多电技术在民用飞机领域应用的研究

陈勇哲

摘 要：本文介绍了多电飞机的概念，在民用飞机领域的发展方向。以及多电系统相对于传统飞机系统的优势及其关键技术的特点。

关键词：多电飞机；优势展望；关键技术

引言

民用飞机的发动机往往是设计师想降低飞机油耗时关注的首个领域，但是，研究人员证明，在其他用电气的分系统上更多地使用电力可以使整个飞机电气系统利用率更加有效。多电飞机的概念应运而生。多电飞机具有结构简单，重量轻、可靠性高、性能价格比高等普通飞机所不能比拟的特点。在一些航空技术领先的国家的设计师们已经开展了长时间的研究，其发电、配电和电力作动是研究的主要领域。

发动机主要为飞机提供飞行动力，同时又是飞机上液压、气压、供电和机械系统等次级功率系统的原动力。所以全电飞机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，也就是所有的次级功率系统均采用电的形式工作。而多电飞机是全电飞机发展的一个过渡过程，是用电力系统部分取代次级功率系统的飞机。

1 优势展望

因采用多电系统的飞机上液压系统、发动机引气装置、气动系统、飞行控制系统的机械和液压系统、发动机和机翼内的引气管路和高压液压管路的取消，使得多电飞机全部的二次动力部件均由电力驱动。在设计上考虑辅助动力部件和其他的二次动力部件可以放在最佳重量、平衡和气动外形所期望的地方。发动机整流罩就可按最佳气动力来设计，从而减少了发动机的截面积，减轻了系统的重量，进一步解决了使用成本高的问题。主要体现在以下几方面：

作动系统的改变：电力作动系统与液压系统相比虽然用电量大大增加、但是其发热量低、部件间磨损小，系统的可靠性大大提高，而且具有容错的能力。

制造与装配上的优势：多电飞机也有很大的吸引力。一般普通民用客机的的二次动力系统至少需要21个动力部件，而在引入多电飞机理念后，只需要9个部件就能满足需求。动力部件的减少极大地减轻了系统重量，同时在系统安装上提高了57%的工作效率。

燃料节省：多电飞机取消了从发动机引气，采用封闭循环环境控制系统。取消了与用于客舱增压等从发动机引气的管路，相对于常规系统，运行的性能代偿损失降低30%，节省了燃料。

由于液压式拖动机构：因线性活塞拖动器是液压拖动通常采用的方式。为了连接被驱动的控制面，需外加整流罩及摇臂结构。而电动拖动器是铰线拖动机构，其在机翼面和操纵面内便可安装。所以在采用电拖动器以后，飞机的机翼和尾翼的大小、形状和位置的灵活性增加，因此，简化了系统的综合布局。

维修及维护：多电飞机系统的元件有足够的自检能力。电力作动系统中的微处理机内具有很强的机内自检能力。因取消了更换油滤、添加液压油等定期维护工作，且电气参数本身易于监测，所以便于外场维护，同时测试所需的设备也很少。由于多电飞机的飞行控制系统是软件驱动的，飞机可以通过直接而快速的软件改变来实现最新控制规律和适应其他的飞行任务。所以多电飞机还使得飞机的飞行任务范围扩宽。

2关键技术

多电飞机将会明显的改善飞机的保障性、可靠性、维修性故障受损后的自修复能力及全周期费用和飞机性能。而目前多电飞机的研究主要集中在配电、发电和电力作动三方面。

2.1电源系统

飞机上的动力由主要动力和二次动力组成。主要动力来自于发动机，二次动力则为飞机设备和操纵系统提供能量。一般来说，普通飞机上的二次动力有电、液、气三种。而多种动力的同时使用会使飞机和发动机性能降低。

经实践证明，主电源用交流电源不适合于在多电飞机上使用。因为多电飞机容量要求大，而恒频交流电源的效率较低，并且交流电不易实现不间断供电，所以无法满足需求。而270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270伏高压直流电源具有较大的发展前途。其中最典型的为开关磁阻电机。其结构简单，可靠性高，可承受的工作转速和环境温度都很高，当电机绕阻故障时，不会使故障面扩大，易于实现起动/发电双功能。适合于在多电飞机上使用。

2.2固态配电技术

在20世纪80年代，出现了固态功率控制器。它是高压直流电源的实用基础之一。常规的电磁式继电器在通断电路时会产生火花或电弧。而由功率半导体和大规模集成电路等构成的固态功率控制器，因其驱动功率小且无二次击穿从而达到自动均流。所以具有接通断开负载、实现故障保护和提供开关信息功能的的固态功率控制器具，其保护作用通过直接检测电流来实现，而不是热保护方式。保护选择性的改善可有效降低故障短路引起的不良后果。取消了离散信号控制线的固态配电技术控制。对于用电设备进行控制和保护，主要是由机载计算机通过多路传输数据总线来完成传递控制信号和状态信息，再经固态功率控制器来控制和保护，最终在座舱内的综合显示装置显示系统状态。分布式汇流条配电方式适用在信息配电系统中。在飞机座舱内并不需要设置中心配电装置，配电汇流条可与电设备就近相连，而固态功率控制器可同时提供馈电保护。

在固态配电系统中，功率控制器接通或断开电气负载必须按负载要求的逻辑方程进行，使得微型计算机代替了飞行人员的操作，因此飞机上每个电气负载都对应一个逻辑控制方程。固态配电技术可有效实现负载自动管理、减轻配电系统的重量、保证供电的质量、和可靠性等优点，相信在未来的多电飞机中的应用会更加广泛。

2.3 电力作动技术

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以下三个主要部分。

（1）集成的作动装置

传统的集成作动装置缺点集中体现在体积和重量较大，难控制等因素。在未来多电飞机的设计中，伺服控制采用电力驱动泵来替代传统的液压泵。得益于微电子器件的发展，减小了系统体积和重量的电子控制单元微型电路实现了将光传飞行的经验应用于功率电传的集成作动装置中。

（2）备用静液作动器

备用静液作动器已开始在现行飞机上使用。它是一个双通道系统，保留了作为主通道的液压系统来作动，当期时效时则由作为辅助通道的电力来作动。备用静液作动器在高功率条件下的应用可满足多电飞机的功能需求，但其电磁兼容性及提高可靠性和延长使用周期的问题在设计上必须考虑到。

（3）机电作动器

在多电飞机中液压部分被功率电传的机电作动器完全取代了了，舵面或机轮刹车等是电动机通过传动系统直接驱动。由作动器模块和电子控制单元两个主要部分组成。作动模块的作用是把电能转换为机械能以驱动控制舵面，电子控制单元的作用是根据所得到的控制信号来控制作动器。具有容错的机电作动器和电动静液压作动器， 用于电动环控系統、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为现在电力作动技术的发展目标。

3 结束语

多电飞机的研究水平是一个国家综合技术水平的体现，同时也是经济发展水平的重要象征。我国在高压直流发电配电系统的原理性研究上还有很长的路要走，当前正在开展机电作动器和电动静液作动器的功率电传作动器研究以及高速电动机驱动的空气循环机的研究，但在多电飞机的不少领域还属一片空白。鉴于其良好的发展前景，及其良好的研究环境，相信在不久将来会在该领域开拓出广泛的空间。

参考文献：

[1] 党晓民，成杰，林丽.我国大型飞机环境控制系统研制展望.航空工程进展，2010，第1卷第1期.

[2] CCAR25.民用航空适航条例第25部运输类飞机适航标准第三版[S].中国：中国民航总局，2001.