某型直升機電傳飛控系統(tǒng)多余度供電方案設(shè)計研究

李 波，尚雅慧，孟文杰，井雅潔

(1.中國直升機設(shè)計研究所，江西 景德鎮(zhèn) 333001；2.中航工業(yè)陜西航空電氣有限責(zé)任公司，陜西 西安 710077)

某型直升機電傳飛控系統(tǒng)多余度供電方案設(shè)計研究

李 波1，尚雅慧2，孟文杰1，井雅潔1

(1.中國直升機設(shè)計研究所，江西 景德鎮(zhèn) 333001；2.中航工業(yè)陜西航空電氣有限責(zé)任公司，陜西 西安 710077)

直升機電傳飛控系統(tǒng)的供電及配電方案是其實現(xiàn)功能、提高安全可靠性的重要保障。結(jié)合某項目的電傳飛控系統(tǒng)，提出一種基于負(fù)載的、可故障隔離的供電和配電系統(tǒng)多余度重構(gòu)供電子系統(tǒng)方案。飛行驗證結(jié)果表明，該方案可以保障某型機電傳飛控系統(tǒng)正常可靠地工作。

電傳飛控系統(tǒng)；飛控交流發(fā)電機；蓄電池；TRU

0 引言

飛控供電子系統(tǒng)是指由電源系統(tǒng)至電傳飛控系統(tǒng)用電設(shè)備輸入端之間電能的傳輸、分配、控制、保護的系統(tǒng)，是電傳飛控系統(tǒng)的重要組成部分。隨著電傳飛控系統(tǒng)硬件技術(shù)的發(fā)展，其數(shù)字化、綜合化程度越來越高，對于整機的重要性日益提高。尤其是某型機的先進電傳飛控系統(tǒng)主要由多余度的電子與機電設(shè)備組成，并以電能作為系統(tǒng)工作的唯一能源，供電的安全性事關(guān)整機存亡，對其配電技術(shù)以及供電和配電系統(tǒng)的容錯供電能力提出了更高的要求。對系統(tǒng)用電的自動管理和分配，以及向電傳飛控系統(tǒng)提供可靠、容錯的供電是新型電傳飛控系統(tǒng)供電設(shè)計的關(guān)鍵技術(shù)。

本文結(jié)合某項目的電傳飛控系統(tǒng)，提出一種基于負(fù)載的、可故障隔離的供電和配電系統(tǒng)多余度重構(gòu)供電子系統(tǒng)方案。當(dāng)在供電子系統(tǒng)發(fā)生各種故障時，能夠?qū)崿F(xiàn)故障隔離，完成系統(tǒng)重構(gòu)，利用系統(tǒng)中其余完好部件承擔(dān)起故障部件所喪失的功能，進而維持系統(tǒng)的性能，滿足電傳飛控系統(tǒng)的容錯供電要求，從而保障直升機任務(wù)完成以及安全飛行和返航。

1 功能需求

電傳飛控系統(tǒng)供電和配電方案應(yīng)能提供如下功能：

1) 實現(xiàn)電傳飛控系統(tǒng)用電的就近傳輸、分配、控制、保護和管理。

2)對供電系統(tǒng)的狀態(tài)進行監(jiān)測，具備系統(tǒng)狀態(tài)指示、告警提示、信息回饋功能；采用多余度供電邏輯管理，當(dāng)出現(xiàn)系統(tǒng)用電設(shè)備過載或供電系統(tǒng)故障時，能自動進行故障隔離和供電系統(tǒng)重構(gòu)。

3)根據(jù)配電組件的當(dāng)前容量以及電傳飛控系統(tǒng)各通道的負(fù)載，實現(xiàn)供電和配電系統(tǒng)的自動管理。

2 系統(tǒng)供電方案設(shè)計

某型機電傳飛控系統(tǒng)供電子系統(tǒng)部件主要包含：兩臺主交流發(fā)電機、變壓整流器(TRU)、蓄電池、備份直流電源系統(tǒng)(含兩臺飛控交流發(fā)電機和一臺飛控整流控制盒)及飛控計算機等。這些設(shè)備共同組成一個分布式供電網(wǎng)絡(luò)，根據(jù)負(fù)載(傳感器、舵機等)的工作情況以及各工作電源的供電能力配置，通過硬線連接及飛控計算機端的邏輯電路相互配合來滿足電傳飛控系統(tǒng)的供電需求。

電傳飛控系統(tǒng)備份直流電源由一臺整流盒與兩臺飛控交流發(fā)電機配套組成，為電傳飛控系統(tǒng)提供雙通道各500W、28V的直流電，每臺飛控交流發(fā)電機獨立向?qū)?yīng)的飛控計算機供電。飛控交流發(fā)電機安裝與主減機匣貼合，其外花鍵與主減附件中的內(nèi)花鍵嚙合。飛控交流發(fā)電機提供的雙三相交流電通過電連接器輸送至整流盒，經(jīng)整流盒中雙路整流、濾波電路將其轉(zhuǎn)化為平滑的雙通道直流電提供給機上電傳飛控系統(tǒng)使用。飛控交流發(fā)電機的輸出電壓與負(fù)載電流相關(guān)。額定功率(單通道)：≮500W，額定電壓(單通道)：(24±2)VDC，額定電流(單通道)：22.7A。即在22.7A負(fù)載(單通道，全系統(tǒng)為45A)情況下，輸出電壓為24±2VDC(全溫范圍內(nèi))。飛控交流發(fā)電機空載額定轉(zhuǎn)速下空載輸出電壓為32V。

電傳飛控系統(tǒng)供電配置如圖1所示。

圖1 電傳飛控系統(tǒng)供電配置

機上電源系統(tǒng)分別通過3個斷路器(圖1中開關(guān)①、②、③)與電傳飛控系統(tǒng)連接。機上兩臺主交流發(fā)電機分別向機上1號、2號發(fā)電機匯流條提供115V、400HZ交流電，經(jīng)變壓整流器(TRU)變壓整流后向機上提供28V直流電。兩臺TRU輸出的直流電源對于飛控系統(tǒng)來說是互為備份的，為飛控系統(tǒng)提供雙余度直流電源；備份直流電源為飛控交流發(fā)電機整流濾波后的直流輸出，輸出電壓與負(fù)載電流相關(guān)。兩臺飛控交流發(fā)電機共同為飛控系統(tǒng)提供一個余度的直流電源，即每臺飛控交流發(fā)電機為半套飛控系統(tǒng)供電。蓄電池通過③號斷路器為飛控系統(tǒng)提供一個余度的直流電源。即電傳飛控系統(tǒng)具備四余度供電。另外，需要說明的是飛控系統(tǒng)具備半套系統(tǒng)供電下應(yīng)急著陸的能力，如圖2所示。

圖2 電傳飛控系統(tǒng)用電邏輯

正常供電時，蓄電池通過3號斷路器送入電傳飛控系統(tǒng)的是由TRU提供的機上蓄電池充電電源。當(dāng)兩臺TRU供電均故障時，蓄電池處于放電狀態(tài)，蓄電池電壓值為24V。此時電傳飛控系統(tǒng)仍完全由備份直流電源系統(tǒng)供電。如備份直流電源系統(tǒng)再失效，則由蓄電池給電傳飛控系統(tǒng)部分或全部供電。

電傳飛控系統(tǒng)正常情況下，全系統(tǒng)電流小于20A。各TRU提供的電壓穩(wěn)定于28V，電傳飛控系統(tǒng)負(fù)載對TRU電壓波動的影響可以忽略不計。由于飛控備份直流電源系統(tǒng)在空載額定轉(zhuǎn)速下空載輸出電壓為不大于32V，因此正常供電時1、2號主發(fā)電機以及備份直流電源各負(fù)擔(dān)一部分負(fù)載電流。實驗室試驗數(shù)據(jù)表明，機上直流電源系統(tǒng)承擔(dān)20%負(fù)載，其余負(fù)載由飛控備份直流電源系統(tǒng)承擔(dān)。

3 系統(tǒng)故障工作能力

當(dāng)1號、2號TRU供電同時失效時，電傳飛控系統(tǒng)供電邏輯重構(gòu)，由蓄電池以及電傳備份直流電源共同承擔(dān)系統(tǒng)供電，負(fù)載電流分配份額與蓄電池輸出電壓相關(guān)。圖3示出了實驗室試驗得出的飛控備份直流電源系統(tǒng)在額定轉(zhuǎn)速下隨負(fù)載變化的直流輸出電壓。

圖3 飛控備份直流電源系統(tǒng)額定轉(zhuǎn)速下直流輸出電壓

從圖3可看出，飛控備份直流電源系統(tǒng)在額定轉(zhuǎn)速(7186±20)r/min下，其交流輸出經(jīng)整流濾波后直流輸出的空載電壓介于30～32V之間；2分鐘的1.5倍過載功率下直流輸出電壓高于22V。額定轉(zhuǎn)速下，直流輸出電壓隨負(fù)載大小變化的曲線決定于飛控交流發(fā)電機的輸出特性。

以上皆為發(fā)動機轉(zhuǎn)速為額定狀態(tài)時的情況。當(dāng)整流盒空載且發(fā)動機轉(zhuǎn)速下降時，要使直流輸出電壓不小于21.5V，飛控交流發(fā)電機所需最低拖動轉(zhuǎn)速不小于5200r/ min；整流盒額定負(fù)載工況下，要使直流輸出電壓不小于21.5V，飛控交流發(fā)電機所需最低拖動轉(zhuǎn)速不小于6400r/min；整流盒2分鐘1.5倍額定負(fù)載工況下，要使直流輸出電壓不小于21.5V，飛控交流發(fā)電機所需最低拖動轉(zhuǎn)速不小于7100r/min。實驗室得出的飛控交流發(fā)電機輸出恒定所需最低拖動轉(zhuǎn)速如圖4所示。

圖4 飛控交流發(fā)電機輸出恒定不同負(fù)載所需最低拖動轉(zhuǎn)速

圖5表明，即使在機上旋翼系統(tǒng)處于85%額定轉(zhuǎn)速且TRU1與TRU2匯流條失效時，飛控交流發(fā)電機空載電壓依然有25.2V。單臺飛控備份直流電源系統(tǒng)仍可負(fù)擔(dān)10A電流，其輸出電壓將降至22V。若此時蓄電池已經(jīng)接通，系統(tǒng)需要的其它3-6A電流需要蓄電池負(fù)擔(dān)；即使此時蓄電池未接通，兩臺飛控交流發(fā)電機依然可負(fù)擔(dān)系統(tǒng)正常工作需要的16～20A電流，其輸出電壓將降至22～24V。因此，85%額定轉(zhuǎn)速時，單臺飛控交流發(fā)電機輸出電壓大于18V，滿足系統(tǒng)供電要求。

圖5 飛控備份直流電源系統(tǒng)85%額定轉(zhuǎn)速下直流輸出電壓

由上述分析可知，只有當(dāng)飛控交流發(fā)電機轉(zhuǎn)速下降到85%以下時，才需要蓄電池向電傳飛控系統(tǒng)供電以策安全，而在直升機實際正常飛行時，即使是在最為嚴(yán)苛的自轉(zhuǎn)下滑訓(xùn)練條件下，飛行員也會將旋翼轉(zhuǎn)速保持在90%～110%，旋翼轉(zhuǎn)速是不會長時間低于85%的。

4 飛行驗證

經(jīng)分析，機上直流電源系統(tǒng)(不含蓄電池)故障造成電傳飛控系統(tǒng)直流電供電失效的概率為5.013×10-5，直流電源系統(tǒng)(含蓄電池)故障造成電傳飛控系統(tǒng)直流電供電失效的概率為6.467×10-11。按適航條例規(guī)定，當(dāng)故障率≤10-9時，為極不可能事件。顯然，電傳飛控系統(tǒng)供電系統(tǒng)導(dǎo)致飛控斷電是極不可能發(fā)生的。隨后長時間的試飛結(jié)果表明，本方案可以保障某型直升機電傳飛控系統(tǒng)正?？煽康毓ぷ鳌?/p>

5 結(jié)束語

本文敘述了某型直升機電傳飛控系統(tǒng)的分布式供電子系統(tǒng)容錯與重構(gòu)等方案設(shè)計，并對關(guān)鍵部件—飛控交流發(fā)電機的故障工作能力進行試驗室地面驗證。飛行試驗結(jié)果表明，本方案設(shè)計正確可行，功能完善，系統(tǒng)重構(gòu)能力和可靠性高，可大幅提高電傳飛控系統(tǒng)工作的安全可靠性，能夠為先進電傳飛控系統(tǒng)功能的實現(xiàn)提供有效保障，對后續(xù)其它型號電傳飛控系統(tǒng)的供電方案選取和設(shè)計也具有很大的工程實用價值。

[1] 蔣志揚，李頌倫，主編.飛機供電系統(tǒng)[M].北京：國防工業(yè)出版社，1990.

[2] 宋翔貴，張新國，等，編著.電傳飛行控制系統(tǒng)[M].北京：國防工業(yè)出版社，2003.

Research on the Redundancy Power Supply Scheme for FBW System of a Helicopter

LI Bo1, SHANG Yahui2, MENG Wenjie1, JING Yajie1

(1.China Helicopter Research and Development Institute, Jingdezhen 333001 China； 2.Avic Shaanxi Aero Electric CO., LTD., Xi’an 710077 China)

The power supply and distribution system for FBW is the important supporter to realize its functions and improve its reliability and security. A load-based, fault isolatable redundancy power supply and distribution subsystem scheme was proposed in this paper based on a FBW research program. Flight test results proved that the scheme is reliable enough for FBW system operation.

FBW system；flight control alternator；accumulator battery；TRU

2015-10-14 作者簡介：李 波(1974-)，男，江西南昌人，本科，研究員， 主要研究方向：飛控總體設(shè)計。

1673-1220(2016)01-037-03

V242；V249.1

A