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轻型飞机供电及电气系统设计研究

发表时间：2021/4/14 来源：《中国科技信息》2021年4月作者：陶逢高霞黄涛

[导读] 轻型飞机是一种创新的交通工具，它的出现旨在缓解地面交通压力和加快通用航空的发展，为保证轻型飞机的飞行安全和用电可靠性，必须确保飞机供电和电气系统的稳定性。本文对轻型飞机供电及电气系统设计进行研究分析，以供参考。

陕西汉中中航飞机股份有限公司汉中飞机分公司陶逢高霞黄涛 723213

摘要：轻型飞机是一种创新的交通工具，它的出现旨在缓解地面交通压力和加快通用航空的发展，为保证轻型飞机的飞行安全和用电可靠性，必须确保飞机供电和电气系统的稳定性。本文对轻型飞机供电及电气系统设计进行研究分析，以供参考。
关键词：轻型飞机；供电系统；电气系统；设计
        1.供电与电气系统设计概述
        飞机的电气系统的组成部分包括电源、供配电系统和用电设备等。供配电包括电能的供应各分配两大系统，其中电能的供应包括发电和电能形式变换；配电包括电能的输送和分配。因此这两大部分就是一个完整的系统。电源部分是供电的主要部分，电网是输电和配电的主要部分。电源系统可以根据用途再细分，直接供应主要电气设备用电的电源就是主电源，主电源的主要设备是发电机和调控系统，电能由此输出直接供负载使用。经过二次变化的电能称为二次电源，某些设备的规格和电网不能保持一致，所以电能要经过一些改变才能使用，二次电源的出现极大的改善了用电设备不和谐的局面。应急电源的主要作用是应急，主要设备是蓄电池，蓄电池对于发电机也是用电设备。当飞机的发电机全部出现故障而不能提供电能的时候，蓄电池就作为应急电源给飞机上的主要用电设备输送电能，以防止整个飞机出现故障。以上两者均是飞机电气系统中不可或缺的部分。除此之外，在直流电气设备比较多的系统中整流器、变压器是飞机电气部分中转化过程的重要设备。
        2.供电与电气系统设计要求
        2.1电源系统设计要求
        轻型飞机对用电负载提供电能的来源主要有两种:发电机和蓄电池。发电机的动力来源于发动机，在轻型飞机正常行驶或飞行时，主要电能的来源是发电机，发电机的电能分两部分，一部分供所有的用电设备工作，另一部分会流向蓄电池将电能存储起来备用，因此在正常启动状态蓄电池始终保持电量饱和状态。蓄电池的主要作用是充当备用或应急电源，除此之外也是启动机的唯一电能来源，如果发电机的电能供应能力突然出现不足，蓄电池会和发电机同时向用电设备供电。供电系统的电源供电能力要充足，发动机的动力要强。同时还要考虑到经济性。发电机的功率要以用电设备的需求为基础。当出现用电极限时段，应允许蓄电池向用电设备补给定量的电能。
        2.2模式转换电气系统设计要求
        轻型飞机电气系统的核心部分是模式转换装置，主要功能是完成飞机模式与汽车模式的转换。模式转换盒采用两个开关完成机翼折叠、操纵机构转换、动力输出转换，显示器初始化、全系统自检等功能。模式转换控制盒的动作执行机构是由操纵机构部分、动力输出系统等硬件组成。机翼折叠动作主要由折叠系统完成，动力来源是无刷直流电机，电机带动减速齿轮，再驱动机翼。动力输出转换系统提供空中和地面行驶的动力，该系统是由发动机、动力通断装置、变速器、驱动轮、螺旋桨和传动轴等零件组成，动力转换系统位于发动机之后。在不同的工作模式下通过动力通断装置使动力切换至不同的传递路径，达到分布驱动地面行驶系统和空中飞行系统。
        2.2其他电气系统设计要求
        航电系统主要实现的功能是导航、人机交换、告警。主要电气设备包括GPS定位模块、报警器，以及与之相关的仪表和多功能显示器。在飞机模式下航电系统通过人机界面向驾驶员提供完整的数据信息使驾驶员随时掌握飞行姿态和导航信息，驾驶员可以通过导航信息快速了解当前位置和航向。
        多功能显示器与GPS相连，可显示周边的地面设施信息，汽车模式下可作为倒车摄像显示。告警器传感器的一个终端设备，传感器把采集的数据传输到计算机，然后再通过告警器发出相应信号，其作用是飞机故障或极限操作情况下提醒驾驶员应采取相应的措施。

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        照明系统是由内部照明系统和外部照明系统组成。内部照明设备包含四台座舱内的泛光灯，外部照明设备包括两台向前近光灯、两台向前远光灯、四台转向灯、两台航行灯、三台向后指示灯。
发动机电气部分包括涡轮增压控制装置(TCU)、伺服机、报警指示灯、继电器、绝缘开关以及压力传感器，TCU的作用是根据油门的大小控制进气的压力，增压的大小由油门位置的传感器来决定的，TCU伴随发动机同时启动。报警指示灯反应TCU或其外围设备的健康状况，当指示灯闪烁或亮起则TCU或外围设备出现故障。
        启动系统包括一个启动电机，它直接由蓄电池供电，拧动启动钥匙启动电机带动发动机启动。启动电机的扭矩和转速要略大于发动机，这样会使启动时间大大缩短。
        3.供电及电气系统框架设计
        3.1供电系统设计
        轻型飞机供电系统的主要作用是把输入的电能经过供电网络的转化和分流，分配到需要用电的各个设备上。还具有保护功能，当电源或电网中的某一环节出现故障，供电系统能自动切除故障，保证正常的电气设备免受其害。轻型飞机中输电导线和电缆组成了整机的电网，其中汇流条的作用是分配和汇聚电能，它也是电网的重要组成部分。轻型飞机中，依照经济性和简洁性的原则电源和用电设备共用一个汇流条。这个汇流条一方面作为电源汇流条，飞机电源中发电机的输出电能汇聚于此，另一方面所有的用电系统也连接于此汇流条，用电设备的电能需求来源于此，所以此汇流条还具有向外输送电流的功能。电源与汇流条之间连接的线路通常称之为供电电网，用电设备与汇流条之间连接的导线线路通常称为配电电网。除了用电设备和导线外，电网中控制部件也是必不可少的，包括开关设备、调节器、继电器等。
        在直流供电系统飞机上，配电系统采用单线制或双线制。单线制网络供电中，发电机的正极采用导线，负极与飞机金属外壳相连，所以飞机的金属结构作为用电设备的负极。双线制电网，发电机与用电设备正负端均采用导线。在现代飞机只有局部用电设备会采用双线制，例如一些用电设备的负线与飞机机壳不能良好接触。单发动机的供电系统采用单发电通道，在系统中主发电机先向主汇流条供电，然后再由主汇流条向两个直流汇流条和蓄电池供电，蓄电池仅向蓄电池汇流条和备用汇流条供电。单发电通道系统相比于多发电通道具有这些特点:可得最小系统的质量和体积；成本低；系统维护方便，易于排除故障；系统复杂程度低。缺点是完成任务的能力低。
        3.2电气系统框架设计
        轻型飞机的电气系统必须兼备汽车和飞机两面性。一方面要满足在汽车模式下正常的照明、启动、检测、娱乐等基本功能，另一方面也要满足在飞机模式下报警、通信、导航、数据采集等功能。模式转换系统是汽车和飞机两种模式相互转换的执行机构，是电气系统的核心系统，它的配电的质量和可靠性应放在极其重要的位置，其可靠性关系到整机的飞行安全。各系统的供电线路要尽可能简化，所用器件要尽可能少，可靠性尽可能高，非常重要的系统要多余度供电。
        结束语
        轻型飞机电气系统的关键技术还未成熟，目前还处于起步探索阶段，供电技术所包含的方面比较宽广，本文只是针对现有的条件做了基础性的设计和研究。对更可靠更安全更简洁的方法还需在进行深入地了解和研究，电源系统还需再深刻的优化，使其破除条件限制，发电机可自由连接使用。
参考文献
[1]李毅波,林鹏,陶晓洋,等.空地两用燃料电池轻型飞机总体参数设计与建模[J].飞机设计,2016,036(005):29-33.
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[3]李文举.某轻型飞机供电及电气系统设计研究[D].2016.
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