什么是“多电飞机”?
所谓全电飞机是一种用电力供电系统取代原来的液压、气压和机械系统的飞机,即所有的次级功率均用电的形式分配。而多电飞机是全电飞机发展的一个过渡过程,是用电力系统部分取代次级功率系统的飞机。
飞机发动机的主要作用是提供飞机的推动力,它的另一个作用是为飞机上四种次级功率系统即:液压、气压、供电和机械系统提供动力,这些次级功率系统被称为机载机电系统,由于功能和原理的不同以及为了减小飞机设计的复杂度,传统的飞机设计是将发动机系统和机载机电系统单独研究与设计的。
近10年来,随着新型永磁材料和电机制造技术的发展,大功率、高性能可在高温下工作的高压直流电机也已经从研发进入应用阶段,电力系统已经可以取代发动机和机载机电系统上的大多数非电力系统。多电飞机是将飞机上所有机电系统(包括发动机中的机电系统)在用电力系统代替后重新规划,使整个飞机设计成为一个统一的整体,使飞机不再分为发动机系统和机载机电系统。
上图表示多电技术主要是针对飞机的机载系统
上图表示军用飞机的多电技术
上图表示传统的民用飞机系统设计技术
上图表示基于多电技术的民用飞机系统设计
电力作动系统按需用电,与液压系统相比用电量大大增加、而且发热小、部件磨损小,从而系统的可靠性有所提高。此外,电力作动方式可靠且具有容错能力。
多电飞机取消了发动机放气,采用封闭循环环境控制系统。这就取消了与发动机本身无直接关系的放气管道,改善了发动机性能和效率,节省了燃料。
多电飞机的电拖动机构优于液压拖动机构。这是由于液压拖动的最佳方法是采用线性活塞作动器;这就要求外加整流罩及摇臂结构,以便同被驱动的控制面连接。电动拖器是绞线拖动机构,可将其安装在机翼面和操纵面内。使用电拖动器以后,使飞机的机翼和尾翼的大小、形状和位置的灵活性增加,因此,系统的布局和综合变得更加容易。
另外,由于取消了飞机液压系统、发动机引气装置、气动系统、飞行控制系统的机械和液压系统、发动机和机翼内的引气管路和高压液压管路,多电飞机全部二次动力部件可以放在最佳重量、平衡和气动外形所期望的地方。发动机壳体就可按最佳气动力设计制造,减小了发动机的截面积,减轻了系统的重量,降低了直接的使用成本。
从生产安装角度看,多电飞机也有很大的吸引力。如:洛克西德的L-1011的二次动力系统需要21个动力部件,而在多电飞机上只有9个。因此,可以大大减轻系统重量,减少系统部件,使安装更为方便。
多电飞机系统的元件有足够的自检能力,易于场外的维护,所需要的试验设备也很少。这主要是是得益于取消了更换油滤、添加液压油等定期维护工作,且电器参数本身易于检测,电力作动系统中的微处理机内具有很强的机内自检能力。此外,多电飞机还使得飞机的飞行适应任务范围扩宽,这主要是由于数字飞行控制系统是软件驱动的,飞机可以通过直接而快速的软件改变来实现最新控制规律和适应其他的飞行任务。
“以电力为基础的飞机(electrically-based aircraft)”在第二次世界大战时就被美国军用飞机设计者提出来。他们是在研究用其它能量装置作为液压飞行控制系统的辅助装置时比较了液压系统与电力作动系统的区别后,提出了用电力作动系统取代液压作动系统。
但当时大功率发电机和其它用电设备的研究尚有很大的不足,因此该计划被搁置。从20世纪60年代开始随着高温磁性材料和半导体材料的发展,电力电子领域得到了飞速发展,在军民用飞机的各个领域中电力电子产品广泛应用,作为军用飞机电力电子设备研究的一个扩展研究,90年代初美国空军提出了“多电飞机”概念。
1992年,美国军方的“联合航空指挥部”(Joint Aeronautical Commands Group)组成了由空军、陆军、海军多兵种专家构成的“多电飞机联合计划组”(More Electric Aircraft Joint Planning Team)该工作组的主要工作是研究各种电力作动系统和非电力系统的电力替代方案,其后,MEA工作组又与美国国家航空航天局(NASA)合作在商用飞机上采用多电技术,1995年“多电飞机联合计划组”改为“MEI”(MoreElectric Initiative)负责开发和研制军民用多电飞机。
为了支撑早期的多电飞机(1998年)和近期(2003年)多电飞机的发展,美国空军在发电配电和电力作动等方面执行一系列发展计划。美国军方和有关公司也为多电飞机计划投入了大量资金。
在发动机的研究上,美国和欧洲在20世纪90年代就开始了多电发动机计划,现在主要的大型发动机制造厂商都开发出了自己的多电发动机(也称组合动力装置IPU)。在发电机及配电技术上美国空军提出了高可靠性发电机计划,美国空军于1991年秋同诺斯罗普公司签订了为多电型的F/A-18飞机研制电源系统中先进的发电和配电系统。在飞机其它主要机电系统上多电研究也都有了很大的进步,在这些研究的基础上,美国空军开始了多电飞机机载机电系统综合化设计,统一设计整个飞机。美国空军的F-16A、F-22、A-10都设计了其多电型飞机,特别是F-22是第一架从研发到设计都是基于多电技术的飞机。
上图表示国外多电飞机的研究历程
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