多电飞机起动/发电系统研究和关键技术分析

程方舜

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【摘 要】先进民用飞机上急剧增加的电力需求不断推动着多电飞机时代的到来，起动/发电技术是多电飞机的一项关键技术。本文旨在介绍多电飞机起动/发电技术的原理和技术要求，并对其未来发展有待突破的关键技术进行探讨。

【关键词】多电飞机；起动发电；关键技术

0 概述

传统飞机的发动机是依靠安装于发动机附件齿轮箱上的空气涡轮起动机实现起动的。起动发动机时，空气涡轮起动机需从地面气源车、辅助动力装置（APU）或发动机交叉引气获得压缩气源起动发动机。但发动机正常工作时，空气涡轮起动机不工作，造成了飞机额外的重量负担。多电飞机用起动/发电系统取代空气涡轮起动系统，当发动机起动后，起动/发电机可作发电机运行，向飞机电网提供电能。由于起动/发电系统兼具两种功能模式，可以有效降低系统重量和成本，提高系统维护性和可靠性，同时改善发动机性能。在竞争激烈的航空领域，这些优势显得尤为重要，因此必须加快对多电飞机起动/发电技术的研究和应用。

1 起动/发电系统的工作原理

通过起动/发电机实现发动机的起动是利用电机的可逆原理：电机作电动机运行时，将电能转换为机械能；作发电机运行时，将机械能转换成电能。起动/发电机起动模式原理框图如图1所示。图中，单台主发动机安装2台起动/发电机以满足发动机起动扭矩需求。每台起动/发电机配有一台起动控制器控制其起动过程。起动/发电机安装在发动机附件齿轮箱上，在发动机起动过程中，起动控制器控制起动/发电机利用飞机交流电源或地面电源通过变压整流得到高压直流电，通过其内部的变换器得到起动/发电机做电动运行时的绕组电流和励磁电流，控制电动机运行，向发动机提供转矩拖动发动机转动。通常，起动控制器通过矢量控制、速度闭环控制和位置传感器读取电机转子位置信息，实现对起动/发电机电动运行的全数字控制。当发动机到达一定转速后，发动机喷油点火，发动机涡轮产生的功足以继续加速发动机到慢车转速。发动机从零转速过渡到慢车转速的过程即起动过程。起动过程结束后，发动机带动起动/发电机旋转，起动/发电机进入发电工作模式，把从发动机提取的机械能转换成电能，给机上用电设备供电。

2 起动/发电系统的技术要求

2.1 起动功率要求

起动/发电机的工作特点是首先保持恒转矩起动，控制电动机输出最大转矩不变，当转速达到一定值后，再保持恒功率运行，即保持最大功率不变，直到起动机达到脱离转速，起动发动机，如图2所示。如起动一台发动机所需转矩为100Nm，发电机转速范围为11000～22000rpm，根据发动机起动曲线经验，发动机需100Nm的最大转矩下起动并达到5000rpm，相当于最大功率约50kW，到达5000rpm之后，起动机应保持50kW恒功率输出，直到发动机达到脱离转速，发动机不再需要起动/发电机为其提供转矩而能自行运转。在主发动机正常运行后，当转速达到发电机要求的建压转速下限时，起动/发电机开始切换至发电模式，向飞机电网供电。

2.2 起动时间要求

适航条款25.9039（e）要求发动机具有空中再起动能力，参照AC25-7A，要求发动机30s内实现从燃油开关打开到点火，90s内发动机从点火到稳定慢车状态，满足发动机120s内完成空中起动。根据发动机起动特性和起动/发电机特性计算，电起动系统采用2台起动/发电机用于发动机在地面和空中的各种状态的起动，可以满足发动机起动时间要求。当一台起动/发电机失效时，使用另1台起动/发电机仍然可以实现起动发动机但是起动时间较长。

3 起动/发电系统的关键技术

由于多电飞机的起动/发电机均采用变频交流电源体制，因此相比恒频交流电源系统，发电机的本体设计和控制方式都面临更大的挑战；且起动/发电机安装于发动机短舱内，处于高温、振动和沙尘等等的恶劣环境中，对其机体材料、结构和制造技术的要求都更加严苛。未来的起动/发电系统主要有以下关键技术有待研究和突破：

3.1 发电机电磁设计、结构设计和制造技术

变频交流起动/发电机既要电动运行又要发电运行，它具有和功率变换器、发电机控制器三者之间强耦合特征，航空电机定转子磁路的深度饱和以及非线性、功率变换器的开关特性、控制方法的多样性和控制策略的非线性等，都使得变频交流起动/发电系统中三级式同步电机的电磁设计更加复杂。且由于多电飞机的起动/发电机由发动机直接传动，转速很高，因此发电机的设计和高速转子的制造是非常关键的，电机的转子结构强度和振动稳定性也是必须认真考虑的。尤其是高转速下转子上旋转整流器以及绕组受到机械应力成倍增大。另外，大功率起动/发电机必然采用油冷技术，高转速下发电机转子的喷油冷却技术也是必须要解决的难题。

3.2 宽转速范围高品质电压调节技术

飞机在飞行过程中要求有稳定的输出电压品质。但飞机发动机输入发电机的转速是变化的，飞机的负载电流也是随时变化的。对于变速工作的发电机，必须有快速响应的电压调节器相应改变励磁电流，补偿去磁的电枢反应和电阻压降的影响，以保证在输出变频的同时，有稳定的输出电压，也避免电机在高转速时发生大的瞬态过压危害用电设备。电压的瞬态特性和稳态特性也要同时兼顾。三级式同步电机内部实际上是由三个电机构成，励磁系统复杂，其电压调节系统动态性能的提升在恒速恒频电源系统下已经受到电机结构的制约，而对于宽转速范围的变频电源系统，这一问题将更加突出。

3.3 无位置传感器起动控制技术的应用

在起动/发电系统的起动控制中，通常需要在电机轴上安装位置传感器检测电机转子位置信息从而实现电机控制，这不仅增大了电机的尺寸和转动惯量，而且降低了运行可靠性，增加了成本和安装维护困难，并易受外界干扰。使用无位置传感器技术既可以（下转第40页）（上接第18页）更好地发挥起动/发电机在极端环境下的性能，同时也可以减少成本和整个系统的体积。因此，使用无位置传感器起动控制技术成为起动/发电系统未来发展的趋势和研究方向。

3.4 多电发动机技术的发展

多电发动机是在传统的发动机上，用主动磁浮轴承系统替代传统的滚动轴承系统，用安装在主轴上的大功率内置式整体起动/发电机为发动机和飞机提供所需电源，用全电气化传动附件取代机械液压式传动附件，实现发动机和飞机的全电气化传动。在多电发动机中，发电机是发动机的一部分，直接安装在发动机的轴上，采用这种高可靠性的内置式发电机，与发动机高压级匹配，可以作为起动/发电机。多电发动机技术大大减少了发动机的零件数，从而减轻了系统重量、降低了复杂性，提高了可靠性和维修性，降低了成本。

4 总结

由于起动/发电系统起动飞机发动机具有效率高、重量轻、可靠性高等综合优势，多电飞机用起动/发电技术取代传统气源起动发动机的方式已成为未来多电飞机的发展方向。同时，只有起动/发电系统中的关键技术不断取得突破，才能保障起动/发电系统的可靠运行并充分发挥其优点，在未来多电飞机中得以运用和发展。

【参考文献】

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[3]付永领，等.多电飞机的关键技术[C].中国航空学会控制与应用第十二届学术年会，2006，7.

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[5]王鹏.民用飞机发动机起动技术研究[J].民用飞机设计与研究，2010.

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[责任编辑：许丽]

1.2.2 一般诉讼流程

英租时期威海卫的民事诉讼一般流程包括以下内容：

1）诉讼当事人（一般为原告）前往司法官官邸或法庭将诉状递交给司法官，或将诉状投入专门的诉状箱内。（租借地内曾试行了一段时间的特许状师制度，但后来由于操作性的原因状师行当被完全取缔）

2）诉状提交后，司法官择日开庭并传唤各当事人到庭接受询问。

3）法庭审判程序较为宽松，双方当事人由于没有律师的相助，往往在他们的亲属陪同下到庭并共同参与证据认定与法庭辩论等环节，司法官也并不如英国本土的法官“消极”等待陪审团认定事实，听取律师辩论。相反，时常要承担普及法律，充当双方法律顾问，纠问案件实情等职能。

1.2.3 民事纠纷调节

威海卫租借地另一类重要的民事纠纷解决机制是民事调解制度。殖民当局保留了在基层中国原有之村董制，并以此为基础建立总董制。日常民事纠纷由村董、总董及其他族内长老调解，且法庭通过专门下发“息诉凭单”赋予之法律效力，调解成功则据此为书面凭证而不得再兴诉讼，再诉法院不予受理。调解制是中国传统的纠纷解决机制，英国式司法体制借助村董、总董的力量与权威与之连结，进一步完善了英租威海卫的民事司法体制。

1.2.4 诉讼费用

英租威海卫政府收取的诉讼费用较为低廉，甚至存在近十年间不收分文诉讼费的情形。殖民政府似乎在传达这样一个讯息：鼓励用法律手段解决日常纠纷。这对威海卫的稳定局面有极大的巩固作用，人们甚至出现了“健诉”的诉讼心理，以至于后来政府不得不以收取较高费用为手段减少不必要的诉讼。

1.2.5 民事判决文书

英租时期的判决文件可称是中西合璧的最好阐释，一方面既继受了英国法律判决形式不拘一格、散漫多变、好引经据典的内涵要式，另一方面则常常以道德经典、圣贤之帝的圣谕为所引之典，比较好地能让民众接受。

在一些宝贵的资料卷宗中，时常体现着当时的法官（常为行政长官）并不严格执行规定的具体诉讼环节，法庭中常常是双方当事人拖家携口各执一词，场面激烈，而法官为确定案件事实间或亲自策马去案发地了解情况，之后快速判决，判决书中也常常引用道德教化格言或圣谕。同时法院审理效率极高，诉讼拖延极其难见，诉讼费用低廉，适应了当时商业发展要求快捷高效结案的趋势。而最为关键的一点则在于威海卫地区社会变革“出人意料”地缓慢，立法与司法中存在的法律供求关系在三十年中始终处于相对均衡的状态，“直到1930年中国政府收回威海卫时，租界内的男人还梳着辫子，女人还裹着小脚。”用本土法制资源之形而行英方所欲之内核，顺民情，得民心，是英国殖民者在威海卫租借地治理得当的关键。

2 德国民诉制度在山东租借地的“本土化”进程

2.1 19世纪德国民事程序制度的传承与发展

1862年的德国几乎是集中当时举国法学界所有的精英人物，花费15年之久制定了在世界民事诉讼法发展史上也可以称为里程碑的近代民事诉讼法典——德国民事诉讼法。1877年，德意志帝国颁布《民事诉讼法》（简称CPO），而这部法典历经帝国时期、魏玛共和国时期、纳粹统治时期、二战后的联邦共和国时期，沿用至今。虽然经过多次（有时规模还很大）的修改，但仍是在原有的基础上进行修改，并未将整个法律废除，彻底更新。1877年《德国民事诉讼法》在德国民事诉讼法制史上具有继往开来、承前启后的作用。它主要蕴含着一下一些内涵：

2.1.1 司法机构法定统一

统一后的帝国用铁腕手段将日耳曼民族推上资本主义发展的狂飙时代的同时，这部1877年《帝国民事诉讼法》也让德国的大部分地区开始适用与其已经熟悉的民事诉讼法——有的已经适用了上百年——完全不同的民事诉讼法。通过国家集权的方式，德国民事诉讼制度不仅摆脱了传统诉讼法令的羁绊，更是开现代诉讼法制之先河。

2.1.2 自由主义思潮下科学完备的证据制度与诉讼原则

以直接审理主义、程序与辩论的公开主义为核心的言辞主义被1877年德国诉讼法接受，这部法典同时逐步废除了此前繁苛、易被操控的书面主义。此外，反专制制度在自由民主的呼声下被接受，国家采取秘密行动（秘密羁押、拷问等）的权力被剥夺，“外行”组成的陪审团也参与到案件事实认定中。案件审理的公开透明，也使司法直接受新闻与社会的监督，“上层人士”的特权被压缩至基本为零。更为重要的是这部法典确立的一系列如“作出判决的法官要据自己的体验了解案情与参与人，而非通过已经被他人主观化的转述”、“裁判者不关心微不足道的法律不利”、集中审理主义、“你给我事实，我给你审判”等审判、管辖原则至今仍然为主流观点所接受。

日后的胶澳地区在被德国租借期间各类纠纷接连不断，据《青岛开埠十七年—<胶澳发展备忘录>全译》一书的相关数据，胶澳德国皇家法院连续五年受理案件的数量都在一万件以上，每位法官年平均受理案件三四千件，每天要处理十几起案件。如此繁重的工作量，没有一套科学合理的诉讼程序自然是无法完成的。而上述核心内容正是这套高效运作的诉讼制度的灵魂。

2.2 德租时期胶澳地区的民事诉讼制度简介与比较分析

1898年，德国趁山东曹州“巨野教案”之机率先租借胶澳湾，至一战结束被日本侵占前，此地一直为德国管辖。德国为将胶澳建成“样板”殖民地供其他海外殖民地效仿，不仅向这个海滨城市投注了大量金钱与人力，更通过土地改革建立起一整套完善的法律体系与司法制度。据《中德胶澳租借条约》第三条规定，“德国所租之地，租期未完，中国不得治理，均归德国管辖，以免两国争端。”据此，德国获得了在青岛一系列的管辖权，司法管辖亦括在内。殖民者在胶澳租借地设置了一整套司法体制，针对德国等西方国家包括日本人设置了胶澳皇家法院，针对华人则设置了青岛区公所和李村区公所，行政兼理司法。1898年《中德胶澳租借条约》签署后，德意志帝国事实上获得了对胶澳租借地司法的控制权，并在财政支出中追加了非经常性的开支，用于胶澳地区的司法建设，包括派出法官、设立法院等司法机构所需费用。由于德国政府的大力支持，胶澳租借地的司法框架很快搭建起来。

2.2.1 民事司法组织与司法人员

德国人登陆之初，即在胶澳湾地区设立了区公所这一极富殖民色彩的司法体制。与该制度所配合的是，胶澳总督在1898年5月即宣布胶澳境内“中国法律照旧施行，以治华人”。一份落款为1898年4月15日的文件显示，租借区以内在青岛李村两处设立地方官署，专理华人词讼。区公所的行政长官由德国人担任，据1898年度的《胶澳发展备忘录》所载，三名德国见习翻译到达青岛，首先完成语言训练。他们同时审理华人的民事与刑事案件，职权近似于德国正式法庭和陪审法庭。行政长官在宣誓就职时，要发誓成为一名“妥善之地方官也”。此外，区公所在受理的案件上也有严格的限制，只能受理民事中诉讼标的额小的或者承担刑事责任较轻的案件，其余则要归胶澳皇家法院受理。民事诉讼中物产钱债则管至二百五十元，如果在二百五十元以上则要归胶澳皇家法院受理。值得注意的是似乎德国人对如何在具体程序操作中治理远东的这片土地基本达成了一项共识，“在许多事务上，法律要考虑当地的关系，因此只能在这里起草和征求意见，而不是在本国。”

2.2.2 一般诉讼流程

在德租胶澳湾地区的诉讼制度中非常明显地被打上了其本国的1877年《帝国诉讼法》核心内核的烙印，胶澳皇家法院自不用多叙，但即使是在为华民而设的区公所，所体现的言辞主义也比较明显。如除特殊情况下，当事人不得在诉讼过程中委托全权代表，须亲自出庭应诉；审判结果公开，区公所的行政长官对于处以监禁三个月、笞责、罚金至五百元或单罚或连罚并可驱逐出境外，所处判决须向被告人公开宣告，让被告人知悉判决。对于判决书要装订卷宗，并且把证人证词等书面法律文件录入卷宗；保障当事人不服判决时的上诉权，不过该项权利受行政长官的限制；民事诉讼中，对诬告者实行反坐，一般处以罚款或劳役。另外，所有涉及到可能罚款的案件都需要缴纳“堂费”，即所谓的诉讼费，对于涉及到金钱的案件，原告须预交诉讼费，诉讼费按照所控数额的百分之二收取，但是胶澳皇家法院至少以十元为限，区公所以一元为限。由败诉方承担诉讼费用，其赔还原告并且区公所的行政长官有权减免当事人所应当缴纳的诉讼费。

德意志帝国在胶澳湾地区成功地建立起了一套成功的“现代化”民事诉讼法制模式，反向而言即是使胶澳地区较为成功地接受了德意志本土民事诉讼制度，日耳曼人借鉴了他们自身继受罗马法的经验，不急于清除当地的原有的法律制度与社会规范的同时，积极主动地探寻一种能顺应当地商品经济发展、适应同化华民的新的法律秩序，也通过社会政策抵消民众对殖民行径的反感，更主要的是由于德国对胶澳湾的高投入极大地刺激了当地经济的发展，迫不及待地投身工商业发展的人们对诉讼程序高效的渴求甚至超过了公正本身，在商品经济的大潮中传统社会土崩瓦解，一套全新的法律体系需要与社会磨合的时间较少。纵然如此，德国殖民当局还是因其较为严厉的统治手腕，残酷的殖民掠夺，对华人的歧视态度在历史上留下了毁誉参半的名声。殖民色彩浓厚的法律制度，势必与历史大潮相悖，纵然再“进步科学”，终究不能获得真正的认可。

3 启示与借鉴

英、德殖民当局清醒地意识到强行将外来的民事诉讼法律制度嫁接至传统乡土社会的结局必然是民众作为或不作为的抵制，祖祖辈辈接受“礼治”思想的传统中国国民并不在乎甚至不会察觉所谓“程序正义”，一个合理的、符合皇帝圣谕与道德伦常的判决对于他们而言即是满意的结果。费孝通先生如此描绘道：生于斯、长于斯、死于斯的社会所信赖的是公认合式的行为规范，而维持“礼”这一行为规范的是社会所积累的经验——传统。德国与英国发觉这一关键后做出了不同的对策，雄心勃勃的德国人向胶澳湾投注了大量资金与人力后掀起当地资本主义经济发展的狂潮，在商品经济与雇佣劳动将传统乡土社会连同传统行为规范冲击得体无完肤后，推出一整套合理高效的诉讼体制，并将“西人”与华民分而治之，从而巧妙地用一次剧烈且全面的社会变革化解了当地居民对新的法律制度的抵触。而资金、人力投入都相对较少的英租威海卫，治理殖民地经验丰富英国人选择了顺应乡土社会及其行为规范的方式，拾起中国的惊堂木与杀威棒，以村董制借助氏族长老的权威治理地方，在诉讼过程中重视调解，在判决中加入道德教化，在东西方之间保持着微妙的平衡，奠定了威海卫三十余年平稳安定的社会基调。从法律移植的宏观维度层面观察，二者殊途同归。

本国（本土）的法律传统与面临的现代性转向以双向思维，即平等协商的方式达至一种微妙的平衡。概括而言，是用本国国民能够接受的传统方式表现现代的法治精神，当这种精神被完全领悟后再对之做出以现代形态的表达。这种循序渐进的方式成本低廉，产生的社会阵痛感相对较轻。一个有远见并不断发展的民族不会害怕社会变革。转型期，新的经济、政治、社会因素的涌现时常挑战相对滞后的法律，若法律不因时而变，社会中机会型违法将与日俱增，传统的道德因素也将受到质疑，这对一个民族的精神内核来说无疑是一种不可逆的破坏。然而若其他国家或地区也曾经受过类似的考验，那么充分借鉴相关经验则显得尤为重要。但单纯地制度移植不能解决根本问题，最初受到变革挑战的国家并无先例可循，人类先辈的探索势必是以其所处时空维度的社会土壤、文化元素为参考，借鉴并接受的仅仅是一种创造性思路。当然东西方法律传统内均有的“为善”、“良知”、“人性”等概念则是构筑社会变革模型中的基础共通性参数，但法律制度如何移植方才能不产生排异反应，关键就在于对本土法律资源的合理使用与激活。

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[5]青岛市档案馆编.青岛开埠十七年—《胶澳发展备忘录》全译.中国档案出版社，2007.

[6]谋乐.青岛全书（上卷）[M].青岛印书局，1914.

注释：

①张志超.徘徊于东西方之间：英租威海卫时期的法治[J].开放时代，2009（2）：40.

[责任编辑：王伟平]