通用飞机电气负载和电源容量分析

刘耀光 张艳琴

摘要：电气负载和电源容量分析是飞机电气系统设计中不可缺少的重要环节。电源系统应满足全机用电设备的容量要求。电源系统的容量是否合适，将影响到电气系统运行的可靠性和经济性。分析所有用电设备在飞机各种工作状态下的供电要求，并综合供电与用电两者的供求情况，实现电源容量和电气负载的合理配置。

关键词：飞机;电气负载;电源容量;设计;用电设备

一、概述

电气负载和电源容量分析是飞机电源系统设计的基础工作，电源容量的确定、电源形式的选择均应在此基础上进行。

电气负载分析的内容是将各个独立的电气系统或各类电源所供电的那些负载，按照其在飞机飞行任务的各个阶段的用电情况进行统计计算，以确定该系统在飞机各飞行阶段的用电要求。在电气负载分析的基础上，找出连续负载量最大的状态，以此为准初选主发电机，然后进行电源容量分析。电源容量分析的目的是根据电气负载分析和电源在各种加载状态下的供电能力，考虑适当的容量裕度和瞬态要求，验证主电源和应急电源的容量是否符合设计规范，能否满足机载用电设备的供电要求。

二、 电气负载和电源容量分析的内容和目的

通用飞机需按CCAR-23-R3《正常类、实用类、特技类和通勤类飞机适航规定》和CCAR-91-R2《一般运行和飞行规则》进行设计和研制，并按照适航要求进行过程控制管理。

在对所有机载设备的用电情况进行统计的基础上，应用GJB860A的分析方法，计算出飞机后在不同工作阶段、不同时间区间的电气总负载及在不同区间的电源容量裕度，为飞机电源系统设计提供依据。

三、负载统计

负载统计是对用电设备在飞机所有工作阶段的用电情况的统计，其中包括设备名称及型号及同时工作数量、用电种类、单台用电量、工作阶段及工作时间等。

1、工作阶段及代号名词解释

飞机用电设备的负载情况通常随飞机的不同工作状态而改变。飞机的工作状态是指该飞机的典型工作状态，即理论上预定的正常情况下工作（包括空中飞行和地面工作）的状态。根据飞机的工作情况，一般工作阶段分为准备与起动、地面检查、滑行、起飞爬高、巡航、下滑着陆六个工作阶段。

G1-准备与起动

G2-地面检查

G3-滑行

G4-起飞爬高

G5-巡航

G6-下滑着陆

2、相关代号名词解释

T-工作时间

GS-同时工作数

DL-单台用电量

3、负载统计结果

1）非发动机起动系统的负载统计

对飞机非发动机起动系统的电气负载统计。

2）发动机起动系统的负载统计

在飞机用电设备中，起动机负载对应急供电时间的影响最大，起动机一般在滑油温度为-12℃时用电量最大，消耗的蓄电池容量最多，此处，给出滑油温度为-12℃时的起动机负载统计值。

四、电气负载分析

应用GJB860A的分析方法，对飞机电气负载进行5S、5min、连续三种时间区间的分析，以计算出飞机在5S时间区间内的瞬态负载值和5min、连续时间区间内的平均负载值。在进行负载分析时，对每个阶段每个电气负载均进行上述三种时间区间分析。

1、时间区间分析说明

1）  5S分析

凡工作持续时间大于0.005min的负载都进行5s分析，5s分析见下式。

设备用电量=单台用电量×同时工作数×K

当T≤0.08min时，K=T/0.08;

当T>0.08min时，K=1。

2） 5min分析

凡工作持续时间大于0.08min的负载都进行5min分析，5min分析见下式。

设备用电量=单台用电量×同时工作数×K

当T≤0.08min时，K=0;

当0.08

当T>5min时，K=1。

3）  连续分析

凡工作持续时间大于5min的负载都进行连续分析，连续分析见下式：

设备用电量=单台用电量×同时工作数×K

当T≤5min时，K=0;

当T>5min时，K=1。

2、负载分析的实质

负载分析的实质是在飞机各种规定的工作阶段下对由独立电源系统供电的所有用电设备的用电量进行分析累加，计算出飞机在各种规定工作阶段下的电气总负载。

五、电源容量分析

1、電源容量说明

飞机电源系统一般由直流主电源、直流应急电源和直流外部电源组成，各电源的容量视飞机具体情况而定。

2、主电源容量分析

1）  电源系统容量裕度计算方法

飞机的主电源是发动机配套的发电机。综合修正系数为电源的机械修正系数，电磁修正系数，阻抗修正系数，冷却修正系数连乘积，此系数乘以电源的区间额定容量即为在各工作状态下主电源的实际发电能力。

根据以往使用经验，在进行负载统计时，各用电设备用电量的统计值，一般情况下比其实际用电量大，而负载分析是在负载统计的基础上进行的，由负载统计可知，在同一工作阶段工作的用电设备并非全部同时用电，而负载分析是按同时用电考虑的，因此，电气总负载比实际电气总负载大很多。根据飞机负载统计的实际情况，以85%的负载申报准确度及95%的设备同时工作率（在负载分析时，已经考虑了襟翼操纵系统与液压能源系统的同时工作率）对负载分析结果进行修正，修正后的值较接近实际值，因此，用修正后的值进行电源容量裕度计算。

电源容量裕度就是飞机电气系统中电源能够对将来增加的负载设备供电的能力，用对电源容量的百分比表示。电源容量裕度计算见下式：

容量裕度=（电源修正容量-电气总负载×85%×95%）/電源修正容量

2）  电源容量计算结果

飞机电源系统在不同工作阶段的电气总负载不同，以所有工作阶段最大电气总负载进行容量裕度计算，其值是电源系统所能提供的最小容量裕度。由于发电机没有过载能力，因此，用电源系统的额定容量来计算飞机电源系统在5S、5min、连续三种时间区间的最小容量裕度。

3、蓄电池应急供电时间

1）  蓄电池装机容量

根据蓄电池装机条件，蓄电池的容量在其额定容量的80%以上时，蓄电池才可以装机。

2）  起动机所消耗的蓄电池容量

按照一般供电系统总体方案要求，蓄电池应具有连续起动起动机3次的能力。起动机起动时起动电流是随时间变化的，只能根据起动机起动曲线近似计算出3次起动起动机所消耗的蓄电池容量。

3）应急供电4min时所消耗的蓄电池容量

当飞机进入应急供电状态时，驾驶员在4min时间内可将正常用电设备全部切断，因此可根据卸载过程近似计算出该阶段所消耗的蓄电池容量。

4）应急供电时间

应急供电4min后，蓄电池仅向应急负载供电，此时应急负载按同时工作考虑，因此，仅以85%的负载申报准确度对应急电气总负载进行修正。

5）外部电源容量分析

外部电源插座的额定载流量由地面检查阶段的负载分析结果及起动系统负载统计情况可知，只要选用合适的外部电源就可以满足飞机全部用电设备的用电要求。

六、结论

本文总结了通用飞机直流电气负载和电源容量的分析方法和需要关注的问题。通过分析、统计和计算，保证飞机能够在最严重的用电状态下电源都是足够的，从而保证飞机顺利完成飞行任务。此方法是在满足适航规章和国军标的基础上通过多年、多型号飞机验证总结的分析方法，对于新机研制和设备加改装中的电气系统设计提供了有利保障。对通用飞机设计有重要的指导和借鉴意义。

参考文献：

[1]GJB860A《飞机电气负载和电容量分析》.