飞机加装辅助动力供电系统技术研究

赵渊昉 孙丹丹 王雯阳

摘要：飞机加改装过程中由于大量增加用电设备，原飞机电源的额定容量无法满足新增设备的用电需求，需要通过加装辅助动力装置提供额外的供电份额，而加装辅助动力供电系统需要从飞机剩余电源容量估算、任务系统电源容量分析、辅助动力装置分系统加装以及电气系统试验4个方面进行充分论证分析，并最终通过实际运行验证，保证飞机在飞行阶段的供电能力和供电品质。

关键词：飞机；加改装；辅助动力；电源容量

Keywords：aircraft；modification；auxiliary power；power capacity

0 引言

在飞行试验验证阶段，为了满足试飞任务需求，飞机需要完成大量加装、改装工作。在此过程中，机载任务系统大功率用电设备的投入使用会导致原机电源容量严重不足。为解决此项难题，同时考虑试验机加改装的独立性和特殊性，通常采用加装辅助动力装置提供额外的能源，而辅助供电系统作为辅助动力提供的主要能源之一，必须进行充分的研究分析验证，方可投入使用。

1 辅助动力装置简介

辅助动力装置（APU）主要由显控器、电子控制盒、供电系统、火警和灭火系统、辅助燃油系统和辅助液压系统等组成，其中供电系统是其重要的组成部分。

显控器安装在驾驶舱，用于飞行员或机械师及时了解辅助动力舱工作情况并做出反应，可以控制辅助动力装置的起动、停车、紧急停车以及发电机的起动、停车。此外，还可以监视整个辅助动力系统的运行状态，查询系统状态信息和故障信息。电子控制盒能够按控制规律启动、控制、调节辅助动力装置，同时具备系统自检、故障判断、故障报警和故障保护等功能；发电机控制器主要完成发电机电压调节、发电机过压、欠压、启动、断开、过频、欠频、过流、三相平衡的控制和保护；火警和灭火系统用于对辅助动力舱火警信息进行监测和灭火；辅助燃油系统用于完成辅助动力系统的燃油供给和控制。

2 辅助动力供电系统加装设计

飞机加改装时，一般优先考虑使用原机剩余电量，当原机剩余电量不能满足任务系统用电或是加装的任务系统会对原机电网产生严重干扰时，必须加装辅助动力供电系统完成供电，避免对机上原有系统造成干扰和影响。

辅助动力装置的加改装包含很多方面的内容，包括辅助动力舱的机械结构、电气系统和其他关联系统的加改装设计。电气系统作为其中的一个重要组成部分，主要加改装内容包括中央显控系统、视频监控系统以及供电系统等的总体布局、安装、试验。

2.1 试验机剩余电源容量估算

通过查询飞机电源容量裕度或者通过地面试验模拟空中状态检测飞机负载功率，可以获取飞机剩余电量情况。在不同飞行阶段，飞机的工作状态负载也不同。一般认为，飞机在爬升和下降阶段消耗电量最大，巡航时若螺旋桨（尾翼）加温系统工作则消耗电量较大。进行剩余电量估算时，以飞机最小剩余电量为参考值。

2.2 任务系统负载分析

在对任务系统负载进行分析时，一般情况下，需要先统计任务系统各设备的电源特性和工作时间。为了方便分析，可采用表1所示的方式进行计算分析。在计算分析过程中，要对非三相用电设备进行功率配平，确保任务系统负载不平衡度满足国军标的相关要求。

2.3 辅助动力加改装电气技术

任务系统负载完成分析后，负载功率是辅助动力装置选型的一个重要依据。一般情况下，各状态下应保证电源容量裕度≥25% ，以方便为将来增加的负载设备供电。辅助动力装置选型完成后，根据其技术条件进行辅助动力装置的电气加装工作。辅助动力装置的电气加装工作包括辅助动力装置启动及控制电源设计、地面电源加装设计、子系统互连设计及汇流条配置设计。

1）辅助动力装置启动及控制电源设计

辅助动力装置起动系统的主要部件是起动电动机，一般选用28VDC的供电模式。起动采用双供电模式，一种是直接从飞机起动汇流条引取电量给启动电机，另一种是加装蓄电瓶来起动辅助动力装置。

辅助动力装置控制板及其他系统用电均引自飞机28VDC电，这样可以保证辅助动力装置工作过程中不受任务系统电源开关的控制。辅助动力系统的控制面板安装在驾驶舱，由飞行员负责辅助动力系统的起动与监控。为确保辅助动力监控器能正常工作，需加装1台蓄电瓶用于连续供电。

某些辅助动力装置需要对滑油进行电加温，滑油电加温一般从原机应急交流汇流条中引取。这样可以确保在发动机不工作的情况下由原机提供115VAC电。

2）地面电源加装设计

由于辅助动力系统只在飞行时工作，所以需要进行交流地面电源设计。地面电源的加装可以使得任务系统设备在地面试验时，由地面电源车向其提供三相交流电源。地面电源系统与辅助动力供电系统为互锁关系，且优先级低于辅助动力系统。当辅助动力系统准备工作完成具备加载状态时，地面电源自動切断，转由辅助动力发电机向任务系统设备供电，如图1所示。为方便试飞工程师操作，地面电源控制开关一般安装在驾驶舱。

3）子系统互连设计

由于辅助动力系统关联配套工作逻辑关系复杂，安装位置分散，并且部分系统需要外界为其提供用电以及高低电平指令，所以，必须正确梳理辅助动力子系统间的互连关系。典型辅助动力子系统间互联关系如图2所示。

其中，配电控制盒的设计解决了大电流供电线缆难以在辅助动力系统配电中心狭小空间布置的问题，是一个输入输出电力的汇总控制中心。飞机上的28VDC和115VAC通过它向其他系统供电，辅助动力发电机也通过它向任务系统设备供电。

4）汇流条匹配设计

辅助动力发电机输出电量与机上电量需采用完全隔离的方式进行汇流条配置，典型配置如图3所示。实际操作中还应加装过流、不平衡度超限、相序匹配等保护装置。各任务系统设备根据其电源特性在相应汇流条上引取电量。

2.4 电源容量分析

不同试飞科目中所需要开启的负载设备不尽相同，因此要对典型试飞状态进行区别分析，对典型飞行状态电源容量进行分析。电源容量分析包括各相汇流条在既定试飞状态下的5s平均负载、5min平均负载和连续平均负载的有功功率、无功功率以及视在功率计算，根据计算结果分析总负载在不同状态下的功率因数和相不平衡度。对于变压器，需要将其副边所连接的负载设备连同变压器的损耗一起，列入原边所在的相内。通过对飞行状态下电源容量进行分析，可以计算出各状态下的电气容量裕度，并对电气容量裕度最低的试飞状态给出说明。

2.5 电气系统检查试验

完成试验机加改装工作以后，必须对相关系统进行功能和性能测试，方可正式投入使用。

1）辅助动力系统检查

辅助动力系统在交付前需要在地面试车台上调试，系统功能正常后完成系统装机，装机后一般进行导通、绝缘、短路检查，同时对显示控制、灭火、油泵、发电机、风门电机等主要部件进行功能性测试。

2）机上配套系统检查

辅助动力系统检查完成后，还需要对机上其他配套系统进行检查，主要包括大型盘箱通电检查、二次电源供电品质检查、故障模拟检查、三相负载不平衡度检查和全机通电联试。

3 结束语

辅助动力供电系统加改装是飞机改装的一个重要部分，加改装技术已经在多架试验机上进行了应用。在加改装过程中，严格按照试验机剩余电源容量估算、任务系统负载分析、电气系统加装、电源容量分析、系统试验等步骤进行，可以有效保证系统投入运行后，应用更加方便，故障率更低，保障试验机飞行任务的顺利完成。

參考文献

[1]孙传友. 测控系统原理与设计[M]. 北京：北京航空航空大学出版社，2001.

作者简介

赵渊昉，技师，主要从事飞机改装工作。

孙丹丹，高级工程师，主要从事飞机改装设计工作。

王雯阳，高级工，主要从事飞机改装工作。