多电飞机电力系统发展综述

多电飞机技术是一项全新的技术，改变了传统的飞机设计思想。它从飞机能源最优化利用的角度出发来设计机载系统，提高了飞机的可靠性、可维护性和地面保障能力。

二次能源系统是为飞机上的设备和操纵系统提供能源的系统。传统飞机上有4种二次能源系统，即电能、液压能、气压能和机械能，每种二次能源都包括独立的能量产生、转换、调节、控制、保护、分配和传输环节，各自形成一个结构复杂且完整的系统。由于多种能源共存的现象会导致飞机内部结构臃肿、发动机附件复杂、安装空间紧张、检修维护不便、液压能和气压能容易泄露等问题，造成飞机故障率高和可靠性差，因此降低了飞机的性能和可靠性。电力电子技术的不断发展使得优化飞机上传统的能量管理系统成为可能，多电飞机技术应运而生。

20世纪70年代，航空界出现了全电飞机和多电飞机的概念。全电飞机是指用电能系统取代原来的液压、气压和机械能系统的飞机，即所有的二级功率均用电能的形式分配；而多电飞机是全电飞机发展的一个过渡过程，是用电力系统取代部分次级功率系统的飞机，大多数机载设备和操纵系统都由电能驱动，实现飞机的电气化管理。多电飞机技术是航空科技发展的一项全新技术，它改变了飞机传统设计理念，是飞机技术发展的一次革命。

军用多电飞机发展

美国的F-22和F-35战斗机均不同程度地应用了多电飞机技术。F-22战斗机通过采用公共设备管理系统实现了飞机二次能源系统控制和管理方面的综合；F-35战斗机采用更加综合化的二次能源系统，组合了应急动力、辅助动力和部分环控，取消了传统的中央液压系统，使飞机自主能力、作战能力和经济承受性等方面都得到极大改善。

美国的飞机二次能源系统综合化分两个步骤实施：首先是公共设备管理系统，在基本上不改变传统飞机能源系统结构的基础上，对二次能源各子系统进行控制和热能综合管理，实现了控制和能量方面的综合化；其次是继公共设备管理系统之后对飞机二次能源系统进一步综合，打破传统飞机二次能源系统各自独立的格局，以达到在飞机二次能源系统功能、能量、控制和物理4个方面实现系统综合化的目的。

到目前为止，飞机二次能源系统控制已经实现了综合化，能量和功能的综合化也取得了一定进展，在F-22战斗机上实现了控制和能量的综合化。然而，随着电力电子技术的进步，F-35战斗机上的二次能源系统综合化程度在F-22战斗机的基础上进一步提高，除了进一步实现能量和功能的综合化外，飞机二次能源系统功能、能量、控制和物理方面的综合化全面展开，主要体现在由飞机管理系统控制的热/能量管理系统（T/EMM）和电静液作动器（EHA）上，从而使飞机二次能源系统实现了布局、能量利用和控制信息共享的最优化。

T/EMM包括压气机、动力涡轮、双工作模式燃烧室和起动/发电机。其中压气机为气体系统和闭式空气循环冷却装置提供高压空气，动力涡轮和压气机与直接传动的发电机相连。T/EMM利用发动机引气带动动力涡轮旋转，动力涡轮驱动起动/发电机提供电力，同时向航空电子设备和座舱提供冷却空气。飞机系统产生的热量被引入发动机风扇涵道换热器内，将发动机引气系统与风扇涵道换热器相连，可使T/EMM取消冲压空气进气口。在发动机空中熄火的情况下，T/EMM可以利用飞机内存储的压缩空气起动；在T/EMM以燃烧模式运行时，可以提供重新起动发动机所需的动力。

起动/发电机共同用于起动发动机和T/EMM，在必要时也用于提供电力，这样可以省去用于起动发动机和供电的地面保障设备。在T/EMM熄火和发动机工作后，起动/发电机可以切换到向飞机供电状态。

F-35战斗机装备的是霍尼韦尔公司研制的综合动力与热管理系统，其结构、功能和采用的技术与T/EMM相同，可以说是T/EMM技术在工程上的应用。综合动力与热管理系统是把辅助动力装置（APU）、应急动力装置（EPU）、闭式空气循环环境控制系统和开关磁阻起动/发电机综合在一个传动轴上。霍尼韦尔的综合动力与热管理系统使得F-35战斗机机身长度缩短250mm，重量减轻450kg，还取消了用于提供维修电源和冷却的地面保障车辆，在整个飞行包线内为主发动机提供起动电力和冷却气流，并在主电源系统发生故障时提供应急电力。F-35战斗机由于采用多电飞机技术，取消了维护复杂、笨重的液压系统，以及几千米长的管道、泵、阀门和在高温高压下易燃的液压油，因此战斗机可以携带更多的燃油和任务载荷。

F-35战斗机飞行控制系统首次使用了EHA，取消了中央液压系统，使飞机重量减轻了136kg。EHA将驱动飞机水平尾翼操纵面、机翼后缘襟副翼和方向舵偏转，前缘襟翼作动系统（LEFAS）通过动力驱动模块（包含机电作动器和一个变速箱）驱动前缘襟翼偏转。这种包含6个作动器的系统由三余度计算机网络传输的信号控制，其动力来自包括两个主发电机和一个备用电池的三余度270V高压直流电力系统。

民用多电飞机发展

多电飞机技术在民用飞机上的应用主要体现在空客A380和波音787飞机上。A380飞机采用了电力作动系统，是A380采用多电飞机技术的重要体现。787飞机采用的多电技术主要体现在大功率起动/发电集成电力系统、电环控、电除冰和电作动等方面。787飞机采用多电飞机技术的情况类似于F-35战斗机。虽然两者在实现方式上和集成电力系统形式上有所不同（F-35采用270V高压直流起动/发电集成电力系统，787采用230V交流变频起动/发电集成电力系统），但是这两款飞机都通过采用多电飞机技术，达到了更经济、更环保、更安全和更可靠的目的，787飞机代表了现代干线客机向多电和全电飞机发展的方向。

这项技术创新达到了提高燃油效率和降低噪声，采用集中式的电力系统，减少能源的品种，取消发动机的引气，提高电能效率和燃油利用率等目标。对波音787来说，由于取消了发动机引气，其客舱环控系统不再像传统飞机一样从发动机引气；虽然787也采用液压作动器，但主要的液压作动器控制功率都是由电力提供；机翼防冰采用电加热，只是在发动机吊舱加温和整流罩防冰系统中保留了较少的发动机引气。

传统飞机上的电气系统是由发电机产生的大约120kVA的电力供电，但是787飞机的发动机能够产生1000kVA以上的电力。采用电气系统最大优点是可以根据需要控制发电量，从而减少能源的消耗。飞机上的所有能源都来自飞机的电能，这样的设计优化了飞机能源的使用结构，提高了发动机的效率。由于787飞机取消了气源系统的各个部件（阀门、管道等），降低了飞机的重量，显著地提高了系统的可靠性，有效地降低了飞机的维修成本；787飞机的刹车系统也是以电能为动力，与传统的液压刹车系统相比，刹车系统得到简化，系统可靠性得到提高。由于不会发生液压油泄漏故障，降低了787在车间和航线的维修成本，缩短了更换刹车系统的时间。787飞机环境控制系统是通过电驱动的空气压缩机对冲压空气增压来实现，这样可以根据飞机的实际飞行状况来调整压缩机的工作状态，优化机上能源的使用。波音787是一个典型的多电商用飞机，通过采用多电飞机技术实现了提高可靠性、提高200%功率密度、降低25%成本、增加200%容错能力的目标。

关键技术

起动/发电系统技术

多电飞机起动/发电系统由主起动/发电、应急发电和辅助起动/发电系统组成。主起动/发电系统的功能是起动发动机后向机上电气负载提供电力，应急发电系统作为一个独立的发电系统，当主发电系统失效时为机上重要的用电设备供电，辅助起动/发电系统起动APU后为飞机地面起动和部分机上负载提供电力，也是主发电系统的一个备份。

270V高压直流起动/发电系统技术代表了军机多电系统技术的发展方向，具有以下特点：系统结构简单、能量转换效率和功率密度高；系统可靠性高，具有良好余度和容错特性；系统易于实现不中断供电；电力系统重量轻，电能质量高。

变频交流起动/发电系统技术取消了恒速恒频电力系统中的恒速传动装置和变速恒频电力系统中的全功率电子变换装置。系统特点包括：系统只需经过一次变换即可以将发动机的机械能转化为电能，因此系统部件数少、结构简单、效率高、体积小、重量轻；系统结构简单，可靠性高，维修性好、维修费用率低；系统继承性好，400Hz交流用电设备可以直接应用于系统中；飞机使用恒频电源的负载是很有限的，且可以通过交流-交流（AC-AC）变换实现；在配电设备方面，断路器、接触器在变频交流300～600Hz范围内，其特性没有明显的影响，可以继承使用。

电力分配系统技术

为了从发电系统向负载输送高品质的电力，多电飞机需要高可靠性、具有容错能力的电力分配（配电技术）系统。多电飞机的配电系统与常规飞机有很大不同，需要解决以下几个问题：多电飞机的方案增添了一定数量的大功率动态电动负载，这些负载影响电力系统电网品质；大部分负载将安装低输入阻抗的滤波器，存在电涌问题；很大一部分负载对飞行起关键作用，这些负载的失效意味着飞机坠毁，因此电力分配系统的完整性、容错和重构特性至关重要。

多电飞机电力分配系统以计算机为控制中心，采用多路传输技术，通过固态功率控制器对负载进行自动管理。整个系统由系统处理机、负载管理中心、远程终端和数据总线组成，其中系统处理机完成顶层级的系统控制，负载管理中心则控制和监控固态功率控制器、远程终端控制器则监控机电功率控制器、外部电源、蓄电池及变压整流器的状态。

固态配电由计算机通过多路传输数据总线传递控制信号和状态信息，经固态功率控制器（SSPC）对用电设备进行控制和保护，由座舱内的综合显示装置显示系统状态。用电设备就近与汇流条相连，SSPC提供馈电保护功能。固态配电技术在减轻配电系统重量、实现负载自动管理、保证供电质量、提高系统容错能力和可靠性方面具有优势，在多电飞机技术中得到广泛的应用。

电力作动系统技术

多电飞机将主要使用功率电传系统，该系统包括：集成的作动装置（IAP），克服传统的集成作动装置体积重量大、控制难的缺点，在多电飞机的设计中，要求用电力驱动泵来代替原来的液压泵以进行伺服控制；电静液作动器（EBHA）双通道系统，其中一个通道作为主通道，由液压系统作动，另一个通道作为辅助通道，当液压系统失效时由电力作动，EBHA已在现行飞机上使用；机电作动器（EMA）用于功率电传的机电作动器，完全取消了液压部分，用电动机通过传动系统直接驱动舵面或机轮刹车。

组合二动力技术

在飞机上加装一套或几套独立于主发动机的动力系统，提供气、电、液及轴功率来满足飞机对发动机起动、应急能源或其他辅助能源的不同需要，这类动力系统统称为第二动力系统。它通常由第二动力装置、附件传动装置、能量转换附件（发动机、液压泵）等组成。一般来说，第二动力装置就是一种小型的涡轮发动机，APU、EPU、组合动力装置（IPU/AEPU）、超级组合动力装置（SIPU）均属于第二动力装置。

IPU/AEPU和SIPU都是将APU与EPU综合在一起的第二动力装置，具有起动发动机的功能。在IPU/AEPU中，APU和EPU一般是机械分离式但共用一套控制器；而在SIPU中，APU和EPU一般是组合成一体，同时具备APU、EPU和起动发动机的功能。

目前，只有美国、英国和法国对SIPU进行了系统的研究，其中美国为F-22战斗机研制的SIPU代表着当今世界最先进水平，功率为335kW，可在0～12500m高度起动主发动机，可在任何高度、速度和姿态下，在联机5s内提供应急液压动力和应急电力。目前正在研制的组合动力装置有两种：常规的组合动力装置，可同时提供轴功率和压缩空气；多电型组合动力装置仅输出电力，起动/发电机装在组合动力装置的主轴上。

与APU相比，多电型组合动力装置取消了所有齿轮机构和滑油系统，采用了内装式起动/发电机和磁轴承等新技术。研制中的多电型组合动力装置由单级离心压气机、双模态燃烧室、三级涡轮和内装式开关磁阻起动/发电机等部件组成。压气机由钛合金制成，增压比高达7:1。燃烧室由超级耐热合金制成，采用隙透冷却技术。第一和第二级涡轮由高强度结构的陶瓷制造，第三级涡轮由镍基超级合金制成。

电环控技术

在多电飞机上，由于飞机没有从发动机引气，所有电力环境控制系统（ECS）成为飞机电力资源需求最大的部分之一。电环控ECS系统必须要满足以下需求：提供新鲜空气给飞机座舱；提供座舱内合适压力；提供座舱内合适的温度和湿度。这些功能是飞机安全性、可靠性及舒适度所必须的。

波音787飞机上的电环境控制系统是通过电驱动的空气压缩机对冲压空气增压来实现的，这样可以根据飞机的实际飞行状况来调整压缩机的工作状态，优化机上能源的使用，来满足飞机对客舱环境的需求。

电防除冰技术

在多电飞机上，机翼的防除冰系统也成为飞机电力资源需求最大的部分之一。机翼除冰系统防止机翼因过多的结冰而产生反作用力（尤其是飞机的安全性和系统性能的方面）。常规的飞机机翼防除冰系统是通过从发动机引气来实现的。采用电防除冰保护系统技术不需要从发动机引气，使飞机防除冰保护系统的实现变得更具灵活性。

目前存在的问题

在今天的多电飞机中，由于飞机用电电量越来越大，负载种类越来越多，在飞机电网中产生的谐波和噪声已经使飞机的电网受到严重污染，造成飞机无法正常飞行，成为制约多电飞机技术发展一个重要瓶颈和突出问题。要解决这些问题，就要逐步提高飞机电力系统的电能品质，使飞机电网成为一个纯净的电网，抑制电网中的谐波和噪声，这样多电飞机才能高可靠地安全飞行。

飞机中应用的各种电能变换负载是谐波产生根源，为了满足多电飞机电力系统电能品质的新要求，需要研制新的电能转换技术，来抑制负载所产生的大量谐波电压和电流。新的电能转换技术分为有源和无源两种，这两种技术都对负载所产生的谐波有抑制作用：有源电能转换技术在需要电压调节的场合具有优势；无源电能转化技术在不需要电压调节的场合有优势。

在今天的多电飞机中，电力系统中的各种电力变换器和电机驱动变化控制器中都有高速通断直流电压来控制输出的电压波形，急剧上升和下降的输出电压波包含许多高频分量，这些电压高频分量就是电网噪声产生的根源。噪声和谐波经常被混淆，它们都影响其他电子设备的正常运行。谐波通常为40次或50次的高频分量，而噪声却为50kHz甚至更高分量（兆赫兹）。

要抑制电网中噪声，我们必须对以下几个概念进行理解和说明。电磁兼容是指在电磁环境下，电子设备或系统内部的各个部件和子系统、一个系统内部的各台设备、乃至相邻几个系统能够正常工作且不会对该环境中任何事物构成不能承受的电磁骚扰的能力。电磁骚扰是指可能引起装置、设备或者系统性能降低或者对有生命物质或无生命物质产生损害作用的各种电磁现象；电磁干扰则是指引起设备、传输通道或系统性能下降时的电磁骚扰。

电磁骚扰是客观存在的一种物理现象，而电磁干扰是电磁骚扰引起的后果。因为电磁噪声的存在，出现电磁干扰的结果。噪声必须通过各种滤波器来抑制。通过各种滤波器抑制来满足高品质电网的需要。因此，通过负载中使用新型能量转换技术和各种滤波器来抑制谐波和噪声，使多电飞机的电网满足可靠和高品质的要求，进而保证多电飞机的高可靠性。（李开省）