直升机供电系统自动管理技术研究

陈亮 袁大天

【摘 要】供电系统主要包含电源系统和配电系统，由发电机、变压整流器、蓄电池、各类控制器、汇流条、配电设备及电网络等组成。本文就直升机供电系统的管理技术进行了探讨。

【关键词】直升机;供电系统;自动管理技术

前言

随着对直升机系统安全性、维修保障性和低维护费用等要求越来越高，直升机的故障预测与健康管理技术研究越来越受到重视。故障预测与健康管理（PrognosticandHealthManagement，PHM）是指利用各种传感器并通过实时监测、定期巡检和离线检测等相结合的方法，获取设备/系统状态信息，借助各种智能推理算法评估系统/设备健康状态;在故障发生前，结合历史工况信息和故障信息等多种信息资源进行状态评估和故障预测，并提供维修保障决策及实施计划等以实现系统的视情维修。在直升机系统设计中应用健康管理技术，可以实现自主式后勤，提高直升机安全性和任务完成率，提高维护工作效率，延长装备使用寿命，降低全寿命周期费用。相比而言，国外直升机健康管理技术研究起步早，工作深入并且得到了广泛应用。美军将PHM作为一项战略性的装备保障策略，对装备状态进行实时或近实时监控，根据装备的实际状态确定最佳维修时机，以提高装备的可用度和任务可靠性，其中F-35代表了目前美国PHM应用的最高水准。目前PHM技术也已广泛应用于其他欧美航空技术发达国家。国内对于PHM技术研究相对较晚，研究需求和研究对象主要集中在航空、航天、船舶和兵器等高技术复杂装备方面，研究工作以高校和院所为主，距离系统级应用还有相当的距离。本文从直升机系统角度梳理了PHM技术需求，结合自身工程经验，以直升机供电系统为对象，研究了系统级健康管理架构、设计原则和关键技术，并从系统安全性、保障性、最低放飞清单、专家系统等方面对系统级健康评估进行分析，最终形成供电系统健康管理架构。

1电源系统运行模式

根据无人直升机的运行状态及电源系统的构型状态，电源系统工作模式可分为：

1.1外电源地面供电状态

系统设计为外电源优先供电，接通外电源情况下，机上发电机自动断开。开车前阶段为直升机静止处于地面状态，全机供电通过外电源接口由机外电源输入12V、28V直流电源至PP1、PP2汇流条，由外电源给机上12V和28V用电设备供电。外电源供电时同时可接通蓄电池组，给蓄电池组充电。

1.2发电机运行供电状态

开车阶段可分为起动到怠速，怠速到额定。直升机开车至怠速时，发动机自带的磁电机达到发电要求，当输出电压大于12V后，PP1汇流条由地面电源改为磁电机供电，而交流发电机的怠速状态没有达到发电要求，PP2继续由地面电源供电，为保障安全，必须在旋翼转动之前断开地面电源及设备。断开地面电源后，PP1汇流条继续由磁电机供电，而PP2汇流条改由24V蓄电池供电。当直升机达到额定后，交流发电机及电源变换器输出28V至PP2汇流条。由发电机给机上用电设备由发电机供电。发电机供电时同时可接通蓄电池组，给蓄电池组充电。

1.3蓄电池组应急供电状态

当人为或故障导致外电源及发电机断开供电的情况下，分别由12V和24V蓄电池组给机上PP1、PP2汇流条供电，由两组蓄电池组给机上应急设备供电。此时进入蓄电池组应急供电状态。上述电源系统构型状态在转变过程中，供电转换技术起到了重要的作用。

2典型供电系统健康管理系统设计

机载健康管理主要工作：首先，以供电系统各典型成品/设备/元器件等相关故障数据积累和故障场景为基础，通过必要的测试点TP布局，获取系统运行所需的信息，这些信息主要包括供电系统中影响直升机安全飞行的关键参数、反应系统/设备运行状态的参数、基于系统/部件FMECA分析相关的特征参数以及与维护相关的信息，为供电系统健康管理设计提供数据支持;其次，负责供电系统级信息处理的设备有发电机控制器、辅助发电机控制器、外部电源监控器、直流电源控制保护器、蓄电池充电器，由各控制器将底层采集到的数据进一步处理以获取特征信息，并记录大量运行数据，结合健康数据库、故障数据库等信息，实现后续状态监测、健康评估以及故障预测功能;然后，由供电系统各控制器将系统级关键重要参数、故障信息、状态监测信息等，通过总线形式上传给机电、航电上位机，再由机电、航电上传至直升机级综合管理机，由综合管理机结合当前整机各系统状态完成直升机级的信息融合，为空勤人员指示系统当前状态并提供决策支持，通常与飞行安全、任务完成相关的诊断决策在机载综合管理机中完成。地面健康管理主要实现与维护相关的工作以及深度推理预测工作，地勤人员通过地面维护设备可人机交互完成整机地面维护检查，获取直升机健康状态;另外，地面PHM推理机可以存储更多的历史数据，更详尽的产品/备件库存信息，有更完备的系统故障模型、预测算法，可进一步实现故障预测，提供决策支持。

3关键技术及难点

3.1特征参数的选择

由于各类设备/成品的特殊性，其可监控的参数较多，但如何选取特征参数，使之既能充分表征系统/设备运行状态，又能兼顾安全性、可靠性、成本等因素，目前并没有有效的评价标准或指标，需要大量理论研究和试验数据支撑，并联合相关科研单位进行深入研究。

3.3健康状态评估

对于设备/系统健康状态目前无可直接參考的指标或标准，但健康状态又是决策的依据，可以结合相关专业标准（如GJB181B相关技术参数）和主机相关系统安全性评估指标对设备健康状态进行评定。

3.3故障及寿命预测

包括故障预测和寿命预测，需要大量的运行数据、故障数据作为样本数据，针对不同类型系统/设备数据选择合适的预测算法，以建立各类数据的故障/寿命发展趋势模型，目前大量样本数据的积累、预测算法的选择与验证是实现预测功能需要攻克的难点。

结束语

本文从直升机系统健康管理需求分析为切入点，参考OSA-CBM体系结构，以直升机供电系统作为对象，提出了一套直升机供电系统健康管理设计思路和方法，形成了典型供电系统健康管理架构，并对关键技术和难点进行了分析，为后续供电系统健康管理设计提供了理论支持和参考。

参考文献：

[1]马宁，吕琛.直升机故障预测与健康管理框架研究[J].华中科技大学学报：自然科学版，2009，37（1）：207-209.

[2]张宝珍.国外综合诊断、预测与健康管理技术的发展及应用[J].计算机测量与控制，2008，16（5）：591-594

（作者单位：中国飞行试验研究院）