[科普中国]-机载机电系统

概念与组成

不同的飞行器将根据其需求而装备不同的机电系统。典型战斗机的机电系统包括电源、第二动力、液压、燃油、环境控制、机轮刹车、弹射救生和生命保障等系统，大型运输机的机电系统包括电源、第二动力、液压、燃油、环境控制、机轮刹车、防护救生、空降空投、货物运输和生活设施等系统；民用飞机机电系统包括电源、第二动力、液压、燃油、环境控制、防护救生、机轮刹车和生活设施等系统。2

电源系统飞机电源系统分为发电系统和配电系统两部分。电源系统的作用是保证可靠地向用电设备，尤其是与飞行安全直接相关的关键设备提供符合要求的电能。

①发电系统

发电系统由主电源、二次电源、辅助电源和应急电源组成。

主电源由机载发电机和电源控制保护装置组成，发电机由发动机带动发电，直接或间接地向飞机上所有用电设备供电。飞机上大部分用电设备是由主电源直接供电的，少数用电设备通过二次电源间接供电。

二次电源是将主电源的部分电能转换成另一种电压、电流或频率的电能。在直流电源系统中主要有变流机、变流器、直流升压机和直流变压器。在交流电源系统中主要有变压器、变压整流器和变频器等。

辅助电源在地面用于维护飞机电气设备和起动飞机发动机，或在飞行期间用于弥补主电源的不足。直流电源系统采用蓄电池作为辅助电源，交流电源系统采用辅助动力装置等驱动的发电机作为辅助电源。

应急电源是一个独立的电源。当飞机主电源在飞行过程中发生故障时，应急电源向飞机上的重要设备供电，保证飞机安全返航。应急电源由蓄电池或应急发电机组成。蓄电池是一种化学电源，它是一种既能将化学能转化成电能，又能反过来将电能转化成化学能的装置。飞机上使用的蓄电池有酸性铅蓄电池、碱性锌银蓄电池和碱性镉镍蓄电池三种。

②配电系统

飞机配电系统系指从发电机主接触器到负载汇流条、二次电源到负载汇流条、应急和备份电源到负载汇流条之间的电能传输系统，用于将电能传送到用电设备，实现电能的传输与分配。配电系统由馈电电缆、汇流条、配电板以及配电器件组成，保证对飞机各部分可靠地输配电能，管理各类电气负载并保护用电设备。

第二动力系统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，以满足发动机起动、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。一般来说，第二动力系统是一种小型的涡轮发动机。辅助动力装置(APU)、应急动力装置(EPU)、综合动力装置(IPU/AEPU)和超级组合动力装置(SIPU)等均属于第二动力系统的范畴。

第二动力系统的主要作用是：①满足发动机起动快、功率增大的需要；②满足飞机电源系统、空调系统等对能源的更多需要；③提高先进作战飞机的自足能力(不依赖地面支援设备完成地面维护、主发动机起动以及在较长时间内提供辅助功率的能力)；④在地面发动机不工作时向飞机供电、向空调等系统提供能源，完成飞机地面维护检测等任务，⑤先进作战飞机的电传操纵和主动控制技术，要求在所有飞行条件下不间断地向飞行控制系统提供电能和液压能源，第二动力系统能够使飞机在主液压系统和(或)主供电系统失效后几秒钟内立即提供应急液压动力和(或)应急电力；⑥先进第二动力系统改善了发动机空中再起动性能(扩大空中起动包线、缩短起动时间)，保证作战飞机的飞行安全，提高生存能力；⑦优化发电机、液压泵等机载设备的布局。满足飞机的系统综合化要求。

液压系统液压系统是以油液为工作介质，靠油压驱动执行机构完成特定操纵动作的整套装置。由液压能源装置把驱动机构的机械能变换为液压动力，并通过油液和液压管路把液压动力输送到执行作动装置，再把液压动力变换为机械能，以达到作动负载的目的。现代飞机上大多装有两套(或多套)相互独立的液压系统，称为公用液压系统(或主液压系统)和助力液压系统。公用液压系统用于起落架、襟翼和减速板、前轮转弯操纵、机轮刹车、驱动风挡雨刷和燃油泵的液压马达；同时还用于驱动部分副翼、升降舵(或全动平尾)和方向舵的助力器。助力液压系统仅用于驱动飞行操纵系统的助力器和阻尼舵机。

液压系统由液压能源装置、控制装置、执行作动装置以及包括液压油箱、液压管路、蓄压器和油滤在内的装置组成。其中，液压能源装置主要包括作为主液压泵的发动机驱动泵、作为应急泵的电动泵和风动泵以及为备份泵提供辅助功率的辅助动力装置驱动泵，控制装置主要包括各种阀、油路断路器、液压保险器、流量调节器、自动压力调节器和系统低压告警器等，执行作动装置主要包括液压马达、液压作动器、组合式泵、马达伺服装置以及助力器和舵机等。

燃油系统燃油系统是飞机上用于储存燃油，并在一切飞行状态和发动机工作条件下，按要求的压力和流量连续可靠地向发动机和辅助动力装置供给燃油的整套装置。燃油系统还具有冷却其他系统的工作介质(如滑油、液压油)以及保持重心位置等作用。燃油系统主要包括燃油管理系统、加/放油系统、供/输油系统和油箱等。

燃油测量是飞机燃油系统的一个重要组成部分，测量精度、可靠性和维修性对飞机的整体性能有着重要的影响。对战斗机而言，提高测量精度可以大大增加其有效载荷、航程和作战半径；而对民用飞机而言，可以大大改善经济性。

燃油管理系统具有供输油管理、压力加油管理、传感器信号处理、故障管理及系统数据管理等功能。国外从20世纪70年代初开始燃油管理系统技术的研究工作，首先从油量测量系统的数字化开始，然后在系统的各个控制与执行单元上实现数字化，并在此基础上开始燃油系统的智能化管理技术研究。

空中加油系统空中加油系统是指在飞行中加油机给受油机补充燃油的系统，是提高军用飞机作战能力的重要装备。空中加油大大增加了飞机的航程和作战半径，增加了载弹量，延长了留空时间，对于提高飞机作战效能非常重要。

目前，空中加油主要采用伸缩杆式和插头锥套式两种方式。

伸缩杆式设备又称硬管加油系统，安装在加油机的机身内。加油机尾部装有可伸缩的半刚性加油杆，在管头油嘴处对称地装有两个V形舵面，用来控制加油杆的位置。加油过程是由在加油机尾部操纵舱内的加油员进行指挥和操纵的。优点是输油速度快，稳定性好；缺点是需要专职加油员和加油操作舱，加油机与受油机配合难度大，而且每次只能给一架飞机加油。目前，这种设备在美国空军的KC-135、KC-10A和KC-707加油机上使用。

环境控制系统飞机环境控制系统的作用是保证飞机座舱内空气的压力、温度、湿度、洁净度及气流速度等参数适合人体生理要求，为机上电子设备提供正常工作环境。飞机环境控制系统由引气分系统、加温和制冷分系统、空气分配分系统、调节控制分系统和显示设备组成。引气分系统是保证座舱增压和通风的供气源；加温和制冷分系统保证舱内加温和制冷，以使舱内温度获得良好的调节；空气分配分系统保证经过调温的通风空气均匀地输入和分布于座舱内；调节控制分系统进行舱内压力调节、温度调节、湿度调节以及供气调节等，显示设备是用以显示各种压力、温度、流量。2

发展目前在役飞机的机电系统都是各自独立发展的，从而导致整个机电系统的重量非常重、采购和保障费用高、维修性差、能量管理水平低，使机电系统成为飞机上“摊子”最大、最杂乱的系统。唯一的解决办法是废弃传统机电系统的设计理念和结构，采用系统综合化技术，使不同的系统共用一些部件或者合并一些系统的功能。

在对机体、发动机和各系统的技术发展趋势进行研究和分析的基础上，从功能、能量、控制和物理四个方面来实现机载机电系统的综合化。一般分两个步骤实施，第一是进行公共设备管理系统综合，它是在基本不改变传统机电系统结构的基础上，对各机电子系统进行控制和热能综合管理，实现控制和能量方面的综合，第二是开展多电飞机技术研究，此项研究工作是继公共设备管理系统之后对机电系统的进一步综合，它打破了传统机电系统各自独立的格局，是一种全新的设计理念，用电力系统取代目前飞机上使用的液压、气压和机械系统，以达到在功能、能量、控制和物理四个方面实现全工作面综合的目的。迄今，已实现了控制方面的综合，能量和功能方面的综合也取得了相当的进展，成果已用于F-22飞机。随着技术的进步，F-35机电系统综合化的程度在F一22的基础上得到了进一步发展，功能、能量、控制和物理方面的全综合已起步，多项多电飞机技术得到了应用。最新研制的波音787和A380大型客机也采用了多项多电飞机技术和功率优化飞机计划的研究成果，在提高安全性、经济性和可靠性的同时，降低了燃油消耗和维护成本。2

作用机载机电系统是保障飞机各项功能发挥的必要条件和基础条件，也是飞机上“摊子”最大、内容最杂的一个领域。机电系统技术水平的高低直接影响到飞机的整体性能，同时对飞机的可靠性、经济性、安全性产生重要影响。

机电系统对飞机性能有重要影响。电源系统为飞机的所有用电系统提供电能，保证各种用电设备的正常运行，第二动力系统用于满足飞机对发动机起动，空中应急，电、液或其他辅助能源的不同需要；液压系统提供液压能源，保证起落架的收放和各种操纵功能的实现；燃油系统的功能是储存燃油，保证飞机飞行时向发动机连续不断地供油，环境控制系统是保障飞行员和旅客安全舒适并为机上电子设备提供正常的工作环境；机轮刹车系统保证起飞滑行和安全降落。

机电系统技术水平的高低直接影响到飞机的整体性能。美国为军机实施的多电飞机计划和欧盟为民机实施的功率优化飞机计划，都是针对机载机电系统的，旨在提高飞机各项性能的同时，大大降低系统的重量、体积以及制造、使用和维护成本。2