余榮良，尹超華

(中國直升機(jī)設(shè)計(jì)研究所，江西景德鎮(zhèn)，333001)

1 背景

大多數(shù)直升機(jī)執(zhí)行飛行任務(wù)之前，都需要使用地面電源做飛行前檢查，檢查完一切正常后方可起動直升機(jī)。直升機(jī)起動之后，飛行之前，需要地勤人員手動拔下地面電源插頭，此時(shí)直升機(jī)上機(jī)載用電設(shè)備由地面電源供電轉(zhuǎn)換至機(jī)載電源供電。GJB181對地面電源供電與機(jī)載電源供電之間的轉(zhuǎn)換時(shí)間要求為不大于50ms。

由于供電系統(tǒng)控制邏輯大多比較復(fù)雜，多數(shù)直升機(jī)在設(shè)計(jì)初期地面電源供電轉(zhuǎn)換至機(jī)載電源供電時(shí)都無法滿足轉(zhuǎn)換時(shí)間不大于50ms的要求，只有在設(shè)計(jì)后期通過在機(jī)載用電設(shè)備內(nèi)部增加大電容或在供電系統(tǒng)構(gòu)型中增加電源轉(zhuǎn)換盒等方法來保證機(jī)載用電設(shè)備轉(zhuǎn)電時(shí)正常工作。這樣不但增加了機(jī)載用電設(shè)備和供電系統(tǒng)的重量，還提高了直升機(jī)的設(shè)計(jì)成本。

本文提出了一種能降低直升機(jī)電源轉(zhuǎn)換時(shí)間的設(shè)計(jì)，該設(shè)計(jì)簡單易行，沒有任何負(fù)面效果，且能有效的降低直升機(jī)電源轉(zhuǎn)換時(shí)間。

2 設(shè)計(jì)方法

該設(shè)計(jì)方法主要包含以下內(nèi)容：

（1）供電系統(tǒng)初步設(shè)計(jì)時(shí)，選用兩長一短設(shè)計(jì)方式的地面電源插座，其中兩根長針用作地面電源的供電電源針，分別定義為電源正和電源負(fù)，短針用作地面電源的信號電源針，定義為信號正。短針比長針短約2～3cm；

（2）供電系統(tǒng)詳細(xì)設(shè)計(jì)時(shí)，設(shè)置一個(gè)地面電源控制繼電器，并將地面電源控制繼電器線圈正端與短針關(guān)聯(lián)，用短針的狀態(tài)代表地面電源的供電狀態(tài)（實(shí)際上長針才是地面電源的供電電源針，長針的狀態(tài)才代表地面電源的供電狀態(tài)），即短針脫開時(shí)，機(jī)載電源就開始連接機(jī)上電網(wǎng)，長針脫開時(shí)，地面電源才斷開機(jī)上電網(wǎng)。

以AC311A直升機(jī)供電系統(tǒng)為例，地勤人員手動拔下地面電源插頭時(shí)，直升機(jī)上機(jī)載用電設(shè)備由地面電源供電轉(zhuǎn)換至機(jī)載電源供電，供電系統(tǒng)轉(zhuǎn)換邏輯如圖1所示。

供電系統(tǒng)轉(zhuǎn)換邏輯中各步驟詳細(xì)過程如下：

（1）步驟A：地面電源插座長針脫開地面電源插頭→地面電源接觸器斷開；

圖1 供電系統(tǒng)轉(zhuǎn)換邏輯

（2）步驟B：地面電源插座短針脫開地面電源插頭→地面電源控制繼電器斷開；

（3）步驟C：地面電源控制繼電器斷開→蓄電池接觸器吸合，蓄電池連接機(jī)上電網(wǎng)；

（4）步驟D：地面電源控制繼電器斷開→發(fā)電機(jī)控制器給出發(fā)電機(jī)接觸器吸合指令；

（5）步驟E：發(fā)電機(jī)控制器給出發(fā)電機(jī)并網(wǎng)指令→發(fā)電機(jī)接觸器吸合，發(fā)電機(jī)連接機(jī)上電網(wǎng)；

（6）步驟F：地面電源控制繼電器斷開→卸載接觸器斷開，正常匯流條斷開機(jī)上電網(wǎng)；

（7）步驟G：發(fā)電機(jī)接觸器吸合→卸載接觸器吸合，正常匯流條連接機(jī)上電網(wǎng)。

根據(jù)地勤人員手動拔下地面電源插頭的實(shí)際情況，分析可知：

（1）步驟B優(yōu)先于步驟A發(fā)生，兩步驟的開始時(shí)間間隔（T）與長短針之間的長度差（D）和地勤人員手動拔下地面電源插頭時(shí)的速度（V）有關(guān)，T=D/V；

（2）步驟B開始時(shí)，機(jī)載電源就開始連接機(jī)上電網(wǎng)，步驟A開始時(shí)，地面電源才斷開機(jī)上電網(wǎng)，這個(gè)時(shí)間差設(shè)計(jì)是本設(shè)計(jì)方法區(qū)別與其他設(shè)計(jì)方法的關(guān)鍵；

（3）若發(fā)電機(jī)接觸器吸合時(shí)間與蓄電池接觸器吸合時(shí)間一致（實(shí)際上發(fā)電機(jī)接觸器和蓄電池接觸器型號一致，僅需考慮接觸器個(gè)體差異，兩者吸合時(shí)間差距極小，基本可認(rèn)為一致），則蓄電池會比發(fā)電機(jī)早一步連接機(jī)上電網(wǎng)，即步驟C優(yōu)先于步驟E結(jié)束，兩步驟的結(jié)束時(shí)間間隔為步驟D的執(zhí)行時(shí)間，即發(fā)電機(jī)控制器的響應(yīng)時(shí)間；

（4）步驟A開始時(shí)，地面電源斷開機(jī)上電網(wǎng)，應(yīng)急匯流條斷電；步驟C結(jié)束時(shí)，蓄電池連接機(jī)上電網(wǎng)，應(yīng)急匯流條由蓄電池供電；步驟E結(jié)束時(shí)，發(fā)電機(jī)連接機(jī)上電網(wǎng)，應(yīng)急匯流條由發(fā)電機(jī)供電。因此應(yīng)急匯流條的轉(zhuǎn)電時(shí)間為步驟C結(jié)束時(shí)間與步驟A開始時(shí)間之差；

（5）步驟A開始時(shí)，地面電源斷開機(jī)上電網(wǎng)，正常匯流條斷電；步驟F結(jié)束時(shí)，卸載接觸器斷開，正常匯流條也會斷電；步驟G結(jié)束時(shí)，發(fā)電機(jī)已并網(wǎng)，且卸載接觸器吸合，正常匯流條由發(fā)電機(jī)供電。因此正常匯流條的轉(zhuǎn)電時(shí)間為步驟G結(jié)束時(shí)間與步驟A開始時(shí)間或步驟F結(jié)束時(shí)間之差中的較大值。

為進(jìn)行電源轉(zhuǎn)換時(shí)間的理論計(jì)算，我們進(jìn)行如下定義：

（1）經(jīng)查詢接觸器與繼電器產(chǎn)品樣本后取均值，定義繼電器斷開時(shí)間為5ms，繼電器吸合時(shí)間為5ms，接觸器斷開時(shí)間為10ms，接觸器吸合時(shí)間為15ms，發(fā)電機(jī)控制器內(nèi)部轉(zhuǎn)換時(shí)間為5ms（內(nèi)部通過繼電器轉(zhuǎn)換）；

（2）定義地面電源插座短針比長針短3cm，地勤人員手動拔下地面電源插頭的速度為2m/s；

（3）定義上述各步驟開始時(shí)間為Txs，結(jié)束時(shí)間為Txf，（x為步驟號，s=start，f=finish），以步驟A為例，步驟A的開始時(shí)間為Tas，結(jié)束時(shí)間為Taf；

（4）定義地面電源插座短針脫開地面電源插頭的時(shí)間為時(shí)間零點(diǎn)。

根據(jù)上述定義，計(jì)算得知電源轉(zhuǎn)換過程中主要事件與時(shí)間節(jié)點(diǎn)如下：

（1）地面電源插座：第0ms時(shí)地面電源插座短針脫開地面電源插頭，第15ms時(shí)地面電源插座長針脫開地面電源插頭；

（2）發(fā)電機(jī)：第5ms時(shí)地面電源控制繼電器斷開，第10ms時(shí)發(fā)電機(jī)控制器給發(fā)電機(jī)接觸器吸合指令，第25ms時(shí)發(fā)電機(jī)接觸器吸合，發(fā)電機(jī)連接機(jī)上電網(wǎng)；

（3）蓄電池：第5ms時(shí)地面電源控制繼電器斷開，第20ms時(shí)蓄電池接觸器吸合，蓄電池連接機(jī)上電網(wǎng)；

（4）地面電源：第15ms時(shí)地面電源插座長針脫開地面電源插頭，地面電源斷開機(jī)上電網(wǎng)，第30ms時(shí)地面電源接觸器斷開；

（5）應(yīng)急匯流條：第15ms時(shí)地面電源插座長針脫開地面電源插頭，地面電源斷開機(jī)上電網(wǎng)，應(yīng)急匯流條斷電，第20ms時(shí)蓄電池接觸器吸合，蓄電池連接機(jī)上電網(wǎng)，應(yīng)急匯流條由蓄電池供電，

第25ms時(shí)發(fā)電機(jī)接觸器吸合，發(fā)電機(jī)連接機(jī)上電網(wǎng)，應(yīng)急匯流條由發(fā)電機(jī)供電，應(yīng)急匯流條轉(zhuǎn)電時(shí)間：

（6）正常匯流條：第15ms時(shí)地面電源插座長針脫開地面電源插頭，地面電源斷開機(jī)上電網(wǎng)，正常匯流條斷電；另外第5ms時(shí)地面電源控制繼電器斷開，第15ms時(shí)卸載接觸器斷開，正常匯流條也會斷電，第25ms時(shí)發(fā)電機(jī)接觸器吸合，發(fā)電機(jī)連接機(jī)上電網(wǎng)，第40ms時(shí)卸載接觸器吸合，正常匯流條由發(fā)電機(jī)供電，正常匯流條轉(zhuǎn)電時(shí)間：

通過理論計(jì)算可知，應(yīng)急匯流條轉(zhuǎn)電之間為5ms，正常匯流條轉(zhuǎn)電時(shí)間為25ms。實(shí)際電源轉(zhuǎn)換過程中，由于地勤人員手動拔下地面電源插頭的速度不一樣，以及繼電器、接觸器的斷開、吸合時(shí)間會有一點(diǎn)差異，實(shí)際電源轉(zhuǎn)換時(shí)間與理論計(jì)算可能會有一些偏差。

電源轉(zhuǎn)換過程中主要事件與時(shí)間節(jié)點(diǎn)圖如圖2，圖中實(shí)線表示連接機(jī)上電網(wǎng)，虛線表示斷開機(jī)上電網(wǎng)。

3 實(shí)用案例

目前，本設(shè)計(jì)方法已成功應(yīng)用在國產(chǎn)AC311A民用直升機(jī)上。該直升機(jī)選用的地面電源插座為國營117廠生產(chǎn)的PJ-500A型直流地面電源插座。經(jīng)實(shí)際測試，AC311A直升機(jī)由地面電源轉(zhuǎn)換至機(jī)載電源供電時(shí)，應(yīng)急匯流條轉(zhuǎn)換時(shí)間約0～5ms，已基本實(shí)現(xiàn)不間斷供電，正常匯流條轉(zhuǎn)換時(shí)間約20～25ms，滿足GJB181中關(guān)于地面電源供電與機(jī)載電源供電之間的轉(zhuǎn)換時(shí)間要求不大于50ms的要求。

圖2 電源轉(zhuǎn)換過程中主要事件與時(shí)間節(jié)點(diǎn)

AC311A直升機(jī)于2013年開始設(shè)計(jì)，2014年開始試飛驗(yàn)證，2016年取得型號合格證（TC證）并通過AEG審查。目前，以該機(jī)型為平臺設(shè)計(jì)的某輕型武裝直升機(jī)和某輕型教練機(jī)均處于改裝試飛階段，準(zhǔn)備交付使用。

4 結(jié)論

本文提出的設(shè)計(jì)方法實(shí)際可行，簡單易行，沒有任何負(fù)面效果，且能有效的降低直升機(jī)電源轉(zhuǎn)換時(shí)間，適用于大部分直升機(jī)。