“航空航天供电系统”的课程改革研究

杨善水，王 莉，张卓然

(南京航空航天大学自动化学院，江苏南京210016)

我国航空、航天事业近几年来蓬勃发展，尤其是大型客机研制工作的全面开展，使得国家对航空、航天人才的需求变得非常迫切。一些高校开设了与航空航天相关的专业，并在本科生中开设了“航空航天供电系统”课程。但是我们发现，新增设的专业和课程有诸多的局限性，教学中往往突出部件多，介绍系统少［1，2]。

1 从功能要求的角度阐述系统组成

在“航空航天供电系统”的课堂教学中，首先要阐述负载对飞机供电系统的需求。飞机上的用电设备按照用电种类，分为交流用电设备和直流用电设备两类，其中交流用电设备按照频率、相数等分类又有多种不同的类型，如三相用电设备、单相用电设备，400Hz用电设备和50Hz用电设备等。为了满足不同种类用电设备的供电需求，需要航空航天供电系统提供三相115/200V，400Hz交流电和单相115V，400Hz交流电等电能。

基于这种需求分析，本课程阐述航空航天供电系统的组成，包括发电机和蓄电池配置的多种形式的变换器，包括AC/DC变换器、AC/AC变换器、DC/DC变换器和DC/AC变换器等。上述发电机、蓄电池和各种变换器组成的系统绕被称为电源系统。

2 从可靠性的角度阐述系统结构

飞机对供电系统的基本要求按照重要度排序依次为可靠性、费用、维修性、重量和供电质量，其中可靠性要求尤为重要。高的可靠性来源于良好的设计、优良的工艺和高性能的器件。

余度供电是指飞机供电系统的汇流条和设备能从多个通道获取电能。为了实现余度供电，供电系统中必须能提供余度电源和余度配电，即供电系统应有备用或多个相同的供电部件同时存在。比如，双发电机供电系统中，往往还有APU发电机、RAT发电机以及蓄电池，变压整流器也是多台配置。

飞机供电系统的余度和容错供电要求是:①供电系统在没有故障时，要能给所有负载供电;②供电系统在发生一次故障时，能给全部重要负载和飞行关键负载供电;③供电系统在发生两次故障时，仍能给重要负载以及全部飞行关键负载供电;④供电系统在发生三次故障时，仍不丧失给全部飞行关键负载供电的能力。为达到这一容错目标，就要在尽可能高的可靠度下，通过设计电网的结构来提高容错供电能力和提高任务可靠度。

3 从部件功能的角度分析系统配置

我们在分析“航空航天供电系统”课程系统的配置时，为了充分发挥学生学习的自主作用，可以安排他们讲解各个部件的组成和特点。如在交流供电系统中，布置学生讲解同步交流发电机、变压器和变压整流器等的原理和功能;在直流供电系统中，可以布置学生讲解直流发电机和逆变器等的基本原理和功能。然后由教师分析这些不同功能的部件是如何组成系统的，从而培养学生的全局意识。

为进一步阐明先进飞机供电系统的结构和配置，分析其功能和组成，本课程以民用大型客机B787为例进行分析，其供电系统如图1所示，包括发电机、变换器、配电、固态功率控制器和无刷直流电动机等各种部件。教师在课堂上分析供电系统的结构特点时，学生讲部件，教师讲系统，取得了很好的教学效果。

图1 B787飞机供电系统结构图

4 从发展的角度阐述系统类型

本课程的教学应尽可能与教师的科研工作相结合，与学科和专业发展的前沿相结合，与学科建设相结合。

目前，多电和全电飞机技术受到国内、外专业人士的重视。传统的飞机上并存着液压能、气压能和电能三种二次能源，可靠性低，使用维护困难。多电飞机以电能部分取代液压能和气压能。全电飞机以电能全部取代液压能和气压能。多电和全电飞机具有可靠性高和效率高、维护性好等优点，是先进飞机的发展方向［3，4]。

在教学中，我们介绍了飞机供电系统的多电和全电飞机研究的关键技术问题。如:大功率发电系统、作动系统、综合控制和管理系统、高速电机、电气环境控制系统、电动燃油和滑油供给系统、电气防/除冰系统、航空航天发动机的电力起动和起动/发电系统和固态配电系统等。这些系统涉及到发电、配电、电能变换和电动机负载等各个方面。这样就为后面要讲的内容做了铺垫。

为进一步阐明多电飞机的特点，我们在上课时可以仍然以多电飞机B787为例讲解。这样既可以分析B787飞机供电系统的特点，又可以结合多电飞机的研究内容阐明在B787飞机上已经解决了的问题和解决方法。

在教学过程中，我们既要介绍国内外现役航空供电系统的性能指标，也会介绍国内和国际的行业标准，并分析航空供电系统的典型标准。如美国军用标准MIL-STD-704F［5]、国际标准化组织制定的国际标准ISO1540［6]、国家军用标准GJB181A［7]等。我们引导学生思考问题，从标准和规范上对航空供电系统的设计提出制约。

5 结语

本文根据我校课程组教学积累的经验，在“航空航天供电系统”课程教学中，结合教师自身的科研经历和成果，通过部件功能需求分析、可靠性要求和发展方向等方面系统的讲授，向学生阐述航空供电系统的构成、配置和发展，强调系统性，获得了良好的教学效果。

［1] 杨善水，肖岚，王莉.“航空航天供电系统”课程物理仿真及计算机演示系统教学平台的建设［M] .南京:电气电子教学学报，第28卷第4期，2006，8:98-101

［2] 胡海兵，肖岚，杨善水.“航空航天器供电系统”精品课程建设［M] .南京:电气电子教学学报，第31卷第4期，2009，8:31-33

［3] Cloyd J.S.Status of the united states air force＇s more electric aircraft initiative.IEEE Aerospace Electronic System Magzine，1998，13(14):17-22

［4] Emadi A，Ehsani M.Aircraft power systems:state of the art，and future trends.IEEE AES System Magazine，2000，20(1):28～32

［5] Department of Defense:MIL-STD-704F Interface Standard:Aircraft Electric Power Characteristics.Washingtong USA:Department of Defense，2004

［6] International Organization For Standardization.ISO 1540.Aerospace:Characteristics of aircraft electrical systems，USA:ISO.International Standard Organization，2004

［7] 中华人民共和国国家军用标准:GJB181A-2003飞机供电特性.中国人民解放军总装备部，2006。