鄒小玲

(中航工業(yè)直升機(jī)設(shè)計(jì)研究所，江西景德鎮(zhèn) 333001)

0 引言

我國(guó)幅員遼闊，地形復(fù)雜，平均海拔高度4000m的青藏高原，面積達(dá)240萬(wàn)平方公里，占國(guó)土總面積的四分之一。高原直升機(jī)在西部交通運(yùn)輸、緊急救援、搶險(xiǎn)救災(zāi)、反恐維穩(wěn)等方面，都能充分有效地發(fā)揮作用。

高原地區(qū)空氣稀薄，大氣壓力和密度低，嚴(yán)重缺氧，不僅對(duì)人員生理產(chǎn)生影響，對(duì)直升機(jī)飛行性能、機(jī)上系統(tǒng)及機(jī)載設(shè)備也將產(chǎn)生惡劣影響。高原直升機(jī)電氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，也需考慮這些不利因素，改進(jìn)設(shè)計(jì)，避免高原直升機(jī)在使用過(guò)程中出現(xiàn)故障率增加、可靠性降低等安全隱患。

1 電源系統(tǒng)

高原直升機(jī)需要配置大功率交流電源。一方面是由于高原氣候寒冷，為保證飛行安全，發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣道、駕駛艙風(fēng)擋、旋翼等的防除冰系統(tǒng)必須工作。直升機(jī)風(fēng)擋玻璃、旋翼和尾槳防除冰都是采用電加溫形式，防除冰系統(tǒng)電加熱功率密度大，這樣使得用電量大幅提高，需要增加交流電源容量。另一方面是在高海拔環(huán)境下，風(fēng)冷發(fā)電機(jī)冷卻效率降低，輸出功率有所下降，必須加大電源容量裕度，才能使機(jī)上電網(wǎng)工作穩(wěn)定。

1.1 防除冰系統(tǒng)用電量估算

直升機(jī)防除冰系統(tǒng)包括發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣道、風(fēng)擋玻璃、旋翼及尾槳的防除冰。除發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣道防冰采用發(fā)動(dòng)機(jī)引氣方式，不發(fā)生電功率消耗外，其它均為電熱防除冰，其中旋翼防除冰系統(tǒng)的用電負(fù)荷最大，占全機(jī)電氣總負(fù)載的50%以上，其次是風(fēng)擋防冰系統(tǒng)。

1.1.1 旋翼防除冰電功率初步估算

旋翼防除冰耗電功率應(yīng)在槳葉結(jié)冰防護(hù)面積、電熱力防除冰功率密度、電加溫控制律等技術(shù)參數(shù)確定之后才能得到。由于電源選型的需要，采用經(jīng)驗(yàn)公式，對(duì)旋翼防除冰設(shè)備用電量進(jìn)行初步估算。

估算旋翼防除冰用電量，需先估算出主槳葉和尾槳葉防護(hù)面積，即槳葉電熱加溫面積。槳葉上、下表面加熱面積按弦長(zhǎng)12.5%，展長(zhǎng)80%計(jì)算［1］。

式中:

S—加熱面積(m2);

Z—槳葉片數(shù);

b—槳葉弦長(zhǎng)(m);

R—旋翼半徑(m)。

按單位功率密度為30kW/m2計(jì)算電功率。

式中:

P—電功率(kW)。

以某型直升機(jī)為例，旋翼防除冰用電量初步估算:

旋翼主要參數(shù):

旋翼半徑:………………………………9.45 m

槳葉片數(shù):………………………………6片

槳葉弦長(zhǎng):………………………………0.58 m

假設(shè):主槳葉除冰設(shè)計(jì)每片槳葉加熱區(qū)按弦長(zhǎng)分為4個(gè)區(qū)，3片對(duì)稱槳葉同時(shí)進(jìn)行循環(huán)加熱。則6片主槳加熱電功率為:

P=6÷4×Z ×b×R=1.5×3×0.58×9.45

=24.66(kW)

尾槳主要參數(shù):

尾槳………………………………………2 m

尾槳葉片數(shù):……………………………5片

尾槳葉弦長(zhǎng):……………………………0.28 m

假設(shè):尾槳防冰設(shè)計(jì)成5片槳葉不分區(qū)同時(shí)加熱，則:

P=6×Z×b×R=6×5×0.28×2=16.8(kW)

根據(jù)以上初步估算，該型機(jī)旋翼防除冰系統(tǒng)總電功率為41.46kW。

1.1.2 風(fēng)擋電防冰功率估算

風(fēng)擋防冰是通過(guò)嵌入玻璃內(nèi)表面的電阻絲或?qū)щ娔ぃ┘与姽β始訙?，?shí)現(xiàn)對(duì)風(fēng)擋外表面防冰和內(nèi)表面除霧的功能。直升機(jī)在不同巡航速度下，風(fēng)擋防冰的熱量要求不同，通常巡航速度越高，熱量要求越大。在大多數(shù)結(jié)冰條件下，電加熱功率密度為4.65 kW/m2～6.975kW/m2，應(yīng)能滿足風(fēng)擋防冰的要求［2］。

直升機(jī)風(fēng)擋防冰電功率估算，可按玻璃加熱面積，計(jì)算耗電量，一般風(fēng)擋加溫需2kW～5kW。

1.2 電源構(gòu)型選擇

直升機(jī)主電源有直流供電、交流供電和交直流混合供電三種構(gòu)型。直流電源有28V低壓直流電源和270V高壓直流電源，目前國(guó)內(nèi)直升機(jī)一般采用28V低壓直流電源。

28V低壓直流電源作為主電源，一般用于輕、中型直升機(jī)，主要特點(diǎn)是同一發(fā)電機(jī)既用于發(fā)電，又可用于發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)，使得電氣系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化、重量減輕、維護(hù)方便。但是直流起動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電容量偏低，額定容量最高僅達(dá)18kW［3］，難以滿足高原直升機(jī)用電量的需求。現(xiàn)在裝機(jī)的直流起動(dòng)發(fā)電機(jī)都是有刷電機(jī)，高原環(huán)境下使用發(fā)電機(jī)的換向器的電刷易產(chǎn)生電弧，加速磨損和積炭，增加維修工作量，影響機(jī)載設(shè)備作用壽命。

直升機(jī)交流電源是變頻交流電源系統(tǒng)。交流發(fā)電機(jī)安裝于主減器傳動(dòng)機(jī)匣，轉(zhuǎn)速變化范圍窄，變頻交流電源頻率能滿足國(guó)軍標(biāo)電源特性的規(guī)范要求。交流發(fā)電機(jī)有無(wú)刷和有刷、風(fēng)冷和油冷的型式。風(fēng)冷式交流發(fā)電機(jī)隨著飛行高度增加，大氣密度降低，通風(fēng)量減少，冷卻效果變差，輸出功率降低;油冷式交流發(fā)電機(jī)則不受大氣密度的影響。有刷發(fā)電機(jī)高原使用時(shí)，電刷更易磨損，需定期檢查與維護(hù)。因此，油冷式、無(wú)刷交流發(fā)電機(jī)是高原直升機(jī)主電源的首選，它與風(fēng)冷式交流發(fā)電機(jī)相比，受直升機(jī)飛行高度和速度的影響較小，具有體積小、重量輕、效率高、輸出功率不隨高度變化等優(yōu)點(diǎn)。

1.3 配電

常規(guī)的配電系統(tǒng)配置有多種類型器件:斷路器、繼電器、接觸器、按鈕和開(kāi)關(guān)等，用于接通、斷開(kāi)、轉(zhuǎn)換和保護(hù)電路。這些器件都屬于電磁式、電接觸器件，高原使用因空氣電抗強(qiáng)度降低，容易形成電弧、火花，導(dǎo)致觸點(diǎn)燒蝕，電接觸不良。采用先進(jìn)的自動(dòng)配電系統(tǒng)，接通、斷開(kāi)、轉(zhuǎn)換和保護(hù)電路的功能由固態(tài)功率控制器(SSPC)完成。固態(tài)功率控制器(SSPC)是無(wú)觸點(diǎn)電子器件，除有效地組合斷路器和繼電器的功能外，還可避免電磁器件接通和斷開(kāi)負(fù)載時(shí)產(chǎn)生的電弧和燒蝕。自動(dòng)配電還具有許多其他優(yōu)點(diǎn):實(shí)現(xiàn)電氣負(fù)載的自動(dòng)管理，在電源故障狀態(tài)能夠重構(gòu)負(fù)載，達(dá)到可用功率的最佳分配;提高供電質(zhì)量和電源可靠性;縮短供電饋線;減輕系統(tǒng)重量;提高測(cè)試性和維修性。但是固態(tài)功率控制器(SSPC)價(jià)格昂貴，自動(dòng)配電與常規(guī)配電相比存在成本高、用于交流負(fù)載時(shí)功耗高等缺點(diǎn)。

2 電氣成附件

特殊的高原大氣環(huán)境對(duì)電氣系統(tǒng)成附件的工作壽命、性能參數(shù)都會(huì)有一定影響，在電氣系統(tǒng)成附件(電源變換裝置、系統(tǒng)保護(hù)、切換器件等)選型、性能參數(shù)確定、線纜敷設(shè)等各方面應(yīng)加以考慮。

2.1 電源變換裝置

電源變換裝置主要有三相115V交流變換成28V直流的變壓整流器，28V直流變換成115V和26V中頻交流的旋轉(zhuǎn)變流機(jī)或靜止變流器，單相/三相變壓器等等，這些都是根據(jù)機(jī)載設(shè)備供電體制而配置的二次電源。

高原空氣稀薄，氣候干燥，會(huì)導(dǎo)致旋轉(zhuǎn)變流機(jī)轉(zhuǎn)速增大，加重炭刷磨損。因此，采用靜止變流器替代旋轉(zhuǎn)變流機(jī)。靜止變流器具有效率高、壽命長(zhǎng)、噪聲小、重量輕、高空性能好等優(yōu)點(diǎn)。

2.2 線纜防護(hù)

高原地區(qū)氣候干燥，紫外線強(qiáng)，溫差和風(fēng)沙大，使橡膠、塑料等制品加速老化，電線、電纜外表層易發(fā)生龜裂。加上直升機(jī)高原飛行易產(chǎn)生顛簸，振動(dòng)加劇，線束敷設(shè)的固定易發(fā)生松動(dòng)，線纜絕緣層易磨損，發(fā)生線路短路故障。

導(dǎo)線選擇考慮阻燃性、化學(xué)穩(wěn)定性、輕量化、高溫性能等，還應(yīng)考慮機(jī)械特性、耐輻照性，選用具有耐切通性和耐刮磨性的電線。

線束敷設(shè)中增加線纜固定點(diǎn)，線纜主要承力點(diǎn)間距不超過(guò)0.6m，能可靠地承受飛行振動(dòng)引起的抖動(dòng)和應(yīng)力。在線纜固定卡箍處加裝防護(hù)套管或包扎防護(hù)材料，避免線纜與機(jī)體相碰產(chǎn)生摩擦后破壞絕緣層。機(jī)外線纜的防護(hù)采用抗老化、抗龜裂的防護(hù)套管等。

2.3 鎳鎘蓄電池

直升機(jī)一般采用鎳鎘蓄電池作為應(yīng)急電源和野外起動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)的起動(dòng)電源，這是因?yàn)殒囨k蓄電池具有壽命長(zhǎng)、低溫特性好、能適應(yīng)大電流放電等優(yōu)點(diǎn)。

蓄電池在高原地區(qū)使用與平原有所不同，如高原使用會(huì)出現(xiàn)電解液蒸發(fā)加快，需經(jīng)常補(bǔ)充蒸餾水;蓄電池電壓升高，蓄電池匯流條電壓高于28.7V時(shí)才能夠進(jìn)行蓄電池充電［4］。

鎳鎘蓄電池通常直接連接在直流匯流條上，飛行過(guò)程中，由直流起動(dòng)發(fā)電機(jī)向匯流條供電，蓄電池充電電壓隨電網(wǎng)電壓而波動(dòng)，從匯流條到蓄電池端有一定電壓降，有可能達(dá)不到28.7V充電電壓。高原直升機(jī)應(yīng)考慮增加蓄電池充電器，輸入電壓可以是115V交流，也可以是28V直流，輸出為穩(wěn)定的直流恒流源。這樣，既可避免充電電壓過(guò)低，還可延長(zhǎng)蓄電池的使用壽命。

3 發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)

直升機(jī)通常采用燃?xì)鉁u輪軸發(fā)動(dòng)機(jī)作為動(dòng)力裝置，發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)機(jī)分為兩類:一類是電起動(dòng)機(jī);另一類是空氣起動(dòng)機(jī)。氣壓起動(dòng)機(jī)通過(guò)輔助動(dòng)力裝置(APU)提供氣源驅(qū)動(dòng)，而起動(dòng)輔助動(dòng)力裝置(APU)也是要用電起動(dòng)機(jī)起動(dòng)。所以，直升機(jī)的發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)離不開(kāi)電起動(dòng)。

3.1 高原起動(dòng)分析

高原大氣條件下，海拔高度越高，空氣密度越低，發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣量明顯減少，排氣溫度升高，容易造成發(fā)動(dòng)機(jī)過(guò)熱，起動(dòng)過(guò)程時(shí)間延長(zhǎng)，嚴(yán)重時(shí)導(dǎo)致起動(dòng)失敗。

發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)過(guò)程分為三個(gè)階段:第一階段是起動(dòng)機(jī)單獨(dú)工作，帶動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速?gòu)?上升到渦輪開(kāi)始產(chǎn)生功率的轉(zhuǎn)速;第二階段是起動(dòng)機(jī)與渦輪的扭矩之和驅(qū)動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)加速，轉(zhuǎn)速達(dá)到起動(dòng)機(jī)脫開(kāi)轉(zhuǎn)速;第三階段是轉(zhuǎn)子加速完全靠渦輪剩余功率，發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子自行加速升至慢車(chē)轉(zhuǎn)速。

起動(dòng)過(guò)程第一、第二階段與起動(dòng)電機(jī)和電源密切相關(guān)。為了不延長(zhǎng)第一、第二階段起動(dòng)時(shí)間，達(dá)到第三階段渦輪能帶動(dòng)壓氣機(jī)加速的自立轉(zhuǎn)速，高原起動(dòng)時(shí)，地面電源車(chē)和機(jī)載蓄電池要保持足夠的容量和電壓，應(yīng)檢查提供發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)的電源輸出電壓，保證電壓值不能低于電源規(guī)范要求的電壓范圍，因?yàn)殡妷哼^(guò)低會(huì)引起動(dòng)力矩降低，導(dǎo)致起動(dòng)過(guò)程時(shí)間加長(zhǎng)。若電源合格，還是起動(dòng)失敗，這時(shí)應(yīng)考慮加大起動(dòng)電機(jī)的起動(dòng)力矩，可更換大功率起動(dòng)電機(jī)，或者通過(guò)提高起動(dòng)機(jī)電流門(mén)限值來(lái)解決。

3.2 低溫起動(dòng)分析

當(dāng)大氣溫度很低時(shí)，燃油粘度增大，揮發(fā)性不好，霧化和汽化的質(zhì)量變差，而燃燒室內(nèi)產(chǎn)生火源和形成穩(wěn)定火焰的條件變差，使渦輪開(kāi)始工作時(shí)間推遲，起動(dòng)過(guò)程所需的時(shí)間增長(zhǎng)［5］。

低溫時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)阻力矩增大，所需的起動(dòng)力矩也相應(yīng)增大，某型渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)低溫起動(dòng)力矩曲線如圖1所示。

圖1 發(fā)動(dòng)機(jī)低溫起動(dòng)力矩曲線［6］

圖1說(shuō)明，環(huán)境溫度越低，所需起動(dòng)電機(jī)輸出力矩越大。

低溫時(shí)蓄電池內(nèi)阻增大，使蓄電池組端電壓下降。隨著環(huán)境溫度下降，蓄電池電解液溫度也下降，當(dāng)環(huán)境溫度下降到-40℃ ～-50℃時(shí)，蓄電池電解液溫度4小時(shí)左右就將低于-20℃，蓄電池電解液在-18℃就無(wú)法保證正常工作。

上述分析都是發(fā)動(dòng)機(jī)低溫起動(dòng)困難的因素，解決辦法可采取3.1節(jié)中高原起動(dòng)的相同措施。當(dāng)采用蓄電池組低溫起動(dòng)時(shí)，還需有蓄電池保溫措施，保證蓄電池電解液溫度高于-18℃。

4 結(jié)束語(yǔ)

高原直升機(jī)電氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)，應(yīng)對(duì)高原地形、氣象、大氣環(huán)境及飛行性能等特點(diǎn)加以考慮，充分分析這些因素給電氣系統(tǒng)帶來(lái)的諸多不利影響。對(duì)電源、配電、發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)等系統(tǒng)進(jìn)行改進(jìn)，如增加交流電源容量，采用先進(jìn)的自動(dòng)配電代替常規(guī)配電，減少斷路器、繼電器、接觸器等電磁器件，采取措施有效地解決發(fā)動(dòng)機(jī)高原起動(dòng)及低溫起動(dòng)難題，使電氣系統(tǒng)能滿足高原復(fù)雜環(huán)境的使用要求。

［1］馬爾特·基申科.直升機(jī)設(shè)計(jì)參數(shù)優(yōu)化［M］.2001.

［2］《飛機(jī)設(shè)計(jì)手冊(cè)》總編委會(huì)，編.飛機(jī)設(shè)計(jì)手冊(cè)，第15冊(cè)，生命保障和環(huán)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)［M］.北京:航空工業(yè)出版社，1999:146.

［3］李國(guó)柱.航空電源［J］.運(yùn)輸機(jī)工程，2006(2):24.

［4］陳曉剛，范永清.高原飛機(jī)特設(shè)專業(yè)維護(hù)特點(diǎn)［J］.空軍裝備，2005(8):55.

［5］張建旺.艾利遜-250-C30起動(dòng)可靠性分析［J］.國(guó)際航空，1997(7):55