Cessna172R（G1000型）飛機電源系統原理及維護

張金慶

摘 ?要：Cessna172R型飛機是美國塞斯納飛機公司研制的單發四座活塞式飛機，北約稱其為“天鷹（SKY HAWKER）”，是世界范圍內最受歡迎的一種私人飛機，也是目前中國各飛行學院作為初教機投入飛行教學最為普遍的飛機。自21世紀初中國各飛行學院引進Cessna172R飛機以來，近20載的飛行訓練中，Cessna172R飛機以其出色的安全性、可靠性以及維護性在整個中國通用航空領域中大受好評。飛機電源系統是飛機上電能產生、調節、控制和電能轉換部分的總稱，并通過各匯流條將電能輸送給各用電設備，實現電能到其他能的轉換。本文針對Cessna172R型飛機電源系統各部分原理進行詳細的分析，以及對各類電源系統故障問題進行剖析，總結電源系統的維護方法。

關鍵詞：電源系統;原理;維護

引言

假如將飛機看作是一個鮮活的生命體，那么它的機身結構就如同是堅實的軀干，它的燃油系統就如同流動的血液，它的發動機就如同是跳動的心臟，它的電源系統就如同是遍布全身的神經網絡。隨著民用航空的飛速發展，先進的電子電氣技術在民航業中的運用也越來越頻繁、普遍，飛機的電源系統也顯得越來越重要。

1.系統組成

交流發電機;電瓶;電源控制組件（ACU）;繼電器;匯流條

2.系統原理

（1）電源

G1000型Cessna172R飛機電網采用直流供電方式，主要靠3個電源提供電能：主電源、備用電源、外部電源。其中主電源由發電機產生28V、額定電流60A的直流電源;備用電源系統包括兩個機載24V電瓶：主電瓶和備用電瓶;外部電源系統通過連接28V直流地面電源將電能輸送到電網中。

①主電源

G1000型Cessna172R的主電源系統是發動機工作時通過皮帶帶動發電機旋轉切割磁感線而產生額定電壓28V、額定電流60A的直流電，并通過電源控制組件監控當前輸出電壓值的大小調整輸入到發電機電樞中勵磁電流的大小使發電機在不同的轉速下（大于1300RPM）都能產生穩定的28V直流電源輸入到飛機電網。發電機是一款件號為H-9910591-11的交-直流發電機。所謂交-直流發電機，顧名思義包括兩部分：交流發電機部分和整流部分。其中交流發電機部分是他勵式同步交流發電機，由定子、轉子和氣隙等部分組成，與直流發電機相反，電樞是定子鐵心上嵌放的N相對稱繞組，轉子上是直流勵磁形成的恒定主磁場，當發動機工作時，皮帶帶動發電機轉子轉動產生旋轉的磁場，電樞導體固定不動，與旋轉的磁場發生相對運動而產生N相對稱交流電。N相交流電源再通過整流整流部份中N對整流二極管的整流產生約28V的直流電輸送到飛機電網。

②備用電源

G1000型Cessna172R飛機的備用電源包括兩個電瓶：主電瓶和備用電瓶，其中主電瓶是由12個單元體電池（每個單元體電池的電壓約2.1V）串聯而成的一個額定電壓約24V、容量12.75AH（5h放電速率）的鉛酸電瓶，用于給Cessna172R飛機所有用電設備提供直流電源，并在發電機故障時可用于備用電源給用電設備供電。備用電瓶是一個額定電壓約24V的免維護鉛酸電池（VRLA蓄電池），當飛機主電源系統及主機載電瓶均失效時，備用電瓶向重要設備匯流條供電，保證PFD、大氣數據計算機、姿態航向基準系統、1號通信/導航組件、應答機、音頻板等應急用電設備正常使用30min以上。

③外部電源

當飛機停留在地面時，需要對機進行維護、啟動發動機等作業時，可以使用外部電源以降低成本，減少機載電瓶的使用，避免過度使用機載電瓶而造成電容量不足而更換機載電瓶。G1000型Cessna172R飛機的地面電源是由28V的直流電源車或固定電源連接位于防火墻左上側的三針插頭將外部電源輸送到飛機電網。其三針插頭為兩個正插針和一個負插針，其中一個正插針比其余插針短、小，與飛機上的地面電源繼電器相連形成回路，使地面電源繼電器吸合，另一個正插針的電流才能流過吸合的地面電源繼電器而進入到飛機電網。

（2）供電原理

G1000型Cessna172R飛機發動機是通過主電瓶或外部電源作為起動電源起動。當起動發動機時，主電瓶或外部電源給發電機控制組件（ACU）提供電源，ACU勵磁輸出端給發電機轉子輸入勵磁電流產生固定磁場，發動機帶動交流發電機旋轉，產生旋轉磁場，電樞切割磁感線產生交流電，交流電通過發電機內部的整流電路輸出直流電輸入到ACU中的比較電路比較后開關晶體管輸出適當大小的勵磁電流到發電機勵磁端，此時，由于發動機剛啟動，轉速小且還未穩定，發電機產生的電源電壓低于主電瓶或外部電源電壓，由于電流方向總是從電勢高的點流到電勢低的點，故電流方向是從主電瓶或外部電源流入發電機，在PFD中M電流指示為負。當發動機轉速增大趨于穩定時，ACU比較接收電壓大小后輸出適當大小的勵磁電流到發電機勵磁端，使發電機產生額定電壓為28V的穩定的直流電，此時發電機產生的電源電壓大于主電瓶或外部電源電壓，電流從發電機流入主電瓶，系統給主電瓶充電，PFD中M電流指示為正。

G1000型Cessna172R飛機電氣系統共有6根匯流條，分別是1號電氣設備匯流條、2號電氣設備匯流條、交輸匯流條、重要設備匯流條、1號電子匯流條和2號電子匯流條。飛機發電機、主電瓶和外部電源可通過相應斷路器和開關的閉合將產生的電能輸送到6根匯流條中給所有用電設備供電，備用電瓶直接與重要設備匯流條相連直接給重要設備匯流條供電用于在飛機電源系統故障的情況下，主電源和主電瓶失效時保證重要的飛行姿態參數、發動機參數不丟失。發電機和主電瓶產生的電流先經過位于飛機防火墻左側的電源盒內的F1和F2斷路器流入1號和2號電氣設備匯流條，給兩個電氣設備匯流條上的用電設備供電;1號和2號電氣設備匯流條上的電又通過兩個電子設備總電門的閉合流入1號和2號電子設備匯流條給1號和2號電子設備匯流條上的用電設備供電;1號和2號電氣設備匯流條同時給交輸匯流條，用于向發電機的勵磁系統、告警系統供電，在1號、2號電氣設備匯流條和交輸匯流條之間分別有一個隔離二極管，可以避免一根電氣設備匯流條發生短路故障時使交輸匯流條中斷供電;重要設備匯流條也是由1號和2號電氣設備匯流條供電，和交輸匯流條一樣在1號、2號電氣設備匯流條和重要設備匯流條之間分別有一個隔離二極管，防止電氣設備匯流條的短路故障影響重要設備匯流條的工作，同時避免主電源系統和主電瓶失效的情況下重要設備匯流條上的電流反向流入電氣設備匯流條中而浪費備用電瓶電量。

3.故障分析

G1000型Cessna172R飛機電源系統常見故障主要包括：發電機控制組件（ACU）故障、繼電器故障、發電機故障、濾波電容故障、開關故障、隔離二極管故障、斷路器故障和電氣線路、接線片故障、主備用電瓶電壓低等。

（1）發電機控制組件（ACU）故障

因為發電機控制組件故障導致不能有效地調節發電機輸出電壓而造成電源系統出現過、欠壓。或發電機控制組件探測系統電壓、進行發電機反流、過激磁保護等原因而造成電源系統故障。

（2）繼電器故障

繼電器故障后，繼電器觸點處于開路或短路狀態導致電源不能輸送到系統或不受相應開關的控制。

（3）發電機故障

因為發電機內部勵磁線圈短路、短路等原因發電機不能正常供電而造成電源系統故障。

（4）濾波電容故障

發電機外部濾波電容短路會導致發電機輸出端短路而不能正常供電。

（5）開關故障

由于故障開關故障而導致開關觸點處于閉合或斷開狀態而導致電源不能接入飛機電網中或不受開關的控制而直接接入飛機電網中。

（6）隔離二極管故障

隔離二極管故障可能會導致電源系統隔離功能失效或供電斷路。

（7）斷路器故障

斷路器常見的故障是由于電流過大而燒壞斷路器導致系統電源斷路。

（8）電氣線路和接線片故障

電氣線路的故障包括線路的斷路和斷路而導致電源系統不能正常工作，電源系統的電氣線路故障主要會涉及到：發電機輸出端與發電機控制組件（ACU）之間的線路;發電機勵磁端與ACU之間的線路;電源接線盒內的輸電線路等;接線片故障包括接線片壓接不規范導致接線片不能耐壓而出現虛電壓導致電路不通;接線片腐蝕、磨損造成接線片接觸不良而導致電路斷路。

（9）主、備用電瓶電壓低

由于電瓶的使用壽命、電瓶的極板硬化、極板上或電解液中存在雜質形成微電池而自放電、電解液溫度過高或蓄電池受到猛烈撞擊和震動等原因引起活性物質脫落、電瓶過度放電等原因使電瓶容量降低而造成電壓低進而無法正常供電給用電設備。

4.案例分析及處理措施

（1）2017年3月28日，某G1000型Cessna172R飛機B-9XX2執行本場飛行訓練任務，飛機在巡航階段時，主電源突然供電失效，PFD上M電壓指示紅色的“24.1V”字樣，M電流指示黃色“-9A”字樣，低電壓警告觸發，各路開關、斷路器均在正常位，機組嘗試開、關勵磁斷路器和發電機主電門，但是均無法恢復主電源供電，飛行任務終止，飛機滑回機庫。

通過故障現象分析及線路檢查，發現ACU（發電機控制組件）故障，導致飛機主電源系統失效。更換ACU（發電機控制組件）后，地面試車檢查飛機主電源系統供電正常，故障得以排除。

（2）2017年3月25日，某G1000型Cessna172R飛機B-7XX2執行本場飛行訓練任務，飛機在巡航階段時，主電源突然供電失效，PFD上M電壓指示紅色的“23.8V”字樣，M電流指示黃色“-8A”字樣，低電壓警告觸發，各路開關、斷路器均在正常位.機組開、關發電機開關數次后，低電壓警告消失，PFD上M電壓指示白色“28.1V”字樣，飛機主電源供電正常，機組將飛機滑回機庫檢查。

通過故障現象分析，初步判斷造成主電源系統失效的原因在于發電機開關或由發電機開關所控制的發電機繼電器。多次開關發電機開關，均能聽到發電機繼電器吸合的聲音，大致排除發電機開關故障的可能性，通過萬用表測量發電機繼電器，鎖定故障原因是由于發電機繼電器內部燒蝕導致接觸不良而形成斷路進而主電源系統無法正常供電。更換發電機繼電器后，地面試車檢查飛機電源系統供電正常。

（3）2019年11月5日，某G1000型Cessna172R飛機B-7XX3飛機在完成定期維護工作中，地面試車檢查時發現主電源系統供電失效，PFD上M電壓指示為“24.2V”，M電流指示為“-9A”，低電壓警告觸發。開、關發電機開關和發電機勵磁斷路器均無法恢復供電。

使用萬用表測量發電機本體勵磁接線柱和地線接線柱之間時，發現兩端電阻指示值為無限大，斷定發電機本體勵磁線圈斷路導致發電機故障而無法發電。更換發電機后，地面試車檢查飛機電源系統工作正常。

（4）2017年12月1日，某G1000型Cessna172R飛機機組做完航前檢查后，欲啟動發動機進行本場訓練任務發現發動機無法起動。經檢查發現：PFD上M電壓指示紅色的“21.8V”字樣，低電壓警告觸發，斷定由于主電瓶電壓過低給起動機提供電能不能達到額定值而造成發動機無法正常起動。更換主電瓶后M電壓只是正常，發動機正常起動。

5.排故方法

當人們生病時，中醫往往通過“望聞問切”四種基本方法為病人診斷出病因對癥下藥，飛機故障就如同人類生病，同樣也可以通過“望”、“聞”、“問”、“切”四種基本手段綜合運用找出故障原因，確定排故方案。飛機電源系統的故障的排故方法主要通過“望”“聞”“問”“切”四種方法綜合使用。

（1）“望”

通過目視檢查的手段，觀察電源系統各部件有沒有損傷、磨損等原因造成部件損壞而不能正常工作;觀察電源系統各導線是否存在磨損、搭鐵、斷絲等情況而造成供電線路斷路或斷路;觀察電源系統各接線片、接線柱是否存在燒蝕、腐蝕、松動、損壞等情況而造成供電線路斷開;觀察電源系統斷路器是否斷開來判斷電源系統是否存在短路現象。

（2）“聞”

通過聽覺檢查繼電器是否閉合來判斷繼電器和開關是否有故障;通過嗅覺檢查飛機電源系統各部件沒有燒焦的臭味來判斷系統部件內部是否存在短路而損壞;通過嗅覺檢查飛機電源系統的線路是否有燒焦的臭味來判斷線路是否發生短路。

（3）“問”

查閱飛機近期的維修記錄是否存在相同或類似的故障，以否定之前的排故方案尋找新的故障原因。

（4）“切”

通過使用萬用表等工具測量電源系統各段線路的導通性或端電壓大小、各零部件內阻的大小或端電壓的大小等方法來判斷電源系統故障的原因。

6.預防性措施及維護建議

（1）定期更換使用頻繁的開關

G1000型Cessna172R飛機的主電門和發電機開關在飛行訓練中使用非常頻繁，任何部件都有使用壽命，正如浴盆曲線所描述的一樣，當一件物品使用超過一定次數后，其性能就會慢慢變差直至失效，因此定期更換主電門和發電機電門可以有效地減少因為開關故障而導致的電源系統失效。

（2）嚴格按照電瓶維護程序對電瓶進行維護

G1000型Cessna172R飛機主電瓶系統故障時，發電機不能正常供電時，系統通過備用電源系統進行供電，因此日常維護工作中應嚴格按照電瓶維護程序進行電瓶的維護，如100小時飛機定檢中添注適量的蒸餾水防止極板暴露在空氣中而造成極板硬化;按照電瓶維護程序的要求定時完成電瓶的容量測試和充放電工作等。同時進行地面維護工作時，當需要給飛機供電時，盡量使用外接電源為機載設備進行供電，避免長時間使用機載電瓶而造成容量失效。

（3）加強電源系統電氣線路、接線片的定期檢查

發電機輸出導線、勵磁導線及其電源接線盒內電氣線路短路或斷路、接線片的腐蝕、壓接不規范都可能導致電源系統失效。日常維護工作中，應加強該類電氣線路捆扎、接線片壓接的規范性，防止導線磨損或接線片斷。同時定檢工作中，應認真檢查該類電氣線路、各接線片外觀的狀況。

參考文獻

[1] ?Cessna172 Airplane Maintenance Manual[Z].2011.

[2] ?Cessna172 Airplane Wiring Diagrams Manual[Z].2011.

[3] ?朱新宇，彭衛東，何建.民航飛機電氣系統[M].成都：西南交通大學出版社，2010.

[4] ?閻成鴻.Cessna172R型飛機機型培訓教材[M].北京：航空工業出版社，2008