系統在正常工作或主電源失效（應急供電）狀態下，電源系統的容量能夠滿足相應組合的負載用電量要求。

3 電氣負載和電源容量分析流程/方法研究

電氣負載和電源容量分析的實質就是對飛機各工作狀態下各時間區段內，負載總用電要求和電源工作實際容量二者之間的比較分析，從而確定飛機電源的容量裕度是否滿足要求。電氣負載和電源容量分析一般流程如圖1所示。

3.1 電氣負載分析

電氣負載分析的目的是確定機上所有用電設備所需用電量。首先，對飛機工作狀態和負載工作時間區段進行劃分；其次，以具有獨立功能的電子設備為用電單元，統計其在飛機各個工作狀態下的工作時間和單位時間功耗，形成匯流條負載表；最后計算所有用電設備在飛機的各種工作狀態下各時間區間的總負載要求，形成負載分析表。具體工作內容如下。

3.1.1 飛機工作狀態劃分

參考GJB 860-1990《飛機電氣負載和電源容量分析》，結合輕型運動飛機運行特點，飛機工作狀態一般可劃分為以下9種工作狀態：G1，地面維護；G2，儀器校準；G3，裝載和準備；G4，啟動和預熱；G5，滑行；G6，起飛和爬升；G7，巡航；G8，著陸；G9，應急。

3.1.2 負載工作時間區段劃分

由于發電機的發電和過載能力通常采用連續工作時的額定容量以及5s和5min區間額定容量進行表征。為了方便與發電機輸出功率作比較，同時保證充分利用電源的短時過載能力來承受用電設備的短時負荷，從而合理地確定電源的容量，就必須按電源的3個容量區段：連續、5s和5min來統計設備用電情況。

3.1.3 匯流條負載表計算

統計各負載的階段工作時間和單位時間功耗。時間大于5min的負載進行連續分析，負載表中填作“C”；持續時間長于5s的負載進行5min分析，負載表中精確到0.01min；持續時間大于0.005min小于5s的負載進行5s分析，負載表中精確到0.01min；工作時間小于或等于0.005min者，屬于瞬時用電設備可忽略，負載表中填作“0”。

3.1.4 負載分析表計算

每項直流負載分別按各個工作狀態下規定的3種時間區間進行計算，填入直流負載分析表。工作時間大于5min的用電設備視為連續負載，其平均安培數等于每個設備的負載要求乘以同時工作的設備數。

工作時間小于負載分析表欄頭規定的時間區間的用電設備視為非連續負載，其平均負載按公式（1）計算。

式中：

P —非連續工作負載用電量，W；

Pi—單臺設備的用電量，A；

n —同時工作的設備數；

t —工作時間，s；

T —時間區間，s。

3.2 電源容量分析

電源容量分析分為主電源容量分析和應急電源容量分析。前者是對主電源額定容量的修正，確定主電源在飛機的各種工作狀態下的實際發電能力。在電氣負載分析和主電源容量分析的基礎上，將兩者放在飛機的同一個工作狀態下的同一個時間區段內進行比較，從而確定主電源容量對其用電負載的滿足程度及裕量。應急電源容量分析是對飛行前準備、發動機啟動和應急負載供電這3種情況下的用電要求和蓄電池容量進行比對。

3.2.1 主電源容量分析

主電源容量分析包括電源修正容量和容量裕度分析兩部分。

3.2.1.1 電源修正容量

電源的額定容量是指在規定環境條件下，電源在正常工作狀態的發電能力。由于電源實際工作的環境條件與設計規定的環境條件有很大的不同，其實際發電能力受到各種因素的影響，需對電源的額定容量進行修正：通常使用額定容量修正系數（機械修正系數、電磁修正系數、冷卻修正系數以及并聯修正系數）對各外在因素的影響程度進行量化。

電源的修正容量被認為是電源工作中的實際供電能力

3.2.1.2 主電源容量裕度分析

航空電源通常都應具有短時過載能力。短時過載能力通常按5s和5min兩個時間區間來考核。發電機的5min過載能力及其熱容量可向工作時間在5min以內的大功率負載提供短時電能（如停車制動器、襟翼收放電動機構等）；5s過載能力可滿足大電動機的啟動電流要求和排除配電網中出現的導線短路故障。

因此，在進行電源容量分析時，將發電機短時過載能力稱為區間額定容量，通常以連續工作的額定容量的倍數表示。5s過載能力為連續工作的額定容量的2倍，5min過載能力為連續工作的額定容量的1.5倍。

分別計算各工作狀態下各時間區間的電源容量裕度。如果電源容量裕度均大于20%，則認為主電源在不同的工作狀態均有足夠的容量裕度，滿足負載供電要求。

3.2.2 應急電源容量分析

應急電源一般為蓄電池/組，應急電源容量計算的過程中應考慮以下3種使用模式。

模式a——飛行前準備

飛行前檢查只對某些重要設備通電，確認其是否正常，以判斷是否具備飛行的基本條件；同時，為啟動發動機做準備。檢查所需的用電量通常由地面電源提供，在無地面電源供給時才允許使用蓄電池/組進行飛行前檢查。

在此情況下，飛機正常啟動發電機投入電網后，將自動對蓄電池/組進行充電。飛機啟動和預熱階段足以為蓄電池/組充滿飛行前檢查所消耗的容量。因此，飛行前檢查所消耗的蓄電池/組容量可不計入實際應急容量。

模式b——發動機的啟動

應急電源還被用于機上發動機的地面啟動和空中停車再啟動。啟動所消耗的容量等于飛行任務中發動機最多啟動次數乘以啟動機的啟動電流。

模式c——應急狀態供電

在應急狀態下，蓄電池/組需要向機上重要設備供電。分析應急狀態蓄電池/組的典型負載情況，以確定蓄電池/組的應急供電時間和用電情況。

蓄電池/組容量必須大于應急狀況下模式b和模式c中負載消耗的總容量。

4 工程案例分析

以某典型LSA為例，充分考慮在飛機各種工作狀態下其用電設備在3種時間區間（5s、5min、連續）的用電情況，按照本文給出的計算流程和方法，完成電氣負載和電源容量分析計算，其中直流電源使用分析表見表1。從表1中計算結果可以得出連續區間負載分析中的電源容量裕度均小于其他區間的負載，其中G4階段的電源容量裕度達到24.83%，高于適航標準中20%的最低要求，該LSA電氣負載能夠滿足適航標準要求。

表1 直流電源使用分析表

分析正常工作狀態下電氣負載極值發生在G4連續時間區間內的原因：飛機的G4工作狀態為啟動和預熱階段，在這一階段需使用電啟動器啟動發動機，而該LSA電啟動器的功耗為180A/min。發動機投入電網后，還將自動對蓄電池進行充電，其功耗為2.5 A/min，這也導致飛機在G4階段主電源的容量裕度偏小，大功率用電設備的使用使得G4階段連續時間區間內產生負載極值。

通過工程實踐可以得出，如果LSA電氣系統架構無特別設定，且在各階段中無其他大功率用電設備連入（如，有些機型裝有座椅加熱系統，在G5或G6階段開啟），則可重點分析G4階段的連續區間負載分析中的主電源容量裕度。如果該狀態計算分析結果能夠滿足適航性要求，則其他階段的容量裕度通常也能夠滿足。

5 結論

本文在對固定翼輕型運動飛機電氣負載適航性要求分析的基礎上，研究形成電氣負載和電源容量分析一般流程，并以某典型LSA為例，研究在適航符合性驗證過程中該型飛機電氣負載極值出現的階段、時間區間及產生的原因，為同類LSA適航取證過程中的電氣負載和電源容量分析工作予以參考。