李開(kāi)省

(航空工業(yè)中航機(jī)載系統(tǒng)有限公司，北京 100028)

隨著我國(guó)“一帶一路”戰(zhàn)略的實(shí)施，大型飛機(jī)技術(shù)的研究顯得越來(lái)越重要。在大型飛機(jī)中，電力系統(tǒng)隨著多電飛機(jī)技術(shù)、電推進(jìn)技術(shù)的發(fā)展，已經(jīng)成為未來(lái)大型飛機(jī)重點(diǎn)發(fā)展的系統(tǒng)。同時(shí)，電推進(jìn)技術(shù)、新型電池儲(chǔ)能技術(shù)的發(fā)展，使電動(dòng)飛機(jī)成為可能。因此，對(duì)大型飛機(jī)電力系統(tǒng)的研究是重中之重。

大型飛機(jī)電力系統(tǒng)的發(fā)展是一項(xiàng)全新的科技，它改變了傳統(tǒng)的飛機(jī)設(shè)計(jì)理念，是對(duì)大型飛機(jī)發(fā)展的一次革命。由于電能成為飛機(jī)上重要的能源體，極大地提高了飛機(jī)的可靠性和可維護(hù)性，飛機(jī)電力系統(tǒng)測(cè)控技術(shù)也隨之成為未來(lái)飛機(jī)發(fā)展的重點(diǎn)。下面就大型飛機(jī)電力系統(tǒng)及測(cè)控技術(shù)需求進(jìn)行一些初步研究與探討，以加速我國(guó)大型飛機(jī)技術(shù)快速發(fā)展。

1 大型飛機(jī)電力系統(tǒng)與相關(guān)系統(tǒng)的關(guān)系和頂層要求

電力系統(tǒng)承擔(dān)著飛機(jī)上電能產(chǎn)生、電能分配、電能輸送、電能變換和電作動(dòng)等功能，它與飛機(jī)的機(jī)體結(jié)構(gòu)、航電系統(tǒng)、環(huán)控系統(tǒng)等密切相關(guān)。同時(shí)，它又與飛行員和機(jī)組人員、機(jī)務(wù)地勤人員和地面保障等密切相關(guān)。只有深入了解頂層需求，才能明確未來(lái)大型飛機(jī)電力系統(tǒng)測(cè)控技術(shù)需求的正確方向，不是為了測(cè)試而測(cè)試，而是基于飛機(jī)電力系統(tǒng)需求來(lái)進(jìn)行飛機(jī)測(cè)控技術(shù)研究。

大型飛機(jī)電力系統(tǒng)和飛機(jī)上其他系統(tǒng)利益攸關(guān)關(guān)系如圖1所示。

圖1 大型飛機(jī)電力系統(tǒng)和其他系統(tǒng)利益攸關(guān)關(guān)系圖

目前，大型飛機(jī)對(duì)電力系統(tǒng)提出了新的功能需求。為了提高效率，一般要求電力系統(tǒng)為變頻交流電力系統(tǒng)，同時(shí)發(fā)電系統(tǒng)具備起動(dòng)和發(fā)電雙功能，能夠?qū)︼w機(jī)進(jìn)行自動(dòng)管理。隨著電力電子技術(shù)的快速發(fā)展，盡可能采用固態(tài)配電技術(shù)，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的故障容錯(cuò)、重構(gòu)和管理，以及系統(tǒng)的高功重比、低功耗。

在大型飛機(jī)中，對(duì)電力系統(tǒng)的安全性方面提出了3條要求：① 在全部階段，所有電力系統(tǒng)失效的概率應(yīng)小于1E-9每飛行小時(shí)；② 全部四套電力系統(tǒng)失效的概率應(yīng)小于1E-8每飛行小時(shí)；③ 全部一套電力系統(tǒng)失效概率應(yīng)小于1E-3每飛行小時(shí)。因此，可以看出，大型飛機(jī)對(duì)電力系統(tǒng)提出了更加嚴(yán)格的安全性要求。

2 大型飛機(jī)電力系統(tǒng)功能架構(gòu)和可借鑒的范式

大型飛機(jī)電力系統(tǒng)的功能架構(gòu)如圖2所示，是一個(gè)獨(dú)立的電力系統(tǒng)，也被稱為獨(dú)立電網(wǎng)絡(luò)，它有獨(dú)立電網(wǎng)所具有的一切特征。同時(shí)，與地面獨(dú)立電網(wǎng)相比，它更加復(fù)雜、難度更大，這是由于飛機(jī)獨(dú)立電網(wǎng)絡(luò)用電設(shè)備都在飛機(jī)體內(nèi)布局，用電設(shè)備種類繁多、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、體積小、效率高、功率密度大。并且，大型飛機(jī)電力系統(tǒng)對(duì)電網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定性、電磁兼容性和噪聲提出了嚴(yán)格要求。一般情況下，它由以下幾個(gè)部分組成：高效的起動(dòng)/發(fā)電系統(tǒng)、一次配電系統(tǒng)、高效電力變換和二次配電系統(tǒng)以及用電設(shè)備和高效儲(chǔ)能系統(tǒng)。

圖2 大型飛機(jī)電力系統(tǒng)的功能架構(gòu)

下面以多電波音787飛機(jī)作為可借鑒的范式為例，詳細(xì)分析它的功能架構(gòu)。

波音787飛機(jī)電力系統(tǒng)采用4套250 kVA主變頻交流起動(dòng)/發(fā)電系統(tǒng)構(gòu)型，輔助發(fā)電系統(tǒng)采用2套225 kVA交流起動(dòng)/發(fā)電系統(tǒng)構(gòu)型，應(yīng)急發(fā)電系統(tǒng)是50 kVA交流發(fā)電系統(tǒng)構(gòu)型，總發(fā)電容量達(dá)到1500 kVA，是一座真正的空中電站，也是一架真正的多電飛機(jī)。

主變頻交流電力系統(tǒng)采用四余度，進(jìn)一步加強(qiáng)了飛機(jī)的安全性。采用230 V主變頻交流供電，使飛機(jī)的電網(wǎng)質(zhì)量極大地降低，取消了飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)引氣和燃?xì)鉁u輪起動(dòng)機(jī)，采用電起動(dòng)、電作動(dòng)、電環(huán)控、電防冰和電剎車等先進(jìn)技術(shù)，大量采用了電力電子技術(shù)和各種先進(jìn)變換技術(shù)，使飛機(jī)朝著更加智能化的方向邁進(jìn)。

主配電系統(tǒng)采用±270 V直流配電，使飛機(jī)電網(wǎng)更加簡(jiǎn)化；配電系統(tǒng)大量采用固態(tài)器件，使飛機(jī)配電系統(tǒng)更加快速、智能和可靠，系統(tǒng)容錯(cuò)和重構(gòu)能力進(jìn)一步加強(qiáng)。同時(shí)，大量采用電子斷路器，使飛機(jī)系統(tǒng)的性能得到了提升。采用自動(dòng)負(fù)載管理的新技術(shù)，使用電更加合理。高效的儲(chǔ)能電池第一次采用鋰離子電池，使飛機(jī)儲(chǔ)能密度進(jìn)一步增大；充放電采用智能計(jì)數(shù)機(jī)控制技術(shù)，使電池充放電更加合理、飛機(jī)電池壽命進(jìn)一步延長(zhǎng)。

3 大型飛機(jī)電力系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)

(1) 大功率高速油冷起動(dòng)/發(fā)電設(shè)計(jì)技術(shù)。

由于航空起動(dòng)/發(fā)電機(jī)設(shè)計(jì)要求體積小、質(zhì)量輕、工作可靠，電機(jī)設(shè)計(jì)要考慮發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)特性又要考慮發(fā)電特性，因此，起動(dòng)/發(fā)電機(jī)設(shè)計(jì)技術(shù)難度大，該技術(shù)成為大型飛機(jī)電力系統(tǒng)的核心和關(guān)鍵技術(shù)之一。

(2) 大型飛機(jī)電力系統(tǒng)魯棒性設(shè)計(jì)技術(shù)。

由于大型飛機(jī)電力系統(tǒng)是一個(gè)獨(dú)立電網(wǎng)，電子非線性負(fù)載大量使用，需要發(fā)電系統(tǒng)能夠承受各種各樣負(fù)載的變化，同時(shí)，電網(wǎng)的諧波和噪聲加大，對(duì)獨(dú)立電網(wǎng)的穩(wěn)定運(yùn)行造成很大的困難，需要電力系統(tǒng)能夠承受負(fù)載非線性變化造成的影響，因此，魯棒性電力系統(tǒng)設(shè)計(jì)是大型飛機(jī)電力系統(tǒng)的核心和關(guān)鍵技術(shù)之一。

(3) 大型飛機(jī)電力系統(tǒng)固態(tài)配電技術(shù)。

由于大型飛機(jī)負(fù)載越來(lái)越多，負(fù)載控制與轉(zhuǎn)換需要配電系統(tǒng)速度更快、效率更高且更加可靠，因此，越來(lái)越多的轉(zhuǎn)換部件由原來(lái)的有接觸點(diǎn)部件更換為無(wú)觸點(diǎn)固態(tài)器件。同時(shí)，飛機(jī)更加智能化需要配電系統(tǒng)具備容錯(cuò)和重構(gòu)功能，因此，固態(tài)配電技術(shù)是大型飛機(jī)電力系統(tǒng)的核心和關(guān)鍵技術(shù)之一。

(4) 大型飛機(jī)電力系統(tǒng)電力變換技術(shù)。

由于電壓的品種越來(lái)越多，直流、交流及各種電壓的轉(zhuǎn)換成為大型飛機(jī)電力系統(tǒng)的關(guān)鍵。由于電力電子技術(shù)的快速發(fā)展特別是耐高溫電力電子技術(shù)的快速發(fā)展，使大型飛機(jī)電力轉(zhuǎn)換體積更小、效率更高，特別是碳化硅電力電子器件的應(yīng)用，使整個(gè)電力電子系統(tǒng)進(jìn)行了一次革命，因此，耐高溫電力電子技術(shù)是大型飛機(jī)電力系統(tǒng)的核心和關(guān)鍵技術(shù)之一。

(5) 大型飛機(jī)電力系統(tǒng)儲(chǔ)能技術(shù)。

由于大型飛機(jī)電力系統(tǒng)用電量越來(lái)越多，儲(chǔ)能技術(shù)就成為大型飛機(jī)電力系統(tǒng)的核心，使用能量密度大、充放電時(shí)間短的電池是飛機(jī)電力系統(tǒng)的最佳選擇。未來(lái)，隨著電推進(jìn)技術(shù)的發(fā)展，電池成為飛機(jī)的主要?jiǎng)恿Γ藗儠?huì)真正走進(jìn)電動(dòng)飛機(jī)的綠色航空時(shí)代。因此，鋰離子電池的應(yīng)用和快速充放電技術(shù)是大型飛機(jī)電力系統(tǒng)的核心和關(guān)鍵技術(shù)之一。

4 大型飛機(jī)電力系統(tǒng)測(cè)控技術(shù)

對(duì)大型飛機(jī)的電力系統(tǒng)從利益攸關(guān)方、可借鑒的范式和大型飛機(jī)的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了初步的探討，其中更為重要的是對(duì)大型飛機(jī)的測(cè)控技術(shù)需求進(jìn)行分析探討，為未來(lái)飛機(jī)電力系統(tǒng)發(fā)展做出貢獻(xiàn)。

大型飛機(jī)電力系統(tǒng)技術(shù)隨著飛機(jī)多電、全電和電動(dòng)化的發(fā)展越來(lái)越重要，未來(lái)大型飛機(jī)的電動(dòng)化是發(fā)展趨勢(shì)，因而飛機(jī)電力系統(tǒng)就成為未來(lái)飛機(jī)發(fā)展的重中之重，飛機(jī)電力系統(tǒng)測(cè)控技術(shù)也會(huì)成為未來(lái)飛機(jī)發(fā)展的重點(diǎn)。大型飛機(jī)電力系統(tǒng)的發(fā)展核心是聚焦大功率電機(jī)、電力系統(tǒng)變換與控制和動(dòng)力電池(也就是通常說(shuō)的三電)，它比電動(dòng)汽車或其他電動(dòng)交通工具電力系統(tǒng)的研制更為困難和復(fù)雜，因?yàn)轱w機(jī)電力系統(tǒng)隨著飛機(jī)進(jìn)入高空飛行，在高空的條件下要承受更加嚴(yán)苛的自然環(huán)境條件。因此，對(duì)大型飛機(jī)電力系統(tǒng)在地面常溫環(huán)境、高空、振動(dòng)等條件下的測(cè)試和控制就顯得更加迫切。下面就大型飛機(jī)的測(cè)控需求從三電的角度進(jìn)行分析探討。

4.1 大功率起動(dòng)/發(fā)電機(jī)的測(cè)控需求和核心技術(shù)簡(jiǎn)介

大型飛機(jī)起動(dòng)/發(fā)電機(jī)實(shí)際上在飛機(jī)起動(dòng)狀態(tài)時(shí)是電動(dòng)機(jī)，在正常工作狀態(tài)時(shí)是發(fā)電機(jī)；未來(lái)大型飛機(jī)實(shí)現(xiàn)混動(dòng)和電動(dòng)推進(jìn)系統(tǒng)，電動(dòng)機(jī)就是飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)或者發(fā)動(dòng)機(jī)的一部分，因此，電機(jī)測(cè)試技術(shù)是飛機(jī)的核心和關(guān)鍵，它的測(cè)控需求的梳理關(guān)系到大型飛機(jī)研制成敗。初步梳理的需求如下。

(1) 大功率電動(dòng)機(jī)測(cè)控需求：① 電動(dòng)機(jī)效率的測(cè)試；② 電動(dòng)機(jī)輸出扭矩的測(cè)試；③ 電動(dòng)機(jī)及核心部件發(fā)熱的測(cè)試和溫度監(jiān)控；④ 電動(dòng)機(jī)功重比的測(cè)試與分析；⑤ 電動(dòng)機(jī)輸入電壓的測(cè)試；⑥ 電動(dòng)機(jī)輸入電流的測(cè)試；⑦ 電動(dòng)機(jī)輸出功率的測(cè)試；⑧ 電動(dòng)機(jī)輸出轉(zhuǎn)速的測(cè)試；⑨ 電動(dòng)機(jī)健康狀況的測(cè)試分析與監(jiān)控。

(2) 大功率發(fā)電機(jī)測(cè)控需求：① 發(fā)電機(jī)效率的測(cè)試；② 發(fā)電機(jī)輸出電壓的測(cè)試；③ 發(fā)電機(jī)輸出電流的測(cè)試；④ 發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速的測(cè)試；⑤ 發(fā)電機(jī)輸出功率的測(cè)試；⑥ 發(fā)電機(jī)及核心部件發(fā)熱的測(cè)試和溫度監(jiān)控；⑦ 發(fā)電機(jī)功重比的測(cè)試與分析；⑧ 發(fā)電機(jī)輸入電壓諧波含量的測(cè)試；⑨ 發(fā)電機(jī)健康狀況的測(cè)試分析與監(jiān)控。

在多電和全電飛機(jī)的測(cè)控中，核心測(cè)控技術(shù)是要測(cè)試出發(fā)動(dòng)機(jī)的實(shí)際扭力曲線，然后，電動(dòng)機(jī)的控制起動(dòng)曲線要和發(fā)動(dòng)機(jī)扭力曲線相吻合，能否精確測(cè)量二者的扭力曲線，進(jìn)而由電動(dòng)機(jī)模擬發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)特性，是多電和全電飛機(jī)電力系統(tǒng)成功的關(guān)鍵；在電動(dòng)飛機(jī)中，以螺旋槳飛機(jī)為例，要精確測(cè)出飛機(jī)螺旋槳的扭力曲線和特性，然后電動(dòng)機(jī)的扭力曲線要和螺旋槳的扭力曲線吻合，是電動(dòng)飛機(jī)成功的關(guān)鍵?；靹?dòng)飛機(jī)的測(cè)控核心技術(shù)這里不做詳述，它是上述二者測(cè)控技術(shù)的集合。

4.2 電力變換和分配控制系統(tǒng)的測(cè)控需求和部分核心技術(shù)簡(jiǎn)介

大型飛機(jī)的電力變換和分配控制系統(tǒng)實(shí)際上就是飛機(jī)的電力系統(tǒng)控制中心。對(duì)混動(dòng)和電動(dòng)飛機(jī)來(lái)說(shuō)就是飛機(jī)能源控制的中心，控制著整個(gè)飛機(jī)的推進(jìn)動(dòng)力，是混動(dòng)和電動(dòng)飛機(jī)的核心和關(guān)鍵。對(duì)其測(cè)控需求的梳理關(guān)系到混動(dòng)和電動(dòng)飛機(jī)研制的成敗。

初步梳理的系統(tǒng)需求如下：① 大型飛機(jī)電力系統(tǒng)諧波的測(cè)試與控制；② 大型飛機(jī)電力系統(tǒng)電磁兼容的測(cè)試與控制；③ 大型飛機(jī)電力系統(tǒng)穩(wěn)定性的測(cè)試；④ 大型飛機(jī)電力系統(tǒng)動(dòng)態(tài)電壓、電流和恢復(fù)時(shí)間的測(cè)試；⑤ 電力變換和分配系統(tǒng)及關(guān)鍵部件溫度的測(cè)試和監(jiān)控；⑥ 電力變換和分配系統(tǒng)效率的測(cè)試；⑦ 電力變換和分配系統(tǒng)功率密度的測(cè)試；⑧ 電力變換和分配系統(tǒng)邏輯功能的測(cè)試；⑨ 電力變換和分配系統(tǒng)輸入和輸出電壓、電流的測(cè)試；⑩ 電力變換和分配系統(tǒng)隨外界環(huán)境變化的測(cè)試。

對(duì)于電力變換和分配系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，電力變換部分的效率測(cè)控是非常復(fù)雜的，它和電力變換部分的熱設(shè)計(jì)、冷卻方式和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)密切相關(guān)，對(duì)變換器溫度的測(cè)控關(guān)系到電力變換系統(tǒng)的可靠性，而且測(cè)試點(diǎn)的選擇非常重要，關(guān)系到測(cè)試的精度和可信度。

功率密度的測(cè)試是電力變換系統(tǒng)的重要指標(biāo)，它和電力系統(tǒng)的效率測(cè)試一樣，與電力變換系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、熱設(shè)計(jì)和冷卻方式密切相關(guān)，功率密度決定著電力變換系統(tǒng)水平，特別是寬禁帶器件的使用，極大地提升了電力變換部分效率和功率密度。

分配控制系統(tǒng)的測(cè)試主要是對(duì)固態(tài)功率器件和控制邏輯的測(cè)試，對(duì)飛機(jī)電力系統(tǒng)電磁兼容性能的測(cè)試有許多國(guó)際的標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范，這部分是電力系統(tǒng)控制的中心，測(cè)試方法和測(cè)試點(diǎn)的選取非常關(guān)鍵，往往是測(cè)試精度和可信度的關(guān)鍵，要通過(guò)理論計(jì)算和實(shí)際試驗(yàn)來(lái)確定。

4.3 動(dòng)力電池的測(cè)控需求和核心測(cè)控技術(shù)簡(jiǎn)介

大型飛機(jī)的動(dòng)力電池對(duì)多電飛機(jī)來(lái)說(shuō)是飛機(jī)的應(yīng)急能量來(lái)源，對(duì)于混動(dòng)和電動(dòng)飛機(jī)來(lái)說(shuō)，動(dòng)力電池是飛機(jī)的主要能量來(lái)源，它儲(chǔ)存的能量決定了混動(dòng)和電動(dòng)飛機(jī)的續(xù)航里程，其能量密度是動(dòng)力電池的關(guān)鍵指標(biāo)之一，也是大型飛機(jī)電力系統(tǒng)的核心和關(guān)鍵，動(dòng)力電池狀況及測(cè)試需求的梳理關(guān)系到大型飛機(jī)的飛行安全。

初步梳理的需求如下：① 動(dòng)力電池充放電電壓的測(cè)試；② 動(dòng)力電池充放電電流的測(cè)試；③ 動(dòng)力電池充放電容量的測(cè)試；④ 動(dòng)力電池充放電溫度的測(cè)試與監(jiān)控；⑤ 動(dòng)力電池最大能量密度的測(cè)試；⑥ 動(dòng)力電池健康狀態(tài)的測(cè)試分析與監(jiān)控；⑦ 電力變換和分配系統(tǒng)外界溫度變化對(duì)動(dòng)力電池充放電影響的測(cè)試；⑧ 動(dòng)力電池各個(gè)單元之間電流均衡性的測(cè)試；⑨ 動(dòng)力電池外部短路的測(cè)試與監(jiān)控。

對(duì)于動(dòng)力電池系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，充放電管理和測(cè)控是其核心關(guān)鍵技術(shù)，如果充放電管理的控制精度不佳，容易造成電池系統(tǒng)充放電異常，甚至損壞電池系統(tǒng)。而如果充放電管理精度高，充電器功能齊全，就可以極大地延長(zhǎng)電池使用壽命，從而極大地延長(zhǎng)飛機(jī)壽命。因此，動(dòng)力電池的精確測(cè)控非常重要。

對(duì)電池充電時(shí)，要監(jiān)控和測(cè)試過(guò)充電保護(hù)、過(guò)放電保護(hù)、短語(yǔ)保護(hù)、過(guò)流保護(hù)、過(guò)壓保護(hù)和電池接反保護(hù)6種保護(hù)功能。

(1) 過(guò)充電保護(hù)。

當(dāng)充電器對(duì)動(dòng)力電池過(guò)充電時(shí)，為防止因溫度上升所導(dǎo)致的內(nèi)電壓上升，需終止充電狀態(tài)。為此，充電器須有電池?cái)?shù)據(jù)采集的功能，以監(jiān)控電池電壓，當(dāng)其達(dá)到電池的過(guò)充電電壓時(shí)，激活過(guò)沖保護(hù)功能，終止充電過(guò)程。

(2) 過(guò)放電保護(hù)。

飛機(jī)上的動(dòng)力電池系統(tǒng)應(yīng)該具有電池管理功能，其中應(yīng)該具有過(guò)放電保護(hù)等能力，這是由于動(dòng)力電池測(cè)控?cái)?shù)據(jù)非常重要。為了防止動(dòng)力電池進(jìn)入過(guò)放電狀態(tài)，當(dāng)動(dòng)力電池低于其過(guò)放電電壓檢測(cè)點(diǎn)時(shí)，激活過(guò)放電保護(hù)，終止電池系統(tǒng)放電，并將電池系統(tǒng)保持在低靜態(tài)電流待機(jī)模式。

(3) 過(guò)流及短路保護(hù)。

當(dāng)動(dòng)力電池系統(tǒng)檢測(cè)到放電電流過(guò)大或發(fā)生短路的時(shí)候，激活過(guò)流和短路保護(hù)，使電池終止放電，同時(shí)告警，找到過(guò)流和短路的原因，再重新工作。

動(dòng)力電池管理系統(tǒng)和充電系統(tǒng)是動(dòng)力電池系統(tǒng)的重要組成部分，而電池的測(cè)控技術(shù)是其重要的一環(huán)。好的電池管理系統(tǒng)能夠?qū)γ恳还?jié)電池的健康狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)控，及時(shí)終止損壞的電池繼續(xù)工作并斷開(kāi)電池，而不影響系統(tǒng)正常工作。這就需要?jiǎng)恿﹄姵叵到y(tǒng)具有數(shù)據(jù)采集(電芯充放電電壓和電流、電池組和系統(tǒng)的充放電電壓和電流等)、熱管理、安全管理、電芯及電池組之間均衡控制、狀態(tài)計(jì)算、系統(tǒng)能量管理和數(shù)據(jù)通信等功能。該系統(tǒng)還應(yīng)該包含電池充放電的精確處理算法，能自動(dòng)處理電池充放電以及電池發(fā)熱等問(wèn)題。因此，動(dòng)力電池的管理是未來(lái)電動(dòng)飛機(jī)的關(guān)鍵技術(shù)之一，而其測(cè)控技術(shù)是電動(dòng)飛機(jī)成功的關(guān)鍵，需要花費(fèi)大力氣來(lái)研究解決。

5 大型飛機(jī)電力系統(tǒng)的試驗(yàn)測(cè)試裝置實(shí)例

大型飛機(jī)電力系統(tǒng)的測(cè)試十分重要，但在我國(guó)還沒(méi)有系統(tǒng)地開(kāi)展。我國(guó)沒(méi)有大型飛機(jī)完整的電力系統(tǒng)的測(cè)試試驗(yàn)室，許多試驗(yàn)是在飛機(jī)的地面上和空中試驗(yàn)中來(lái)完成的，極大地增加了飛機(jī)的交付周期和風(fēng)險(xiǎn)；而且，試驗(yàn)往往不充分，飛機(jī)帶著問(wèn)題進(jìn)行試飛，質(zhì)量問(wèn)題經(jīng)常發(fā)生。因此，我國(guó)亟需建立大型飛機(jī)電力系統(tǒng)測(cè)試試驗(yàn)物理實(shí)驗(yàn)室，來(lái)滿足飛機(jī)研制的需要。下面以波音多電787飛機(jī)、混動(dòng)和電動(dòng)飛機(jī)電力系統(tǒng)測(cè)試試驗(yàn)為例，介紹大型飛機(jī)電力系統(tǒng)的測(cè)試試驗(yàn)。

5.1 波音787飛機(jī)測(cè)試試驗(yàn)裝置

大型飛機(jī)電力系統(tǒng)測(cè)試試驗(yàn)是非常關(guān)鍵的。美國(guó)波音787大型多電飛機(jī)的電力系統(tǒng)測(cè)試非常復(fù)雜，是波音787飛機(jī)成功的關(guān)鍵，它從飛機(jī)的仿真測(cè)試開(kāi)始、到整個(gè)飛機(jī)的物理測(cè)試，是把一架飛機(jī)實(shí)物進(jìn)行折疊設(shè)計(jì)了一個(gè)物理實(shí)驗(yàn)室來(lái)進(jìn)行驗(yàn)證，以確保波音787飛機(jī)成功。波音787飛機(jī)電力系統(tǒng)試驗(yàn)測(cè)試實(shí)驗(yàn)室如圖3所示。

圖3 波音787飛機(jī)電力系統(tǒng)試驗(yàn)測(cè)試實(shí)驗(yàn)室

大型飛機(jī)的電力系統(tǒng)是非常復(fù)雜的，系統(tǒng)的魯棒性和穩(wěn)定性與發(fā)電系統(tǒng)穩(wěn)定余度設(shè)計(jì)、電力變換和分配系統(tǒng)設(shè)計(jì)、飛機(jī)電纜的合理布局以及用電設(shè)備的特性等密切相關(guān)。它的測(cè)試和控制是非常復(fù)雜的。

5.2 混動(dòng)和電動(dòng)飛機(jī)測(cè)試試驗(yàn)裝置功能說(shuō)明

混動(dòng)和電動(dòng)飛機(jī)的測(cè)試技術(shù)研究是飛機(jī)技術(shù)發(fā)展的重要一環(huán)，其中世界各國(guó)都在對(duì)電動(dòng)飛機(jī)、混合動(dòng)力飛機(jī)的測(cè)試技術(shù)開(kāi)展創(chuàng)新性研究。世界上有很多基于燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)的飛機(jī)電力推進(jìn)系統(tǒng)試驗(yàn)設(shè)施，燃?xì)鉁u輪混合動(dòng)力推進(jìn)系統(tǒng)試驗(yàn)設(shè)施也在不斷進(jìn)步，但對(duì)于電動(dòng)飛機(jī)電力推進(jìn)系統(tǒng)技術(shù)的測(cè)試試驗(yàn)設(shè)施的研究剛剛開(kāi)始。目前，正在開(kāi)展未來(lái)航空運(yùn)輸?shù)母鞣N飛機(jī)電力推進(jìn)系統(tǒng)的架構(gòu)研究，但是這些新型架構(gòu)的研究在應(yīng)用到飛機(jī)上試飛之前，必須先在地面經(jīng)過(guò)各種大規(guī)模和大功率的嚴(yán)格試驗(yàn)和測(cè)試，以排除飛機(jī)存在的安全性問(wèn)題。

飛機(jī)電力推進(jìn)系統(tǒng)必須具有體積小、質(zhì)量輕和功率密度高的特點(diǎn)，而且必須滿足高壓、大功率和高空等嚴(yán)酷環(huán)境的要求，才能在飛機(jī)上使用，而這些條件是電動(dòng)汽車和其他交通運(yùn)輸工具未曾遇見(jiàn)過(guò)的。熱管理、容錯(cuò)控制、電磁干擾和諧波的抑制、系統(tǒng)的穩(wěn)定性與余度控制等都是電力系統(tǒng)給飛機(jī)設(shè)計(jì)帶來(lái)的新問(wèn)題，必須進(jìn)行充分和詳細(xì)科學(xué)的研究。

5.3 實(shí)際的混動(dòng)和電動(dòng)飛機(jī)電力系統(tǒng)測(cè)試試驗(yàn)裝置

為了填補(bǔ)在試驗(yàn)室和飛機(jī)實(shí)際飛行之間的測(cè)試驗(yàn)證空缺，美國(guó)NASA建造了一個(gè)試驗(yàn)設(shè)施——“NASA電動(dòng)飛機(jī)試驗(yàn)臺(tái)(NEAT)”，以實(shí)現(xiàn)未來(lái)單通道飛機(jī)全尺寸、實(shí)際飛行重量的動(dòng)力裝置在地面完成技術(shù)成熟度6級(jí)的試驗(yàn)測(cè)試，為電動(dòng)飛機(jī)實(shí)際飛行做好準(zhǔn)備。

NEAT是一個(gè)測(cè)試功率水平高達(dá)24 MW、匯流條電壓高達(dá)4500 V的完整電推進(jìn)系統(tǒng)測(cè)試試驗(yàn)臺(tái)。NEAT坐落于美國(guó)NASA格林研究中心Plumb Brook試驗(yàn)站，此前這里是美國(guó)超音速風(fēng)洞和核熱火箭測(cè)試設(shè)施的試驗(yàn)中心。

經(jīng)過(guò)翻新改建后，NASA于2017年9月在該設(shè)施中進(jìn)行了第一次低功耗測(cè)試，使用一對(duì)現(xiàn)成的電動(dòng)機(jī)來(lái)模擬通用電氣CF34渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)。NEAT現(xiàn)在配備了波音737大小電推進(jìn)動(dòng)力裝置來(lái)測(cè)試STARC-ABL(帶后邊界層推進(jìn)的單通道渦輪電推進(jìn)飛機(jī))。該機(jī)是NASA面向未來(lái)混合電動(dòng)客運(yùn)飛機(jī)的概念機(jī)。

STARC-ABL 電推進(jìn)系統(tǒng)的測(cè)試于2017年9月開(kāi)始，測(cè)試電功率為0.5 MW，到2018年增至2.6 MW，其他功率配置的試驗(yàn)隨后進(jìn)行。NASA格林中心的混合動(dòng)力電推進(jìn)技術(shù)主管羅杰·戴森說(shuō)：“從長(zhǎng)遠(yuǎn)來(lái)看，我們計(jì)劃對(duì)不同電氣化階段的150座級(jí)單通道客機(jī)的電推進(jìn)系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)試”。

NASA選擇Plum Brook作為NEAT所在地，是因?yàn)樗郧笆腔鸺郎y(cè)試設(shè)施和馬赫數(shù)7的風(fēng)洞，具有支持大功率常規(guī)和超導(dǎo)電推進(jìn)系統(tǒng)測(cè)試所需的功率和低溫冷卻的設(shè)施。

NASA在該設(shè)施翻新改建之后進(jìn)行了適度的初始試驗(yàn)，即運(yùn)行一對(duì)125 kW的電動(dòng)機(jī)和NASA開(kāi)發(fā)的控制軟件以及為NEAT安裝的設(shè)備進(jìn)行冷卻和其他試驗(yàn)。該測(cè)試還提供了系統(tǒng)電磁干擾的數(shù)據(jù)，以支持X-57“麥克斯韋”分布式電推進(jìn)驗(yàn)證機(jī)的開(kāi)發(fā)。X-57的功率為200 kW，與NEAT初始試驗(yàn)類似。該機(jī)已于2018年進(jìn)行試飛。

如圖4所示，NASA目前在設(shè)施內(nèi)安裝一個(gè)737機(jī)身和截?cái)嘁?，為全尺寸單通道電推進(jìn)系提供實(shí)物物理的布線和接線長(zhǎng)度。對(duì)于STARC-ABL配置，其中翼下渦輪風(fēng)扇的發(fā)電機(jī)在尾部驅(qū)動(dòng)涵道風(fēng)扇，之間的距離將達(dá)9.75 m，從翼根到尾部推進(jìn)器長(zhǎng)度為21.03 m。

圖4 NASA將737的機(jī)身和截?cái)嗟臋C(jī)翼安裝于NEAT

對(duì)于STARC-ABL測(cè)試，將尾部高度限制在6.10 m之內(nèi)，將飛機(jī)試驗(yàn)高度升至15240 m，測(cè)試滿功率的電機(jī)和變換器。因?yàn)樵谶@個(gè)高度下，高電壓電弧對(duì)電機(jī)性能有較大影響。NEAT設(shè)計(jì)用于測(cè)試737尺寸窄體噴氣式飛機(jī)的電推進(jìn)系統(tǒng)裝置，將在2024年之后進(jìn)行范圍的擴(kuò)展，以測(cè)試更寬的電推進(jìn)飛機(jī)。

圖5為NEAT可以測(cè)試不同的電推進(jìn)系統(tǒng)的配置(包括分布式電推進(jìn)系統(tǒng))。

圖5 NEAT可以測(cè)試不同的電推進(jìn)系統(tǒng)的

NEAT試驗(yàn)臺(tái)于2017年8月安裝完成。測(cè)試從混合電動(dòng)地面車輛中使用的貨架產(chǎn)品牽引電機(jī)開(kāi)始。派克公司生產(chǎn)的125 kW永磁電機(jī)是最輕、最小的一種。電機(jī)以軸對(duì)的連接方式安裝來(lái)推進(jìn)負(fù)載。一起模擬發(fā)電機(jī)和電機(jī)推進(jìn)的涵道風(fēng)扇。

在STARC-ABL中，飛機(jī)尾部的涵道風(fēng)扇可吸收在機(jī)身上緩慢移動(dòng)的邊界層，為尾流注入能量，從而減少阻力。這也減少了飛機(jī)巡航所需的渦輪風(fēng)扇發(fā)動(dòng)機(jī)的功率，還減少了飛機(jī)的質(zhì)量和燃油消耗。NASA的設(shè)計(jì)研究表明，盡管增加了電氣部件、風(fēng)扇和涵道(這部分對(duì)節(jié)省燃油貢獻(xiàn)20%)，電推進(jìn)系統(tǒng)還是可以節(jié)省7%～12%的燃油消耗。

在NEAT試驗(yàn)臺(tái)中，每個(gè)渦輪風(fēng)扇由一對(duì)電動(dòng)機(jī)模擬，這對(duì)電動(dòng)機(jī)須匹配燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)的速度、扭矩和慣性曲線。尾部推進(jìn)器也是由成對(duì)的電動(dòng)機(jī)模擬的，這些電動(dòng)機(jī)須模擬不同高度的涵道風(fēng)扇的推進(jìn)動(dòng)力。

測(cè)試先由8個(gè)250 kW的電動(dòng)機(jī)為涵道風(fēng)扇提供0.5 MW功率，但到2018年后期，為NASA開(kāi)發(fā)的大功率電機(jī)到達(dá)時(shí)，該試驗(yàn)臺(tái)每個(gè)模擬渦輪風(fēng)扇可產(chǎn)生1.4 MW電力以驅(qū)動(dòng)尾部推進(jìn)器，達(dá)到其滿負(fù)荷的2.6 MW功率水平。

NASA正在資助5個(gè)不同的項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)來(lái)開(kāi)發(fā)1 MW的電機(jī)，這些電機(jī)在航空領(lǐng)域具備高效、高功重比和質(zhì)量輕的特點(diǎn)?！八麄冮_(kāi)發(fā)的電機(jī)有不同的架構(gòu)，但是初步的演示試驗(yàn)顯示其具有接近99%的效率和13 kW/kg的功重比，到2018年將有符合規(guī)格要求的電機(jī)完成”。大功率超導(dǎo)電機(jī)和電力電子變換器在2019年左右投入使用。

STARC-ABL是從發(fā)動(dòng)機(jī)到發(fā)電機(jī)、電機(jī)到風(fēng)扇的串聯(lián)混合動(dòng)力推進(jìn)系統(tǒng)。下一步，NASA計(jì)劃在NEAT中測(cè)試波音SUGAR Volt的并聯(lián)混合動(dòng)力推進(jìn)系統(tǒng)架構(gòu)。這種架構(gòu)采用安裝在渦輪風(fēng)扇發(fā)動(dòng)機(jī)軸上的電動(dòng)機(jī)，通過(guò)使用電池在起飛和爬升階段增加飛機(jī)的推力。NEAT可以測(cè)試ECO-150分布式渦輪電推進(jìn)系統(tǒng)，這種系統(tǒng)是采用安裝在機(jī)翼上的渦輪發(fā)電機(jī)推進(jìn)嵌入在機(jī)翼中的涵道風(fēng)扇陣列來(lái)實(shí)現(xiàn)飛機(jī)飛行。

6 展望

未來(lái)，隨著航空業(yè)對(duì)環(huán)境的影響越來(lái)越大，減少碳排放將是航空業(yè)發(fā)展的重點(diǎn)，飛機(jī)電力系統(tǒng)及其測(cè)控技術(shù)要圍繞國(guó)際民機(jī)減排的總要求，大力開(kāi)展大型飛機(jī)減排的工作。而大型多電、全電和電動(dòng)飛機(jī)正是實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)的重要保證。從未來(lái)飛機(jī)的發(fā)展方向可以看出，飛機(jī)的電力系統(tǒng)在飛機(jī)上的地位越來(lái)越重要，它決定著大型飛機(jī)未來(lái)的發(fā)展。未來(lái)飛機(jī)的電力系統(tǒng)具有先進(jìn)的架構(gòu)、更高的電壓等級(jí)、更加智能和集成，電力電子器件可耐受更高的溫度，動(dòng)力電池具有更高的能量密度，這樣才能滿足飛機(jī)減少排放的要求。同時(shí)，未來(lái)航空業(yè)必然會(huì)對(duì)飛機(jī)電力系統(tǒng)的測(cè)控體系提出更高的要求，因此要花費(fèi)更多的精力對(duì)電力系統(tǒng)測(cè)控技術(shù)進(jìn)行研究。

要想占領(lǐng)世界航空技術(shù)的制高點(diǎn)，航空企業(yè)就要集中精力研究飛機(jī)電力系統(tǒng)技術(shù)和測(cè)控技術(shù)，只有這樣才能趕上世界航空工業(yè)的發(fā)展。要想使飛機(jī)成為精品，飛機(jī)電力系統(tǒng)和其測(cè)試技術(shù)就是其核心和關(guān)鍵。相信本文會(huì)使更多人關(guān)注多電、全電和電動(dòng)飛機(jī)的發(fā)展，更加關(guān)注飛機(jī)的電力系統(tǒng)及其測(cè)試技術(shù)，從而使飛機(jī)電力走進(jìn)人們的生活，使大型飛機(jī)真正用上魯棒性的電力系統(tǒng)，使大型綠色無(wú)污染的電動(dòng)飛機(jī)真正的飛起來(lái)，進(jìn)而飛的更高、更遠(yuǎn)，也使企業(yè)能夠盡快進(jìn)入世界航空的強(qiáng)者之林。