轻型运动飞机电气负载和电源容量分析方法研究

郑博峰 金 镭 胡 涛

随着我国低空空域逐步开放，通用航空产业迎来了快速发展，尤其是小型航空器制造业愈加繁荣，其适航取证需求也随之增加。以固定翼“轻型运动飞机”（Light Sport Aircraft，LSA）为例，已颁布的适航技术标准和管理程序均对电气系统负载和电源容量予以明确要求，本文在分析研究这些适航性要求基础上，给出LSA电气负载和电源容量分析的一般流程和方法，并用典型LSA工程实施加以验证，为固定翼轻型运动飞机适航取证提供参考。

1 LSA电气系统架构及供电特点

LSA与民用运输类飞机的电气系统相比较，其电气系统和电源供电架构复杂程度都较为简单。LSA通常采用电子综合飞行仪表系统和单发直流供电系统。主电源为交流发电机（由飞机发动机驱动），通过调压整流器转换成直流持续输出，向各个机载电气设备供电；应急电源为蓄电池，在飞机飞行中因主电源故障停止供电时，蓄电池负责向机上重要设备供电；在发动机空中停车时，负责发动机再启动；在地面停机时，完成飞行前准备和发动机启动供电。

因此，LSA电源系统的基本转换逻辑为：正常工作时，发电机与蓄电池并联工作；当主电源停止供电时，将手动/自动切换至应急电源。

2 电气系统相关适航标准要求

为了保证飞行安全，LSA电源系统要求具有足够的能力来应对任何的正常和紧急状况，适航审定程序及技术文件均对LSA电气系统提出了明确要求：

AC-21-AA-2015-37R1《轻型运动航空器型号设计批准审定程序》第8.6节要求电气系统应有主开关和过载保护装置，电线能够与每一电路负载相符。

ASTM F2245-14《轻型飞机设计和性能标准》附录A 2.9.3要求总连续电力载荷不应该超过总额定发电机或交流发电机输出容量的80%。

从要求可以看出，飞机电气负载与电源容量匹配性、过载能力都是电气系统适航性设计中需要特别关注的技术指标，通常采用分析/计算的方法开展适航符合性验证工作。飞机电气负载和电源容量分析的目的是表明电源系统在正常工作或主电源失效（应急供电）状态下，电源系统的容量能够满足相应组合的负载用电量要求。

3 电气负载和电源容量分析流程/方法研究

电气负载和电源容量分析的实质就是对飞机各工作状态下各时间区段内，负载总用电要求和电源工作实际容量二者之间的比较分析，从而确定飞机电源的容量裕度是否满足要求。电气负载和电源容量分析一般流程如图1所示。

3.1 电气负载分析

电气负载分析的目的是确定机上所有用电设备所需用电量。首先，对飞机工作状态和负载工作时间区段进行划分；其次，以具有独立功能的电子设备为用电单元，统计其在飞机各个工作状态下的工作时间和单位时间功耗，形成汇流条负载表；最后计算所有用电设备在飞机的各种工作状态下各时间区间的总负载要求，形成负载分析表。具体工作内容如下。

3.1.1 飞机工作状态划分

参考GJB 860-1990《飞机电气负载和电源容量分析》，结合轻型运动飞机运行特点，飞机工作状态一般可划分为以下9种工作状态：G1，地面维护；G2，仪器校准；G3，装载和准备；G4，启动和预热；G5，滑行；G6，起飞和爬升；G7，巡航；G8，着陆；G9，应急。

3.1.2 负载工作时间区段划分

由于发电机的发电和过载能力通常采用连续工作时的额定容量以及5s和5min区间额定容量进行表征。为了方便与发电机输出功率作比较，同时保证充分利用电源的短时过载能力来承受用电设备的短时负荷，从而合理地确定电源的容量，就必须按电源的3个容量区段：连续、5s和5min来统计设备用电情况。

3.1.3 汇流条负载表计算

统计各负载的阶段工作时间和单位时间功耗。时间大于5min的负载进行连续分析，负载表中填作“C”；持续时间长于5s的负载进行5min分析，负载表中精确到0.01min；持续时间大于0.005min小于5s的负载进行5s分析，负载表中精确到0.01min；工作时间小于或等于0.005min者，属于瞬时用电设备可忽略，负载表中填作“0”。

3.1.4 负载分析表计算

每项直流负载分别按各个工作状态下规定的3种时间区间进行计算，填入直流负载分析表。工作时间大于5min的用电设备视为连续负载，其平均安培数等于每个设备的负载要求乘以同时工作的设备数。

工作时间小于负载分析表栏头规定的时间区间的用电设备视为非连续负载，其平均负载按公式（1）计算。

式中：

P —非连续工作负载用电量，W；

Pi—单台设备的用电量，A；

n —同时工作的设备数；

t —工作时间，s；

T —时间区间，s。

3.2 电源容量分析

电源容量分析分为主电源容量分析和应急电源容量分析。前者是对主电源额定容量的修正，确定主电源在飞机的各种工作状态下的实际发电能力。在电气负载分析和主电源容量分析的基础上，将两者放在飞机的同一个工作状态下的同一个时间区段内进行比较，从而确定主电源容量对其用电负载的满足程度及裕量。应急电源容量分析是对飞行前准备、发动机启动和应急负载供电这3种情况下的用电要求和蓄电池容量进行比对。

3.2.1 主电源容量分析

主电源容量分析包括电源修正容量和容量裕度分析两部分。

3.2.1.1 电源修正容量

电源的额定容量是指在规定环境条件下，电源在正常工作状态的发电能力。由于电源实际工作的环境条件与设计规定的环境条件有很大的不同，其实际发电能力受到各种因素的影响，需对电源的额定容量进行修正：通常使用额定容量修正系数（机械修正系数、电磁修正系数、冷却修正系数以及并联修正系数）对各外在因素的影响程度进行量化。

电源的修正容量被认为是电源工作中的实际供电能力

3.2.1.2 主电源容量裕度分析

航空电源通常都应具有短时过载能力。短时过载能力通常按5s和5min两个时间区间来考核。发电机的5min过载能力及其热容量可向工作时间在5min以内的大功率负载提供短时电能（如停车制动器、襟翼收放电动机构等）；5s过载能力可满足大电动机的启动电流要求和排除配电网中出现的导线短路故障。

因此，在进行电源容量分析时，将发电机短时过载能力称为区间额定容量，通常以连续工作的额定容量的倍数表示。5s过载能力为连续工作的额定容量的2倍，5min过载能力为连续工作的额定容量的1.5倍。

分别计算各工作状态下各时间区间的电源容量裕度。如果电源容量裕度均大于20%，则认为主电源在不同的工作状态均有足够的容量裕度，满足负载供电要求。

3.2.2 应急电源容量分析

应急电源一般为蓄电池/组，应急电源容量计算的过程中应考虑以下3种使用模式。

模式a——飞行前准备

飞行前检查只对某些重要设备通电，确认其是否正常，以判断是否具备飞行的基本条件；同时，为启动发动机做准备。检查所需的用电量通常由地面电源提供，在无地面电源供给时才允许使用蓄电池/组进行飞行前检查。

在此情况下，飞机正常启动发电机投入电网后，将自动对蓄电池/组进行充电。飞机启动和预热阶段足以为蓄电池/组充满飞行前检查所消耗的容量。因此，飞行前检查所消耗的蓄电池/组容量可不计入实际应急容量。

模式b——发动机的启动

应急电源还被用于机上发动机的地面启动和空中停车再启动。启动所消耗的容量等于飞行任务中发动机最多启动次数乘以启动机的启动电流。

模式c——应急状态供电

在应急状态下，蓄电池/组需要向机上重要设备供电。分析应急状态蓄电池/组的典型负载情况，以确定蓄电池/组的应急供电时间和用电情况。

蓄电池/组容量必须大于应急状况下模式b和模式c中负载消耗的总容量。

4 工程案例分析

以某典型LSA为例，充分考虑在飞机各种工作状态下其用电设备在3种时间区间（5s、5min、连续）的用电情况，按照本文给出的计算流程和方法，完成电气负载和电源容量分析计算，其中直流电源使用分析表见表1。从表1中计算结果可以得出连续区间负载分析中的电源容量裕度均小于其他区间的负载，其中G4阶段的电源容量裕度达到24.83%，高于适航标准中20%的最低要求，该LSA电气负载能够满足适航标准要求。

表1 直流电源使用分析表

分析正常工作状态下电气负载极值发生在G4连续时间区间内的原因：飞机的G4工作状态为启动和预热阶段，在这一阶段需使用电启动器启动发动机，而该LSA电启动器的功耗为180A/min。发动机投入电网后，还将自动对蓄电池进行充电，其功耗为2.5 A/min，这也导致飞机在G4阶段主电源的容量裕度偏小，大功率用电设备的使用使得G4阶段连续时间区间内产生负载极值。

通过工程实践可以得出，如果LSA电气系统架构无特别设定，且在各阶段中无其他大功率用电设备连入（如，有些机型装有座椅加热系统，在G5或G6阶段开启），则可重点分析G4阶段的连续区间负载分析中的主电源容量裕度。如果该状态计算分析结果能够满足适航性要求，则其他阶段的容量裕度通常也能够满足。

5 结论

本文在对固定翼轻型运动飞机电气负载适航性要求分析的基础上，研究形成电气负载和电源容量分析一般流程，并以某典型LSA为例，研究在适航符合性验证过程中该型飞机电气负载极值出现的阶段、时间区间及产生的原因，为同类LSA适航取证过程中的电气负载和电源容量分析工作予以参考。