飛機(jī)加裝輔助動(dòng)力供電系統(tǒng)技術(shù)研究

趙淵昉 孫丹丹 王雯陽

摘要：飛機(jī)加改裝過程中由于大量增加用電設(shè)備，原飛機(jī)電源的額定容量無法滿足新增設(shè)備的用電需求，需要通過加裝輔助動(dòng)力裝置提供額外的供電份額，而加裝輔助動(dòng)力供電系統(tǒng)需要從飛機(jī)剩余電源容量估算、任務(wù)系統(tǒng)電源容量分析、輔助動(dòng)力裝置分系統(tǒng)加裝以及電氣系統(tǒng)試驗(yàn)4個(gè)方面進(jìn)行充分論證分析，并最終通過實(shí)際運(yùn)行驗(yàn)證，保證飛機(jī)在飛行階段的供電能力和供電品質(zhì)。

關(guān)鍵詞：飛機(jī)；加改裝；輔助動(dòng)力；電源容量

Keywords：aircraft；modification；auxiliary power；power capacity

0 引言

在飛行試驗(yàn)驗(yàn)證階段，為了滿足試飛任務(wù)需求，飛機(jī)需要完成大量加裝、改裝工作。在此過程中，機(jī)載任務(wù)系統(tǒng)大功率用電設(shè)備的投入使用會(huì)導(dǎo)致原機(jī)電源容量嚴(yán)重不足。為解決此項(xiàng)難題，同時(shí)考慮試驗(yàn)機(jī)加改裝的獨(dú)立性和特殊性，通常采用加裝輔助動(dòng)力裝置提供額外的能源，而輔助供電系統(tǒng)作為輔助動(dòng)力提供的主要能源之一，必須進(jìn)行充分的研究分析驗(yàn)證，方可投入使用。

1 輔助動(dòng)力裝置簡介

輔助動(dòng)力裝置（APU）主要由顯控器、電子控制盒、供電系統(tǒng)、火警和滅火系統(tǒng)、輔助燃油系統(tǒng)和輔助液壓系統(tǒng)等組成，其中供電系統(tǒng)是其重要的組成部分。

顯控器安裝在駕駛艙，用于飛行員或機(jī)械師及時(shí)了解輔助動(dòng)力艙工作情況并做出反應(yīng)，可以控制輔助動(dòng)力裝置的起動(dòng)、停車、緊急停車以及發(fā)電機(jī)的起動(dòng)、停車。此外，還可以監(jiān)視整個(gè)輔助動(dòng)力系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)，查詢系統(tǒng)狀態(tài)信息和故障信息。電子控制盒能夠按控制規(guī)律啟動(dòng)、控制、調(diào)節(jié)輔助動(dòng)力裝置，同時(shí)具備系統(tǒng)自檢、故障判斷、故障報(bào)警和故障保護(hù)等功能；發(fā)電機(jī)控制器主要完成發(fā)電機(jī)電壓調(diào)節(jié)、發(fā)電機(jī)過壓、欠壓、啟動(dòng)、斷開、過頻、欠頻、過流、三相平衡的控制和保護(hù)；火警和滅火系統(tǒng)用于對輔助動(dòng)力艙火警信息進(jìn)行監(jiān)測和滅火；輔助燃油系統(tǒng)用于完成輔助動(dòng)力系統(tǒng)的燃油供給和控制。

2 輔助動(dòng)力供電系統(tǒng)加裝設(shè)計(jì)

飛機(jī)加改裝時(shí)，一般優(yōu)先考慮使用原機(jī)剩余電量，當(dāng)原機(jī)剩余電量不能滿足任務(wù)系統(tǒng)用電或是加裝的任務(wù)系統(tǒng)會(huì)對原機(jī)電網(wǎng)產(chǎn)生嚴(yán)重干擾時(shí)，必須加裝輔助動(dòng)力供電系統(tǒng)完成供電，避免對機(jī)上原有系統(tǒng)造成干擾和影響。

輔助動(dòng)力裝置的加改裝包含很多方面的內(nèi)容，包括輔助動(dòng)力艙的機(jī)械結(jié)構(gòu)、電氣系統(tǒng)和其他關(guān)聯(lián)系統(tǒng)的加改裝設(shè)計(jì)。電氣系統(tǒng)作為其中的一個(gè)重要組成部分，主要加改裝內(nèi)容包括中央顯控系統(tǒng)、視頻監(jiān)控系統(tǒng)以及供電系統(tǒng)等的總體布局、安裝、試驗(yàn)。

2.1 試驗(yàn)機(jī)剩余電源容量估算

通過查詢飛機(jī)電源容量裕度或者通過地面試驗(yàn)?zāi)M空中狀態(tài)檢測飛機(jī)負(fù)載功率，可以獲取飛機(jī)剩余電量情況。在不同飛行階段，飛機(jī)的工作狀態(tài)負(fù)載也不同。一般認(rèn)為，飛機(jī)在爬升和下降階段消耗電量最大，巡航時(shí)若螺旋槳（尾翼）加溫系統(tǒng)工作則消耗電量較大。進(jìn)行剩余電量估算時(shí)，以飛機(jī)最小剩余電量為參考值。

2.2 任務(wù)系統(tǒng)負(fù)載分析

在對任務(wù)系統(tǒng)負(fù)載進(jìn)行分析時(shí)，一般情況下，需要先統(tǒng)計(jì)任務(wù)系統(tǒng)各設(shè)備的電源特性和工作時(shí)間。為了方便分析，可采用表1所示的方式進(jìn)行計(jì)算分析。在計(jì)算分析過程中，要對非三相用電設(shè)備進(jìn)行功率配平，確保任務(wù)系統(tǒng)負(fù)載不平衡度滿足國軍標(biāo)的相關(guān)要求。

2.3 輔助動(dòng)力加改裝電氣技術(shù)

任務(wù)系統(tǒng)負(fù)載完成分析后，負(fù)載功率是輔助動(dòng)力裝置選型的一個(gè)重要依據(jù)。一般情況下，各狀態(tài)下應(yīng)保證電源容量裕度≥25% ，以方便為將來增加的負(fù)載設(shè)備供電。輔助動(dòng)力裝置選型完成后，根據(jù)其技術(shù)條件進(jìn)行輔助動(dòng)力裝置的電氣加裝工作。輔助動(dòng)力裝置的電氣加裝工作包括輔助動(dòng)力裝置啟動(dòng)及控制電源設(shè)計(jì)、地面電源加裝設(shè)計(jì)、子系統(tǒng)互連設(shè)計(jì)及匯流條配置設(shè)計(jì)。

1）輔助動(dòng)力裝置啟動(dòng)及控制電源設(shè)計(jì)

輔助動(dòng)力裝置起動(dòng)系統(tǒng)的主要部件是起動(dòng)電動(dòng)機(jī)，一般選用28VDC的供電模式。起動(dòng)采用雙供電模式，一種是直接從飛機(jī)起動(dòng)匯流條引取電量給啟動(dòng)電機(jī)，另一種是加裝蓄電瓶來起動(dòng)輔助動(dòng)力裝置。

輔助動(dòng)力裝置控制板及其他系統(tǒng)用電均引自飛機(jī)28VDC電，這樣可以保證輔助動(dòng)力裝置工作過程中不受任務(wù)系統(tǒng)電源開關(guān)的控制。輔助動(dòng)力系統(tǒng)的控制面板安裝在駕駛艙，由飛行員負(fù)責(zé)輔助動(dòng)力系統(tǒng)的起動(dòng)與監(jiān)控。為確保輔助動(dòng)力監(jiān)控器能正常工作，需加裝1臺(tái)蓄電瓶用于連續(xù)供電。

某些輔助動(dòng)力裝置需要對滑油進(jìn)行電加溫，滑油電加溫一般從原機(jī)應(yīng)急交流匯流條中引取。這樣可以確保在發(fā)動(dòng)機(jī)不工作的情況下由原機(jī)提供115VAC電。

2）地面電源加裝設(shè)計(jì)

由于輔助動(dòng)力系統(tǒng)只在飛行時(shí)工作，所以需要進(jìn)行交流地面電源設(shè)計(jì)。地面電源的加裝可以使得任務(wù)系統(tǒng)設(shè)備在地面試驗(yàn)時(shí)，由地面電源車向其提供三相交流電源。地面電源系統(tǒng)與輔助動(dòng)力供電系統(tǒng)為互鎖關(guān)系，且優(yōu)先級低于輔助動(dòng)力系統(tǒng)。當(dāng)輔助動(dòng)力系統(tǒng)準(zhǔn)備工作完成具備加載狀態(tài)時(shí)，地面電源自動(dòng)切斷，轉(zhuǎn)由輔助動(dòng)力發(fā)電機(jī)向任務(wù)系統(tǒng)設(shè)備供電，如圖1所示。為方便試飛工程師操作，地面電源控制開關(guān)一般安裝在駕駛艙。

3）子系統(tǒng)互連設(shè)計(jì)

由于輔助動(dòng)力系統(tǒng)關(guān)聯(lián)配套工作邏輯關(guān)系復(fù)雜，安裝位置分散，并且部分系統(tǒng)需要外界為其提供用電以及高低電平指令，所以，必須正確梳理輔助動(dòng)力子系統(tǒng)間的互連關(guān)系。典型輔助動(dòng)力子系統(tǒng)間互聯(lián)關(guān)系如圖2所示。

其中，配電控制盒的設(shè)計(jì)解決了大電流供電線纜難以在輔助動(dòng)力系統(tǒng)配電中心狹小空間布置的問題，是一個(gè)輸入輸出電力的匯總控制中心。飛機(jī)上的28VDC和115VAC通過它向其他系統(tǒng)供電，輔助動(dòng)力發(fā)電機(jī)也通過它向任務(wù)系統(tǒng)設(shè)備供電。

4）匯流條匹配設(shè)計(jì)

輔助動(dòng)力發(fā)電機(jī)輸出電量與機(jī)上電量需采用完全隔離的方式進(jìn)行匯流條配置，典型配置如圖3所示。實(shí)際操作中還應(yīng)加裝過流、不平衡度超限、相序匹配等保護(hù)裝置。各任務(wù)系統(tǒng)設(shè)備根據(jù)其電源特性在相應(yīng)匯流條上引取電量。

2.4 電源容量分析

不同試飛科目中所需要開啟的負(fù)載設(shè)備不盡相同，因此要對典型試飛狀態(tài)進(jìn)行區(qū)別分析，對典型飛行狀態(tài)電源容量進(jìn)行分析。電源容量分析包括各相匯流條在既定試飛狀態(tài)下的5s平均負(fù)載、5min平均負(fù)載和連續(xù)平均負(fù)載的有功功率、無功功率以及視在功率計(jì)算，根據(jù)計(jì)算結(jié)果分析總負(fù)載在不同狀態(tài)下的功率因數(shù)和相不平衡度。對于變壓器，需要將其副邊所連接的負(fù)載設(shè)備連同變壓器的損耗一起，列入原邊所在的相內(nèi)。通過對飛行狀態(tài)下電源容量進(jìn)行分析，可以計(jì)算出各狀態(tài)下的電氣容量裕度，并對電氣容量裕度最低的試飛狀態(tài)給出說明。

2.5 電氣系統(tǒng)檢查試驗(yàn)

完成試驗(yàn)機(jī)加改裝工作以后，必須對相關(guān)系統(tǒng)進(jìn)行功能和性能測試，方可正式投入使用。

1）輔助動(dòng)力系統(tǒng)檢查

輔助動(dòng)力系統(tǒng)在交付前需要在地面試車臺(tái)上調(diào)試，系統(tǒng)功能正常后完成系統(tǒng)裝機(jī)，裝機(jī)后一般進(jìn)行導(dǎo)通、絕緣、短路檢查，同時(shí)對顯示控制、滅火、油泵、發(fā)電機(jī)、風(fēng)門電機(jī)等主要部件進(jìn)行功能性測試。

2）機(jī)上配套系統(tǒng)檢查

輔助動(dòng)力系統(tǒng)檢查完成后，還需要對機(jī)上其他配套系統(tǒng)進(jìn)行檢查，主要包括大型盤箱通電檢查、二次電源供電品質(zhì)檢查、故障模擬檢查、三相負(fù)載不平衡度檢查和全機(jī)通電聯(lián)試。

3 結(jié)束語

輔助動(dòng)力供電系統(tǒng)加改裝是飛機(jī)改裝的一個(gè)重要部分，加改裝技術(shù)已經(jīng)在多架試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行了應(yīng)用。在加改裝過程中，嚴(yán)格按照試驗(yàn)機(jī)剩余電源容量估算、任務(wù)系統(tǒng)負(fù)載分析、電氣系統(tǒng)加裝、電源容量分析、系統(tǒng)試驗(yàn)等步驟進(jìn)行，可以有效保證系統(tǒng)投入運(yùn)行后，應(yīng)用更加方便，故障率更低，保障試驗(yàn)機(jī)飛行任務(wù)的順利完成。

參考文獻(xiàn)

[1]孫傳友. 測控系統(tǒng)原理與設(shè)計(jì)[M]. 北京：北京航空航空大學(xué)出版社，2001.

作者簡介

趙淵昉，技師，主要從事飛機(jī)改裝工作。

孫丹丹，高級工程師，主要從事飛機(jī)改裝設(shè)計(jì)工作。

王雯陽，高級工，主要從事飛機(jī)改裝工作。