（电力电子与电力传动专业论文）多电飞机电气系统的研究.pdf

北i ：业人学硕七学位论文 a b s t r a c t a b s t r a c t i ti s s i g n i f i c a n tf o rt h es t u d yo f t h em o r ee l e c t r i ca i r c r a f t ( m e a ) ，j u s tb e c a u s e m o r ee l e c t r i ca i r c r a f ti st h ei m p o r t a n tf e a t u r eo ft h en e x ta d v a n c e df i g h ta i r p l a n e h o w e v e r a st h en e r v ea n db l o o dv e s s e lo ft h ea i r c r a f t ，e l e c t r i c a lp o w e rs y s t e mi s c r u c i a lt ot h es e c u r i t ya n d q u a l i t yo f t h ep l a n e t h u s ，s t u d y i n gf o re l e c t r i c a lp o w e r s y s t e mi sak e yp r o c e s si nt h ew h o l es t u d y a tf i r s t ，t h ed i s s e r t a t i o n g e n e r a l i z e st h em o r ee l e c t r i ca i r c r a f t ，s u c h a st h e c o n c e p t i o n 、k e yt e c h n o l o g i e sa n ds t u d y s t a t u si nt h ef o r e i g n a c c o r d i n gt o t h ec h a r a c t e r i s t i co fe l e c t r i c a l p o w e rs y s t e m ，t h ed i s s e r t a t i o n p a r t i c u l a r l ya n a l y s e st h er e q u i r e m e n t so f t h es y s t e m o nt h eb a s i so ft h ea n a l y s i s ， i te s t a b l i s h e st h ew h o l es c h e m eo fd i s t r i b u t i o n s y s t e m b e s i d e s ，t h e d e t a i l d i s t r i b u t i o nl a y o u ti sp r e s e n t e d ，w h i c hc o n c l u d e st h ed e s i g no ft h eb a s e l i n e 、e l m c a n dt h em o d eo fd i s t r i b u t i o ne t c a tl a s t ，i no r d e rt og u a r a n t e et h er e l i a b i l i t ya n d f a u l t t o l e r a n c e ，b e i n gb a s e du p o nt r o u b l e s h o o t i n g ，t h ed i s s e r t a t i o na n a l y s e st h e s y s t e mb y u s eo ft h ef a u l tt r e ea n a l y s i s t h es t u d yi st h eb e g i n n i n go ft h ep r e d i c t i v ei t e m ，i th a sd e e p l ye f f e c to nt h e w h o l ei t e m i ti st h eb a s eo ft h ed e t a i ld e s i g no fe l e c t r i c a l p o w e rs y s t e ma n d d e v e l o p m e n to fp r o t o t y p ea i r p l a n e k e yw o r d sm o r ee l e c t r i ca ir c r a f t d i s t r i b u t i o nl a y o u t f a u l tt r e e a n a l y s i s e l e c t r i cr e m o t et e r m i n a l l o a d a n a l y s i s e l e c t r o m e c h a n i c a la c t u a t o r f a u l tt o l e r a n c e 拍北i ：业人学硕十学何论文第一章绪论 1 1 多电飞机概述 第一章绪论 多电飞机的概念并不是全新的，早在六十年代就有了初期的概貌，八十 年代以来，美国对多电飞机的研制更为广泛。 我们知道，飞机的飞行动力来自发动机，发动机产生的动力使飞机能够 飞翔。除了飞行动力外，飞机上另外的系统，如各舵面的操纵、起落架的收 放、前轮的操纵、刹车、电子设备的工作、座舱压力和温度的调节、防冰装 置等也需要动力，称这些动力为二次动力。多电飞机就是其二次能源部分采 用电能的飞机，波音公司生产的远距离提供动力的“秃鹰”( c o n d o r ) 飞机是 世界上第一架全电飞机，它采用的是胜德斯特兰公司研制的e m a ( 机电作动 器) 。除此以外，二次世界大战期问使用的b 一1 7 飞机实际上也是多电飞机。 飞机主发动机除了提供推动力外，还是飞机上四种次级功率系统，即液 压、气压和机械系统的原动力。全电飞机。4 “就是一种用电力供电系统取代原 来的液压、气压和机械系统的飞机，即所有的次级功率均用电的形式分配。 用电力作动器取代液压作动器，用电力泵来取代齿轮箱驱动的滑油泵和燃油 泵，用电动压气机来取代气压动机的空调压气机。多电飞机是全电飞机发展 的一个过渡过程，多电飞机是用电力系统部分取代次级功率系统的飞机，它 具有大容量的供电系统和广泛采用电力作动技术。现行飞机和全电飞机的设 计方案图分别如下图l 一1 和1 2 所示。 图1 - 1 现行飞机的设计方案图 曲北i ：业人学硕一i “学位论文第一章绪论 幽1 - 2 全电e 机的设计方案豳 与一般的普通飞机相比，多电飞机有以下的优点： 结构简单，重量轻； 可靠性高、维修性好、生存能力强： 燃油省，使用费用较低，性能价格比高： 电传操纵和电力操纵容易协调； 地面支援设备少，机上接1 3 简单。 1 2 多电飞机电气系统简介m ， 飞机电气系统是由供电系统和用电设备组成。供电系统是现代飞机的 个重要组成部分，它的作用是向飞机上所有用电设备( 如飞行控制系统、各 种电子设备、武器控制、照明、防冰与环境控制系统等) 连续地提供规定满 足技术性能的电能，保证用电设备的正常工作。供电系统是电能的产生、控 制、变换和输配系统，它包括电源系统和配电系统两大部分。 电源系统按其用途可分为主电源、二次电源、应急电源，有时还有辅助 电源。主电源系统是飞机上全部电气负载的能源；二次电源是用来变换主电 源的电压、电流和频率的电源设备，如变压整流器、变流机等，将主电源电 能变换为另一种形式的电能；应急电源作为一个独立的电源系统，当主电源 系统失效时应急电源向机上重要用电设备供电；在中型和大型飞机上还有辅 助电源系统，它的主要功能是在航空发动机不运转时，由辅助动力装置驱动 发电，常用于地面检查，在空中时也可用于给机上的用电设备供电。此外， 现代许多运输机上都备有地面电源插座，以供地面通电检查和发动机的起动。 随着飞机性能的e l 益提高，机载用电设备及其用电量也相应地增加。因 2 阳北i 业人学硕十学位论文第一章绪论 而对电源的要求也越来越高，如目前的战斗机主电源容量为6 0 1 2 0 k v a ，大 型运输机和二f 线客机为1 2 0 2 7 0 k v a ，重型轰炸机为2 4 0 4 8 0 k v a ，指挥机 可高达1 2 0 0 k v a 。当飞机供电体制从2 8 v 低压直流电源系统发展成4 0 0 h z 、 电压为l l5 2 0 0 v 的三相四线制交流系统后，基本上能适应现代飞机的要求。 但是交流供电不易实现不中断供电、重量较大、效率较低、不适应机电作动 装置和全电飞机应用。减轻供电系统重量的方法为提高系统工作电压或改变 供电体制。2 7 0 v 高压直流电源系统具有可靠性高、简单、易实现不中断供电、 适应全电飞机发展要求等优点，将成为可供选择的先进飞机电源系统之一。 1 3 国内外多电飞机的研究状况及发展趋势 多电飞机在国外已经得到了长时间的研究。美国在1 9 9 0 年就丌始多电飞 机的研究。在多电飞机的系统概念，设计技术，建模与仿真，起动发电，固 态配电技术，电力作动器，功率电传，电力刹车，电力环控以及这些大功率 负载对发电配电系统之间的适应性，故障模式，航空电子设备之削的电磁干 扰等方面都做了非常深入的研究，进行了长时间的飞行考核。飞机供电系统 经过十多年的发展己具有足够大的容量，从而使缩小或取代飞机上的集中式 液压系统成为可能。因而美国空军作出承诺，通过用电力作动器来执行所需 功能的方式缩小和取消集中式的飞机液压系统。 多电飞机计划是一项按技术可用性分阶段实施的研究、发展和验证计划， 将引出三代不同的多电飞机。 第一代多电飞机以现有技术发展计划和已安排的验证项目为基础，计划 在1 9 9 8 年完成。第一代多电飞机具有足够大的发电容量，足以取代飞机上的 液压系统。第一代多电飞机在供电系统方面应实现的目标是系统可靠性提高9 倍，系统功率密度提高l 倍。第一代多电飞机供电系统的有些指标现在无法 达到，还需在其他计划中作进一步的发展。 第二代多电飞机是供电技术大发展的产物，计划在2 0 0 5 年完成。在第二 代多电飞机上，发电容量将明显大于一般的飞机用电量，从而有能力为新的 军用功能( 如定向能武器) 提供电力。预计，第二代多电飞机的供电系统将比第 一代多电飞机的轻4 3 。第二代多电飞机在供电系统方面应实现的目标是系 3 阳，i l1 业人学颈十学f 市论文第一章绪论 统可靠性提高1 4 1 9 倍，系统功率密度提高2 倍。 第三代多电飞机( 即全电飞机) 代表了供电技术的长远设想，计划在2 0 1 2 年实现。 美国已实施和安排了许多验证计划，以证实多电飞机方案有效。虽然没 有一个专门的计划来全面地验证多电飞机，但只要把上述验证计划综合起来 就可证实技术的可行性。j 下在进行的第一代多电飞机的验证试验有在c 一1 4 1 “电运输星”飞机上和在f 1 8 “系统研究飞机”上进行的功率电传作动器的 飞行试验。现有的试验结果已能证实功率电传作动器可作为操纵关键飞行舵 面的主要手段。 另外，在联合攻击战斗机综合公共设备系统技术验证计划中将对丌关磁 阻起动发电机和功率电传作动器进行地面和飞行试验。地面试验从1 9 9 8 年8 月丌始，飞行试验从1 9 9 9 年1 月开始。为第二代多电飞机进行技术验证的将 是“电隼”计划，将在改装的f 1 6 战斗机上进行内装式丌关磁阻起动发电机 和组合动力装置的地面和飞行试验。 1 4 本文的选题背景和研究内容 多电飞机是下一代先进战斗机的一个重要特征。国外在多电飞机上已进 行了长期的研究。与国外的研究水平相比，我国在多电飞机方面的研究水平 差距还很大，基本上还是一片空白。首先是多电飞机的系统研究尚未真j 下丌 始，“九五”期问仅仅是启动了高压直流发电配电系统的原理性研究。丌始了 机电作动器和电动静液作动器的功率电传作动器研究，丌始了高速电动机驱 动的空气循环机的研究。对电力作动器的多种执行电机的研究取得了一定的 成果。因此为了缩短与发达国家之间的差距，在“九五”研究的基础上，开 始了多电飞机的研究。 飞机电气系统是飞机的血管和神经，它的质量关系着全机的质量和飞行 安全。对于多电飞机来说，其电气系统的质量和可靠性变得尤为重要。多电 飞机电气系统的研究是“十五”空军武器装备预先研究项目的子课题，是对 多电飞机的电气系统进行研究。它将主要研究分析多电飞机的发展及研究状 况，多电飞机电气系统的需求问题，以及多电飞机配电系统的布局设计、可 4 萌北工业人学硕士学位论文第一章绪论 靠性以及电磁兼容性等问题，为以后几年的研究打下坚实的基础。 在本课题中主要研究解决以下几方面的问题： 多电飞机国内外的研究状况及其关键技术 多电飞机电气系统的需求分析，其中包括供电系统、配电系统和控 制与管理系统的需求分析 多电飞机配电布局设计，包括多电飞机电气系统的顶层设计分析 系统的容错设计及可靠性分析等内容 电磁兼容性分析 曲北i ：业人学硕十学位论文第二章多电e 机中芙键技术研究状况 第二章多电飞机关键技术研究状况 对多电飞机的研究从理论到实践是一个漫长的转变过程，它将以其关键 技术的成熟发展为前提。a i r b u s 公司在未来的a 3 8 0 超音机上将使用功率电传 飞行控制和变频电源，a 3 8 0 将是向多电飞机发展的关键。未来多电飞机将在 可靠性、维修性、保障性、战斗受损后的生存能力、全周期费用和飞机性能 等方面取得明显的改善。多电飞机的研究主要包括发电、配电及组件和电力 作动方面“。 发电：发展高可靠性的发电机( 包括2 7 0 v 高压直流电源和4 0 0 h z 恒 频交流的双输出系统) 和多种起动发电机计划如( 开关磁阻式) 。 配电及组件：研究多电飞机的容错供电系统，电力自动管理技术和远 胃终端，以及发展先进的配电设备，例如大功率( 大于7 5 0 a ) 智能功率控制 器和能实现控制、保护和状态反馈的接触器等。 电力作动：经过1 0 年多的发展研究，电力作动系统已取得很大的发 展，用于飞行控制的环境控制、刹车、燃油和发动机系统的电力作动系统已得 到飞行实验验证。 下面就从电源、配电、电力作动、b i t 以及故障模式影响分析( f m e a ) 几 个方面详细介绍多电飞机的关键技术特点及其研究状况。 2 1 发电技术的研究 2 1 1 多电飞机电源系统的特点及研究状况 发电系统又称电源系统。第四代战斗机引进的多电飞机的概念决不仅仅 是将4 0 0 h z 交流1 1 5 伏的供电体制改成直流2 7 0 伏的供电体制，供电容量上 有较大增加那么简单。它还表现在两个重要特征上，即大量的电力作动器负 载取代了原来的液压作动器，机电系统的高度综合化。 由于大功率的电力作动器负载的动作，对机载供电系统造成较大的冲击， 再加上控制电力作动器的电力电子驱动器脉冲非线性负载。因此，机载供电 6 棚北l ：业人学硕e 学何论文第_ 二章多电b 机中关键技术研究状况 系统的供电品质、系统的稳定性以及电磁兼容性成为非常关键的问题。 高压直流系统是多电飞机的供配f 乜体制。个重要的原因在于适应大用 电量情况下减轻配电系统的重量，另一个原因在于直流供电系统更有利于不 中断供电的实王见，以保证机载计算机的安全运行。由于对飞机高可靠性的要 求，容错供电系统已被第四代战斗机广泛采用。 飞机上的能源有主要能源和辅助能源( 也称为二次能源) ，主要能源是推 进飞机的航空发动机，二次能源是为飞机设备和操纵系统提供能量。一般来 说，现代飞机上的二次能源有电能、液压能和气压能三种。多种能源的同时 使用使得飞机和发动机性能降低、系统复杂、重量较大和价格高。为了克服 这些缺点，在多电飞机中要求电源系统要具有以下的特点： 电源的容量要大。如美国目前已经开始研究单机容量为5 0 0 k w 的发 电机。 电源系统要能提供可靠性高、容错性能强的电源，并且要易于实现多 余度的不中断供电。 电源系统应能提供多种形式的电能，电能的多样性可以简化用电设备 的结构，减少系统的体积和容量。 电源系统应能具有计算机检测、监控、管理和保护功能，并能接受飞 机负载管理中心的管理。 经研究表明，由于恒频交流电源的效率较低不能满足多电飞机大容量的 要求，并且交流电不易实现不问断供电。因而主电源用交流电源不适合在多 电飞机上使用。由于2 7 0 伏的高压直流电源系统具有可靠性高、效率高、结 构简单、易于实现不中断的电源供电等优点，因此2 7 0 伏高压直流电源具有 较大的发展的途。现在，为了满足多电飞机的要求，f 在研究2 7 0 伏直流1 1 5 伏交流电源系统方案。 经分析比较可知开关磁阻电机( s r m ) 的结构简单，可靠性高，工作转 速和环境温度都能很高，又由于转子中无励磁源，当电机绕组故障时，不会 使故障的面扩大，易于实现起动发电双功能。适合于在多电飞机上使用。图 2 1 是丌关磁阻式起动发电系统结构图。 曲北i 业人学硕十学俺论文第二章多电e 机中关键技术研究状况 电动运行 i 一 发电运行 图2 - i开关磁阻式起动发电系统的结构图 在美国空军的高可靠性发电机计划中，己从常规的恒频系统演变到2 7 0 v 高压直流和4 0 0 h z 恒频交流的双输出系统，可提供4 5 k v a 高压真流电和 2 0 k v a 的恒频交流电。其中开关磁阻式起动发电计划要研制一台2 7 0 v 、 3 7 5 k w 的内装磁阻式起动发电机。 2 i 2 多电飞机电源系统的基本结构” 新一代多电飞机中的电源是2 7 0 v 的直流电源，这种电源系统的显著特征 是能量的回馈使用，在飞机配电系统中使用了电力飞行控制作动器，并且在 结构上通过智能作动器又把能量回输到直流汇流条，实现了能量的回馈使用。 为适应这种电源采用了机电作动器或电液压静力作动器作动飞行控制舵面。 此电源系统中主要的电器元件是双向的电能变换器，这种变换器控制着电源 与负载之问的能量传递。 电源系统主要包括以下几部分： 2 7 0 v 的直流电源汇流条 两个5 0 0 k w 的引擎发电机 辅助动力装置驱动的通道起动发电机( 2 0 0 k w ) 智能负载管理器 负载：电力作动器，负极阻抗航空负载，环境控制系统 从理论上来说，配电系统和辅助电源单元都集在2 7 0 v 5 0 0 k w 的直流汇 8 西北_ 业大学硕士学位论文第二章多电飞机中关键技术研究状况 流条上，由发电机提供三相2 7 0 v 4 0 0 h z 直流电，并且通过双边的电能变换器 进行能量的控制和调节。双边电能变换器的出现对配电系统来说具有重大的 意义，因为它即能够使能量从发电机传送到负载，又能当作动器工作在回能 状态时把能量从负载输送到发电机，从而实现了能源的回馈使用。 图2 2 是多电飞机电源系统的结构框图，图中l s g 是左起动发电机，r s g 是右起动发电机，a p u 是辅助动力装置，g c u 是发电机控制单元，e p c u 是 电力电能控制单元，b d c 是双边的变换器，p u a 是电能单元作动器，e c s 是 环境控制系统。 图2 - 2电源系统的基本结构图 2 2 配电系统及组件 配电系统是由导线、配电装置及其保护装置组成，用于把电源产生的电 能传送到用电设备，是连接电源和负载的关键。此外配电系统的设计对于减 轻整个系统的重量也很重要。美国在多电飞机功率管理和分配( m a d m e l ) 计划中，将发展和研制下面的器件： 用于控制、保护和状态反馈的大电流智能功率控制器和接触器 智能化的过电流、差动电流和接地等故障保护系统 电弧探测电路，用于有电弧时的触发保护装置 9 曲北i ：业人学硕七学位论文第一二章多电e 机中关键技术研究状况 高可靠、高器件强度的电连接器和互联组件 分布式配电和负载自动管理技术是多电飞机电气系统的基本方式。这种 技术将使飞机在可靠性，生存能力，可维护性和灵活性等方面均有很大改 善。美国先进战斗机f 一2 2 的供电系统采用了2 7 0 v 高压直流供电体制和用微 机a d a 语言控制的配电中心。这些配电中心将保护飞机布线不受故障影响， 为电力管理和余度进行负载转换。为了集中监视和控制，由1 5 5 3 b 总线把配 电中心连接到飞机主计算机上。 此外，由于电源系统的大部分负载有恒功率特性，具有恒功率特性的负 载具有不稳定性。因此这些负载的稳定性将影响整个电源的质量以及整个系 统的稳定性，同时也影响配电系统中p w m 的d c d c 转换器的稳定性和动态特 性。再加上一些负载的瞬态和电能再生特点，这就要发展保证供电稳定性及 系统抗电磁干扰技术。另外，还要解决2 7 0 v 直流电源的发电和配电自身的问 题，如局部放电、电弧沿导线燃烧和熄灭、开关、电流检测、接地和安全性 等问题。 随着电力电予技术和功率半导体器件、电容器及用于控制的集成电路的 发展，高可靠性的电力电子系统和电动机驱动系统在多电飞机上的应用将成 为现实。如在多电飞机的研究设计中，正在尝试使用功率电传、机电作动等 驱动装置，耐高温、低阻抗的会刚石也是用于多电飞机中开关的理想材料。 2 3 电力作动技术的研究 国外在多电飞机电力作动系统方面已经有了很深入的研究，在现行和未 来的飞机中将主要使用功率电传系统。功率电传作动系统包括三个主要的部 分：集成的作动装置( i a p ) 、备用静液作动器( e b h a ) 及机电作动器( e m a ) 。 集成的作动装置( i a p ) 传统的集成的作动装置是由恒速率的伺服控制液压活塞泵、电动机、液 压作动器及伺服泵控制器四部分组成。但是传统的集成的作动装置( i a p ) 有 很多缺点，如体积和重量较大，控制比较难等。在未来多电飞机的设计中， 要求用电力驱动泵来代替原来的液压泵以进行伺服控制。随着微电子器件的 发展将使用e c u ( 电子控制单元) 微型电路以减小系统的体积和重量。此外 1 0 西北工业大学硕士学位论文第二章多电飞机中关键技术研究状况 还要把光传飞行的经验应用于功率电传的集成的作动装置( i a p ) 中。 备用静液作动器( e b h a ) 对备用静液作动器( e b h a ) 的研究在1 9 9 0 年就已经开始了，在此作动 系统的设计过程中充分考虑到了主飞行控制舵面中功率电传作动器的集成问 题。此系统是一个双通道系统，其中一个通道作为主通道是由液压系统作动， 另一个通道作为辅助通道只有当液压系统失效时才由电力作动。e b h a 已在 现行飞机上使用。 为满足多电飞机的要求，今后将主要研究e b h a 在高功率条件下的应用， 并注意电磁兼容性问题及提高e b h a 的可靠性和使用周期。 机电作动器( e m a ) 多电飞机中用于功率电传的机电作动器( e m a ) 完全取消了液压部分， 用电动机通过传动系统直接驱动舵面或机轮刹车。e m a 有两个主要部分组成： 作动器模块( a m ) 和电子控制单元( e c u ) 。a m 的作用是把电能转换为机 械能以驱动控制舵面，电子控制单元( e c u ) 的作用是根据所得到的控制信 号来控制作动器。图2 3 是e m a 作动器的系统框图。 图2 - 3e m a 作动器的系统框图 总之，对于多电飞机来讲，现在电力作动技术的发展重点为： 容错的机电作动器( e m a ) 和电动静液压作动器( e 1 4 a ) ； 用于电动环控系统、冷却风扇和燃油泵的综合电动机控制器 减轻控制器重量和改善电磁兼容性的光电传感器； 内装式起动发电机。 【儿i j k 【：业人学硕十学位论文第一二章多电b 机中关键技术研究状况 2 4b i t 技术的研究m ， 较高的b i t 技术是多电飞机所应具备的条件之一。所谓的b i t ( b u i l t in t e s t ，b i t ) 是指系统和设备依靠自身的电路和程序，对自身的 状态进行检测和监控，并对故障进行检测和隔离，具有这种功能的设备叫机 内测试设备。 b l t 技术的应用，可以降低设备的平均修复时间、平均后勤延误时间、提 高系统的平均故障间隔时间，因而使系统的可用性得到提高，维护费用得到 降低，维修活动得到减少。因此，引入b i t 技术，对现代复杂高技术设备的 安全可靠运行极为重要。采用了自检测( b i t ) 技术和专家渗断系统，还可以 及时发现故障和预测故障。由于b i t 技术的使用，美国研制的先进战术战斗 机的容错性能已达到在经受1 次故障时仍能向所有负载供电；在发生2 次故 障后仍能向所有关键任务负载供电；在发生3 次故障后仍能向所有关键飞行 负载供电( 上述故障可以发生在同一供电通道的不同部件上，也可以发生在 不同供电通道的同一种部件上，或以上述两种方式的组合形式出现) 。 设备自检测包括三个基本过程：检查和发现异常状态、诊断故障状态及 部位、分析故障类型提出相应对策。因此，b i t 技术作为一门独立的学科，它 主要包括以下四个方面的内容： 检测技术：准确地采集和测量反映电源系统状态的各种信号和参数， 主要有转速、频率、电压、电流、温度等，关键在于提高精度和简化检测方 法。提高检测精度有提高信号变换精度和提高a d 转换精度两种途径。 信号处理技术：将现场采集到的各种信号经过变换，将真正反映设备 状态的信息提取出来，其核心任务是滤去噪声，提取有用信号。 故障识别和判断技术：即通常所说的故障诊断，根据掌握的电源系统 的特征参量，判断故障并找出原因。 预测及故障处理技术：指对已识别出来的故障进行预测，预测故障的 发展和没备剩余寿命，提出相应的对策。主要有降级运行、跳闸保护、余度 供电等几个方面的处理，同时通过一定的方式报警。 目前，飞机电源的b i t 技术已经经历了四个阶段： ij q 北i 业人学硕十学位论文 第一二章多电e 机中关键技术研究状况 第一代b i t 技术，以b o e in 9 7 4 7 、l 1 0 1 1 、d c 一1 0 、f 1 5 等飞机为代表， 为6 0 年代术、7 0 年代初的产品，以模拟电路、分立元件构成电源监控保护器， 以控制及继电保护为主，故障诊断能力差，虚警率高。 第二代b l ，l 技术，以b o e in 9 7 5 7 7 6 7 、a 3 1 0 、f 一1 5 等飞机为代表，为7 0 年代术，8 0 年代初的产品。其特点是规范化数字化故障信息存储。 第三代b i t 技术，以b o e i n 9 7 3 7 4 0 0 ，b o e i n 9 7 4 7 4 0 0 ，a 3 2 0 ，f a 一1 8 等 毛机为代表，为8 0 年代木研制。其特点是规范化数字化、综合化飞 行信息存储。 第四代的b i t 技术，以1 3 0 0 i n 9 7 7 7 ，f - 2 2 ，r a h 一6 6 等飞机为代表。其主 要特点为：规范化；数字化：以微处理机为核心，以a d a 高级语言编 程；综合化：所有的计算机由中央飞行信息管理系统( a i m s ) 统一管理； 自动化：a i m s 具有智能管理水平，不需要驾驶员的干预：信息存储： g c u 中能存储6 4 次飞行记录数据。 在我国现役的国产飞机中，主要为低压直流电源，少量为c s c f 交流电或 v s c f 交流电，它们都采用模拟电路完成调压保护功能，不具备自检能力。新 研制的v s c f 电源系统中也引进了b i t 技术，但还比较落后，仅相当于国外的 第二代b i t 技术前期的水平。因此，我国发展飞机电源b i t 技术十分紧迫。 应该加强这方面的研究工作，如要重视飞机电源系统的数字和物理仿真研究 和丌展故障识别和判断技术方法的研究等工作，以减小我国与先进国家之间 的差距。使我国的飞机电源水平能上一个新的台阶。 2 5 故障模式影响分析( f m e a ) 航空技术的发展对飞机电源系统的性能和可靠性提出了新要求。在系统 设计阶段，开展故障模式影响分析( f m e a ) 是及时发现设计中的薄弱环节，提 高系统可靠性的一项重要工作。故障模式影响分析的基本过程是分析系统中 各元器件可能产生的故障模式，以及每个故障模式可能产生的影响及其严重 程度( 严酷度) ，计算每一故障模式的发生概率，并综合考虑其严酷度，再评定 每一故障模式的危害性。对于危害性大的故障模式则必须采取改进措施予以 消除。 1 3 阳北l ：业人学硕十学位论文 第- 二章多电e 机中关键技术研究状况 2 5 1 f m e a 自动化的一般思路”1 进行f m e a 自动化工作的难点在于，系统中某一元器件发生某种故障模 式时，如何自动判断该种故障模式的影响。工作的关键是故障影响的自动化 定量分析，而丌展此项工作的条件是： 建立系统性能模型，即建立反映系统输出与输入，及其电路结构、 元器件参数关系的表达式。 要有求解复杂系统性能模型的计算机辅助分析工具。 需要建立系统中各元器件的故障模式库，并将故障模式进行量化处 理。 系统正常状态的输出( 可能多个参数) 可量化表示，且故障状态的输 出可量化定义。 2 5 2 故障模式影响分析方案 其方案的结构图如2 - 5 所示。 图2 - 5 故障模式影响分析方案圈 e m t p ( e l e c t r o m a g n e t i ct r a n s i e n t sp r o g r a m ) 软件作为航空电源系统故障 影响分析的计算机辅助分析工具，专门用来分析电力系统运行性能的仿真软 件。引用时要建立符合e m t p 要求的电源系统正常供电仿真模型及各种故障 模式发生条件下的仿真模型，再由仿真结果生成定量的故障影响，并自动判 定其严酷度。 州北i 业人学硕十学位论文 第一二章多电e 机中关键技术研究状况 总之，系统设计过程中开展f m e a 工作，已有一系列标准、规范，但有以 下问题。 f m e a 标准中所规定的故障模式影响分析是一种以经验为主的定性 归纳法。系统复杂时，很难明确确定每一故障模式的故障影响； f m e a 标准要求对系统中每个元器件的每种故障模式都进行分析， 当系统中元器件过多，分析人员的工作枯燥繁琐，难免造成遗漏和错误，且 工作量大； f m e a 标准要求，随系统设计深入细化，f m e a 要反复进行，这样完 全依赖手工，则要耗费更多的时间和精力。为此很有必要开展f m e a 自动化 工作的探索与研究。 2 6 新材料的使用对多电飞机发展的影响 2 6 1 稀土材料 稀土永磁材料广泛用于机电、通讯、广播电视、能源交通、航空航天、 军事装备等领域，特别是微特电机。稀土永磁使电机的出力大、体积小、效 率高、能耗少、整体性能也有很大的提高。其中铷铁硼稀土永磁的问世又使 稀土永磁材料的发展与应用达到一个新的水平。钐钻稀土永磁多用于军用微 特电机，钐钴材料能满足磁性可靠性高、工作温度范围大等要求。 1 9 7 2 年美国成功地将钴钐永磁用于航空发动机点火系统和无人飞机的电 源发动机用的0 4 1 2 k v a 小功率航空发电机上，8 0 年代又研制出1 2 7 k w 重 7 6 k g 的钐钻永磁无刷电机用在阿波罗登月飞船上，美国导航局和洛克西德公 司f 研制全电飞机用的稀土永磁发电机。因此，它的研究成功将对多电飞机 的发展起很大的促进作用。 2 6 2 钛合金 钛合金是当代飞机和发动机的主要结构材料之一，它的应用水平是衡量 武器装备先进程度，影响武器装备战技性能的一个重要方面。 美国在8 0 年代以后的各种先进军用战斗机和轰炸机中，钛合金用量已经 1 5 阳北i ：业人学硕十学位论文第一二章多电e 机中关键技术研究状况 稳定在2 0 以上，如第三代战斗机f 1 5 钛合金用量占2 7 ，而第四代战斗机 f 一2 2 钛合金用量占4 l 。钛合金具有较高的疲劳寿命和优良的耐腐蚀性能， 可以提高结构的抗腐蚀能力和寿命，满足先进飞机、发动机高可靠和长寿命 的要求。 2 6 3 金刚石u 5 金刚石独特的性能使其成为高功率、高频率、高温条件下理想的开关材 料，它具有优越的导热性和快速开关特性，使其能适用于频繁转换、高电能 的状念。当电子束或u v 射线穿过钻石时，金刚石开关就导通，停止照射的 同时丌关就闭合。 会刚石开关还适用于3 7 5 0 以上、并且导通电阻较小的情况。在3 7 5 0 、 1 0 0 0 v 1 0 0 0 a 的条件下，只有2 5 v 的电压损失。因此，在多电飞机中一些条 件下使用金刚石开关比较合适。钻石开关的技术突破对多电飞机和飞机性能 的提高将有着重要的意义。 曲北1 业人学颂十学何论文第二章多电b 机电气系统需求分析 第三章多电飞机电气系统需求分析 飞机电气系统由供电系统和用电设备组成。电气系统的功能是向飞机的 各用电系统或设备提供满足预定设计要求的电能。如果说发动机是飞机的“心 脏”，那么电气系统就可以说是飞机的“血液”。电气系统是现代飞机安全的 必要保证，在飞机发展中占有重要的地位。这一章主要对飞机上的用电负载、 供电系统、电气系统的结构以及电磁兼容等各方面进行需求分析，以便确定 电气系统的各种参数，使电气系统的设计达到最优，以保证其f 常运行。 3 1 电气负载分析 在飞机设计的初期阶段，最初而又重要的程序是电气负载的分析，这是 电源系统设计的基础工作，电源容量的确定、电源型式的选择都要在此基础 上进行。因此，应对可能采用的用电设备进行电能要求的初步统计，并估算 各类电能所需稳态功率要求，以便合理选择飞机主电源、二次电源、应急电 源的容量。为了确保飞机电源容量，必须对用电设备进行统计分析，作出电 源负载图。本文选择一种先进的战术战斗机作为背景机。 根据“g j b 8 6 0 ”飞机电气负载和电源容量分析中的规定，将飞机可能 的工作状态分为十种标准加载状态，以大写字母“g ”加阿拉伯数字作代号， 即g l 为地面维护，g 2 为校准，g 3 为装载和准备，g 4 为起动和预热，g 5 为 滑行，g 6 为起飞和爬行，g 7 为巡航，g 8 为巡航一作战，g 9 为着陆，g 1 0 为 应急。 3 1 1 负载的分类 1 按其重要性分可分为三类： 关键飞行负载：指那些为保证飞机飞行安全所必需的用电设备。在飞 机上飞行关键负载都是冗余的，单个负载的失效不会导致系统功能的损失， 也不会对飞机造成威胁。 曲北1 业人学硕十学位论文第二章多电e 机电气系统需求分析 关键任务负载：是指那些为完成特定飞行任务所需的用电设备。如机 卜的多功能雷达、综合电子战系统、通信导航与识别系统、红外搜索与跟踪 系统、燃油供给系统等。飞机上的多数电气负载都属于关键任务负载，大多 数的关键任务负载是硬件冗余或功能冗余的。 非关键飞行负载：指飞机上除了关键飞行负载和关键任务之外的用电 设备，如驾驶员温度调节装置、坐位调节装置等。 2 按供电类型分可分为两类： 直流负载：由直流汇流条供电的负载。 交流负载：由交流汇流条供电的负载。 3 按供电的对象分： 大负载：电流为i o a 以上的负载直接由主配电中心汇流条通过机电式 功率控制器( e m p c ) 供电。 一般负载：电流在7 5 a 以下的负载一般由负载管理中心( e l m c ) 汇 流条通过固态功率控制器( s s p c ) 供电。在飞机上大多数的负载都是一般负 载。 在负载配置的过程中，需要考虑负载的供电类型以及负载的大小，并且 要结合负载所在的位置，以便达到负载的配置合理、平衡。 3 1 2 负载需求分析n “ 一般来讲，在飞机上主交流发电机首先把电能送往主交流汇流条。一台 主交流发电机一般对应一个主交流汇流条。但是考虑到接触器容量限制，主 交流汇流条上的负载应不超过2 6 k v a 。 进行负载需求分析，首先要了解有关负载工作时间的问题。负载工作时 间指每项设备在每种工作状态下从电源吸收电功率时间，用“分钟”表示。 如果负载的工作时间小于或等于0 0 0 5 分钟，记作0 ：工作时间大于o 0 0 5 分钟小于或等于5 分钟者，应按精确到0 0 1 分钟的时间计算；工作时间大于 5 分钟者，可视为连续，记作“c ”。 1 8 拍北【业人学硕一l ：学他论文第二章多电e 机电气系统需求分析 3 1 3 负载对电源功率的要求 飞机电源功率的选择驳决于飞行方案中的所用用电设备对电功率的要 求，权衡选取可靠性高、安全性能好、重量轻的电源，因此负载分析是选择 电源的基础。飞机上负载工作情况应与以下因素有关：飞行任务的不同。 应选择能满足用电量最大的飞行任务的电源，如战斗机夜问作战，轰炸机在 敌境夜阳j 飞行和执行轰炸任务等。飞机在不同的工作状态下，所需用电量 不同。电源工作情况。电源f 常供电时，应能满足同时工作的负载要求。 在多发电机电源系统中，l 台或2 台电源故障退出电网后，应能满足关键和重 要用电设备的电能要求。应急状态时，应急电源应满足关键用电设备的要求。 不同类型的飞机完成不同的任务，由于其机载用电设备不尽相同，因此 各种飞机主电源的容量也不一样，现在以美国波音公司的一种先进战术战斗 机为例对飞机上的负载用电量进行分析。根据该背景机容错供电系统的负载 清单和负载分析报告可知，飞行关键负载总功率为4 1 ，8 3 2 v a ；任务关键负载 总功率为1 2 2 ，8 4 6 v a ；非飞行关键负载总功率为1l ，6 8 8 v a ；所有电负载所需 的最大电功率是1 7 6 ，3 6 6 v a 。应急工作时连接负载最小，为9 ，1 3 4 v h ；战斗阶 段稳念负载最大，为1 0 2 ，0 8 2 v a 。表3 一l 和表3 2 分别说明了各种飞行关键负 载和任务关键负载的功率要求。 表3 2 任务关键负载的功率要求 设备名称功率( v a ) 雷达传感器系统 1 0 8 0 0 综合电子对抗系统 1 3 6 0 0 通信、导航与识别系统 2 9 7 5 红外探测与追踪 3 0 0 0 信息管理系统 “2 5 任务航空电子系统 9 0 0 信号处理系统 5 2 0 0 大容量存储器单元 2 0 0 燃料系统 2 0 8 4 9 环境控制系统 1 1 7 外挂物管理系统 3 2 0 8 0 战术生命保障系统 1 1 7 合计 1 2 2 8 4 6 州北l 。业人学硕十学位论文第二章多电e 机电气系统需求分析 表3 一le 行芙键负载的功率要求 设备名称功率( v a ) 飞行器管理系统 2 0 0 0 发动机控制系统 4 0 0 环境控制系统 8 0 0 0 飞行控制传动机构 3 1 4 3 2 总计4 1 8 3 2 3 1 4 电气负载的数量分析 由先进飞机电气系统控制技术研究报告可知，对于上述的先进战术 战斗机所选择的固念功率控制器( s s p c ) 的数目为5 0 0 个左右，这些s s p c 由 负载管理中心( e l m c ) 控制。因此，在这个飞机的容错式供电系统( f t e p s ) 中就需要j 个e l m c ，分别装在左前和右前的航空电子舱，左右机翼及驾驶舱 内，每个e l m c 需要处理1 0 0 个左右的s s p c 。 f t e p d s 对s s p c 的控制过程是通过求电力负载的电力需求方程、通电控制 方程和s s p c 状态方程来实现，其中，供电系统处理机( p s p ) 负责解电气负 载的电力需求方程，而e l m c 负责解通电控制方程和s s p c 状态方程。这些方 程的计算都是双模态的，以满足5 0 m s 和3 0 0 m s 的反应时间。5 的计算时间在 2 个小循环周期内完成，9 5 的计算在1 6 小循环周期内完成。 3 2 电源容量分析m ， 电压、频率、相数和连接方式等是供电系统的基本参数。这些参数的选择 与供电系统以及用电设备的重量、尺寸和性能有密切的关系，目l j i 常用的有： ( 1 ) 额定电压为1 1 5 2 0 0 v ，额定频率为4 0 0 h z ，中线接地( 飞机壳体) 的三相四线制交流供电系统。 ( 2 ) 额定电压为2 8 5 v ，负线接地( 飞机壳体) 的直流供电系统。 上述两种供电系统在飞机上均以主电源的形式出现，机载用电设备应优先 采用上述一种或两种供电系统的电源供电。用电设备需要其它种类电源供电 时应由飞机上的二次电源供电。 根据对用电设备的要求，通常按线路电压降的大小把用电设备分成a 、b 、 2 0 曲北i 业人学硕十学何沦文第二章多电b 机电气系统需求分析 c 三类，对应上述三类设备，交流系统所允许配电的线路压降2 v 、4 v 、8 v ； 低压直流系统所允许的线路压降分别为1 v 、2 v 和3 v 。a 类设备通常是能安 装在电源汇流条中心的对电压敏感的用电设备，如特殊的照明设备或特种设 备，使用它必须特别注明。飞机上绝大部分用电设备都属于b 类。c 类是比b 类设备所允许的稳态压降范围更宽的用电设备，它们通常是j 日j 断工作的设备 或应急设备，如电动机构等。 3 2 1 电源容量要求 飞机电源容量应满足各种飞行状念下，电气设备最大总连续负载的要求和 瞬态负载的要求，并应留有一定的容量裕度。 对于单发动机飞机的主电源系统，其连续的发电容量至少应是飞机初始生 产时的最大连续总负载的1 3 3 倍。 多发动机飞机的多发电机的主电源系统，其连续的发电容量至少是飞机初 始生产时的最太连续总负载的3 倍。 在电气负载分析的基础上，找出连续负载量最大的那种状态，以此为准初 选主发电机，其额定容量应满足上述的要求，然后进行电源容量的分析，以 便确定所选主电源是否满足各种工作状态及各种使用条件下的电气负载要 求。 3 2 2 主电源容量的选择 由于主电源的发电机通常都是由航空发动机驱动的，为了保证电源系统 的可靠性，一般选择发电机的数目与发动机数目相同，故主电源容量为发动 机台数与单通道发电机额定容量的乘积。 单通道发电机的容量为 p 丝盘 j v 式中：只。一电源负载图中统计估算得到的最大功率( k w 或k v a ) ： n 一全机主发动机台数； 曲北f 业人学硕十学位论文