飞机电气系统是核心基础设施, 它能保障飞行过程中所有用电设备的正常运行。一套完整的飞机电气系统包含了六个功能模块, 分别是电源产生、电压变换、功率分配、直流转换、启动供电和应急备份。这些模块会协同工作, 为导航、通信、航电、照明、液压及客舱设备提供电力保障, 这种保障是持续的, 也是稳定的。
电源产生模块
飞机上用来提供交流电的那个东西, 其根本来源,是依靠发动机去驱动发电机才行飞机的电气系统, 这种发电机被叫做 IDG , 就是 Integrated Drive Generator 的意思, 或者, 也可以是靠电动机来产生电力, 这种设备就被命名为 APU 发电机。
在现代的窄体客机当中, 大家比较熟悉的A320和B737NG这些机型, 它们通常都会配备有两台作为主电源的发电机, 并且还附带有一台由辅助动力装置驱动的APU发电机。
而对于像B787、A350那样的宽体客机来说, 情况就完全不同了, 它们采用的是全电传的系统架构, 在这个架构下, 主电源使用的是变频发电机, 专业的叫法叫做VFG。这种发电机的输出频率并不是被固定死在某些数值上的, 而是会随着发动机转动速度的变化而发生相应的改变。
所以, 它不像老式系统那样把频率锁定在400赫兹。再从功率大小的角度来看, 发电机额定功率的变化也非常巨大, 从早期的时候只能提供数百千伏安的功率, 一路发展到现在的数千千伏安的水平。比如说, 单台B787所使用的VFG发电机, 它的功率就达到了350kVA, 这是一个相当可观的数值。
电压变换模块
主发电机输出的是400V或者115V的三相交流电, 这里的电压等级要看具体是哪种机型。接下来的步骤是经过变压器组降压, 变成各个不同等级的电压。典型的变换流程是这样的, 先从400V变成115V, 这叫做设备汇流条。
然后再从115V变成28V直流电, 这一步是通过静变流机或者是整流装置来完成的。这些不同的电压等级是为了匹配不同负载的需求。像厨房设备和空调这样的高功率设备, 使用的是400V或者115V的电。而低功率电子设备, 使用的是28V DC。
功率分配与配电管理模块
配电系统利用汇流条也就是我们说的Bus这样的架构, 把电力输送到各个不同的子系统里面。在飞机上面, 通常都会设置主交流汇流条, 还会有备用交流汇流条, 同时也会有直流汇流条、备用直流汇流条, 还有应急汇流 bar。
负责配电的计算机, 也就是PDU, 会实时监控每一条回路的电流大小和电压高低, 并且执行过载保护, 也会执行短路保护, 还会执行负载卸载操作。一旦主电源发生失效的情况, 配电逻辑会自动切换到备用电源或者应急电源, 这个切换动作的时间通常是不会超过50毫秒的。
直流转换模块
机载28V直流电源是由交流电经过整流, 也就是AC/DC变换器处理之后变成的, 或者是静变流机提供的, 而静变流机的IDG是内置的。蓄电池通常一般是镍氢电池或者锂电池, 它被当作直流备用电源使用, 当交流电源完全失效的时候, 它会给关键飞行仪表和通信设备供电, 持续供电的时间一般是最少要15分钟的。
启动与辅助供电模块
APU, 就是辅助动力装置, 它是用于地面和空中应急场景下的一个独立电源系统。在地面的时候, APU里的发电机能够向飞机提供电力支持, 并且帮助启动主发动机。如果是在空中的情况之下, 发生了双发失效的问题, APU可以用来紧急重启发动机, 或者维持那个最低限度的电力供应。
还有一些特定的机型上面, 配备的是地面外接电源接口, 也就是GPU这个东西, 在停靠阶段的时候, 是由机场那里的地面电源来替代APU的作用, 这样做的话, 可以降低那种油耗和噪音。
应急与备份模块
应急电源系统里面包含了这三个东西, 一个是冲压空气涡轮, 它的英文缩写是RAT, 这是一个自动展开的小型风力发电机, 第二个是静变流机, 它的作用是讲直流电转成115V/400Hz的交流电, 这样就可以供关键航电来进行使用了, 第三个则是应急照明电池。
当两个发动机都失效的时候, RAT会自动放出来, 在5秒之内就能产生大约5kVA的电力, 这样就能够维持飞行控制以及基本导航的进行。
系统关键设计参数
现在的飞机电气系统设计, 要遵守下面这些关键的原则。第一点, 就算是有一个地方出了单一故障, 也不能让所有的电全都没了, 这个设计叫做N带1冗余, 就是为了保证有一分多余的保障。第二点, 配电系统切换的时间, 不能超过四十四十毫秒这么短的时间。
第三点, 每一条线路都必须有自己的独立保护措施。第四点, 当紧急情况发生时, 备用电源会自动投进去使用,这一点完全不需要机组人员去进行人工操作。关于这些相关的设计标准和规范飞机的电气系统,大家是参照美国联邦航空管理局发布的AC 25.1309文件灵音心图, 以及欧洲航空局制定的CS-25条款来的。
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