直升機(jī)供電系統(tǒng)自動(dòng)管理技術(shù)研究

陳亮 袁大天

【摘?要】供電系統(tǒng)主要包含電源系統(tǒng)和配電系統(tǒng)，由發(fā)電機(jī)、變壓整流器、蓄電池、各類控制器、匯流條、配電設(shè)備及電網(wǎng)絡(luò)等組成。本文就直升機(jī)供電系統(tǒng)的管理技術(shù)進(jìn)行了探討。

【關(guān)鍵詞】直升機(jī);供電系統(tǒng);自動(dòng)管理技術(shù)

前言

隨著對(duì)直升機(jī)系統(tǒng)安全性、維修保障性和低維護(hù)費(fèi)用等要求越來越高，直升機(jī)的故障預(yù)測(cè)與健康管理技術(shù)研究越來越受到重視。故障預(yù)測(cè)與健康管理（PrognosticandHealthManagement，PHM）是指利用各種傳感器并通過實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、定期巡檢和離線檢測(cè)等相結(jié)合的方法，獲取設(shè)備/系統(tǒng)狀態(tài)信息，借助各種智能推理算法評(píng)估系統(tǒng)/設(shè)備健康狀態(tài);在故障發(fā)生前，結(jié)合歷史工況信息和故障信息等多種信息資源進(jìn)行狀態(tài)評(píng)估和故障預(yù)測(cè)，并提供維修保障決策及實(shí)施計(jì)劃等以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的視情維修。在直升機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)中應(yīng)用健康管理技術(shù)，可以實(shí)現(xiàn)自主式后勤，提高直升機(jī)安全性和任務(wù)完成率，提高維護(hù)工作效率，延長(zhǎng)裝備使用壽命，降低全壽命周期費(fèi)用。相比而言，國(guó)外直升機(jī)健康管理技術(shù)研究起步早，工作深入并且得到了廣泛應(yīng)用。美軍將PHM作為一項(xiàng)戰(zhàn)略性的裝備保障策略，對(duì)裝備狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)或近實(shí)時(shí)監(jiān)控，根據(jù)裝備的實(shí)際狀態(tài)確定最佳維修時(shí)機(jī)，以提高裝備的可用度和任務(wù)可靠性，其中F-35代表了目前美國(guó)PHM應(yīng)用的最高水準(zhǔn)。目前PHM技術(shù)也已廣泛應(yīng)用于其他歐美航空技術(shù)發(fā)達(dá)國(guó)家。國(guó)內(nèi)對(duì)于PHM技術(shù)研究相對(duì)較晚，研究需求和研究對(duì)象主要集中在航空、航天、船舶和兵器等高技術(shù)復(fù)雜裝備方面，研究工作以高校和院所為主，距離系統(tǒng)級(jí)應(yīng)用還有相當(dāng)?shù)木嚯x。本文從直升機(jī)系統(tǒng)角度梳理了PHM技術(shù)需求，結(jié)合自身工程經(jīng)驗(yàn)，以直升機(jī)供電系統(tǒng)為對(duì)象，研究了系統(tǒng)級(jí)健康管理架構(gòu)、設(shè)計(jì)原則和關(guān)鍵技術(shù)，并從系統(tǒng)安全性、保障性、最低放飛清單、專家系統(tǒng)等方面對(duì)系統(tǒng)級(jí)健康評(píng)估進(jìn)行分析，最終形成供電系統(tǒng)健康管理架構(gòu)。

1電源系統(tǒng)運(yùn)行模式

根據(jù)無人直升機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)及電源系統(tǒng)的構(gòu)型狀態(tài)，電源系統(tǒng)工作模式可分為：

1.1外電源地面供電狀態(tài)

系統(tǒng)設(shè)計(jì)為外電源優(yōu)先供電，接通外電源情況下，機(jī)上發(fā)電機(jī)自動(dòng)斷開。開車前階段為直升機(jī)靜止處于地面狀態(tài)，全機(jī)供電通過外電源接口由機(jī)外電源輸入12V、28V直流電源至PP1、PP2匯流條，由外電源給機(jī)上12V和28V用電設(shè)備供電。外電源供電時(shí)同時(shí)可接通蓄電池組，給蓄電池組充電。

1.2發(fā)電機(jī)運(yùn)行供電狀態(tài)

開車階段可分為起動(dòng)到怠速，怠速到額定。直升機(jī)開車至怠速時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)自帶的磁電機(jī)達(dá)到發(fā)電要求，當(dāng)輸出電壓大于12V后，PP1匯流條由地面電源改為磁電機(jī)供電，而交流發(fā)電機(jī)的怠速狀態(tài)沒有達(dá)到發(fā)電要求，PP2繼續(xù)由地面電源供電，為保障安全，必須在旋翼轉(zhuǎn)動(dòng)之前斷開地面電源及設(shè)備。斷開地面電源后，PP1匯流條繼續(xù)由磁電機(jī)供電，而PP2匯流條改由24V蓄電池供電。當(dāng)直升機(jī)達(dá)到額定后，交流發(fā)電機(jī)及電源變換器輸出28V至PP2匯流條。由發(fā)電機(jī)給機(jī)上用電設(shè)備由發(fā)電機(jī)供電。發(fā)電機(jī)供電時(shí)同時(shí)可接通蓄電池組，給蓄電池組充電。

1.3蓄電池組應(yīng)急供電狀態(tài)

當(dāng)人為或故障導(dǎo)致外電源及發(fā)電機(jī)斷開供電的情況下，分別由12V和24V蓄電池組給機(jī)上PP1、PP2匯流條供電，由兩組蓄電池組給機(jī)上應(yīng)急設(shè)備供電。此時(shí)進(jìn)入蓄電池組應(yīng)急供電狀態(tài)。上述電源系統(tǒng)構(gòu)型狀態(tài)在轉(zhuǎn)變過程中，供電轉(zhuǎn)換技術(shù)起到了重要的作用。

2典型供電系統(tǒng)健康管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)

機(jī)載健康管理主要工作：首先，以供電系統(tǒng)各典型成品/設(shè)備/元器件等相關(guān)故障數(shù)據(jù)積累和故障場(chǎng)景為基礎(chǔ)，通過必要的測(cè)試點(diǎn)TP布局，獲取系統(tǒng)運(yùn)行所需的信息，這些信息主要包括供電系統(tǒng)中影響直升機(jī)安全飛行的關(guān)鍵參數(shù)、反應(yīng)系統(tǒng)/設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)的參數(shù)、基于系統(tǒng)/部件FMECA分析相關(guān)的特征參數(shù)以及與維護(hù)相關(guān)的信息，為供電系統(tǒng)健康管理設(shè)計(jì)提供數(shù)據(jù)支持;其次，負(fù)責(zé)供電系統(tǒng)級(jí)信息處理的設(shè)備有發(fā)電機(jī)控制器、輔助發(fā)電機(jī)控制器、外部電源監(jiān)控器、直流電源控制保護(hù)器、蓄電池充電器，由各控制器將底層采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)一步處理以獲取特征信息，并記錄大量運(yùn)行數(shù)據(jù)，結(jié)合健康數(shù)據(jù)庫(kù)、故障數(shù)據(jù)庫(kù)等信息，實(shí)現(xiàn)后續(xù)狀態(tài)監(jiān)測(cè)、健康評(píng)估以及故障預(yù)測(cè)功能;然后，由供電系統(tǒng)各控制器將系統(tǒng)級(jí)關(guān)鍵重要參數(shù)、故障信息、狀態(tài)監(jiān)測(cè)信息等，通過總線形式上傳給機(jī)電、航電上位機(jī)，再由機(jī)電、航電上傳至直升機(jī)級(jí)綜合管理機(jī)，由綜合管理機(jī)結(jié)合當(dāng)前整機(jī)各系統(tǒng)狀態(tài)完成直升機(jī)級(jí)的信息融合，為空勤人員指示系統(tǒng)當(dāng)前狀態(tài)并提供決策支持，通常與飛行安全、任務(wù)完成相關(guān)的診斷決策在機(jī)載綜合管理機(jī)中完成。地面健康管理主要實(shí)現(xiàn)與維護(hù)相關(guān)的工作以及深度推理預(yù)測(cè)工作，地勤人員通過地面維護(hù)設(shè)備可人機(jī)交互完成整機(jī)地面維護(hù)檢查，獲取直升機(jī)健康狀態(tài);另外，地面PHM推理機(jī)可以存儲(chǔ)更多的歷史數(shù)據(jù)，更詳盡的產(chǎn)品/備件庫(kù)存信息，有更完備的系統(tǒng)故障模型、預(yù)測(cè)算法，可進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)故障預(yù)測(cè)，提供決策支持。

3關(guān)鍵技術(shù)及難點(diǎn)

3.1特征參數(shù)的選擇

由于各類設(shè)備/成品的特殊性，其可監(jiān)控的參數(shù)較多，但如何選取特征參數(shù)，使之既能充分表征系統(tǒng)/設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)，又能兼顧安全性、可靠性、成本等因素，目前并沒有有效的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)或指標(biāo)，需要大量理論研究和試驗(yàn)數(shù)據(jù)支撐，并聯(lián)合相關(guān)科研單位進(jìn)行深入研究。

3.3健康狀態(tài)評(píng)估

對(duì)于設(shè)備/系統(tǒng)健康狀態(tài)目前無可直接參考的指標(biāo)或標(biāo)準(zhǔn)，但健康狀態(tài)又是決策的依據(jù)，可以結(jié)合相關(guān)專業(yè)標(biāo)準(zhǔn)（如GJB181B相關(guān)技術(shù)參數(shù)）和主機(jī)相關(guān)系統(tǒng)安全性評(píng)估指標(biāo)對(duì)設(shè)備健康狀態(tài)進(jìn)行評(píng)定。

3.3故障及壽命預(yù)測(cè)

包括故障預(yù)測(cè)和壽命預(yù)測(cè)，需要大量的運(yùn)行數(shù)據(jù)、故障數(shù)據(jù)作為樣本數(shù)據(jù)，針對(duì)不同類型系統(tǒng)/設(shè)備數(shù)據(jù)選擇合適的預(yù)測(cè)算法，以建立各類數(shù)據(jù)的故障/壽命發(fā)展趨勢(shì)模型，目前大量樣本數(shù)據(jù)的積累、預(yù)測(cè)算法的選擇與驗(yàn)證是實(shí)現(xiàn)預(yù)測(cè)功能需要攻克的難點(diǎn)。

結(jié)束語

本文從直升機(jī)系統(tǒng)健康管理需求分析為切入點(diǎn)，參考OSA-CBM體系結(jié)構(gòu)，以直升機(jī)供電系統(tǒng)作為對(duì)象，提出了一套直升機(jī)供電系統(tǒng)健康管理設(shè)計(jì)思路和方法，形成了典型供電系統(tǒng)健康管理架構(gòu)，并對(duì)關(guān)鍵技術(shù)和難點(diǎn)進(jìn)行了分析，為后續(xù)供電系統(tǒng)健康管理設(shè)計(jì)提供了理論支持和參考。

參考文獻(xiàn)：

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（作者單位：中國(guó)飛行試驗(yàn)研究院）