前言
迫切需要提高飞机的能源效率，以解决航空业目前面临的环境污染和成本问题。其中，首次提出电力作为一种有效的能源，取代飞机上其他低效的能源，如空气、水力、机械等。由于这种推动，MEA技术在全世界迅速发展电力在电力系统技术中的使用增加，导致飞机电力系统的能力大大增加，这将不可避免地导致飞机技术的改进。
1多电飞机基本概念与特点
从理论上讲，液压马达和气动马达可以用电来取得。多电技术利用电能逐步取代现有飞机上的水力、气动和机械能源。启动并整合电力生产、电力供应、电力环境控制、先进电力系统架构、固体电力分配、电力供应和支持多机电力系统运行的热量管理技术航空电力系统由电力系统、配电系统和电力设备组成，即所生产、传输、分配和使用的航空电力的总和多电装置可通过集成起动发电机、电动液压泵、燃油泵和润滑油泵大大简化甚至取消发动机附件外壳。借助电环控制和电热防冰技术，发动机再也不能抽取压缩空气压机压缩的高压空气。(1)多电技术简化了电力系统结构，有效提高了发动机的效率和性能。(2)飞机内部结构已经简化。通过消除发动机排气，采用动力技术，多电流飞机可以取代传统飞机的液压传动机构，简化飞机二次电力系统的网络结构，减轻系统重量，避免泄漏。(3)提高飞机的能源效率。一方面，输电过程中电能损耗较低；另一方面，可以根据电力负荷需求灵活控制发电，从而减少二级电力系统的燃料消耗。(4)提高成本效益和简化后勤工作。多电飞机维修简单可靠，维修成本低，地面安全设备小，能够取消供气、供液和空调机，只保留供油设备和供电车，大大减少重量，多电飞机改变了飞机二次能源的布局。事实上，多电源设备优化了所有设备和引擎，提高了整体技术和战术性能，节约了设备成本，并对设备的开发产生了深远影响。与此同时，从二次能源的角度来看，多种能源技术的重点是全面电气化，即统一飞机上除发动机能源以外的所有能源，即电力。
2多电技术特点分析
多电源技术的应用,大大提高了飞机多电源对电源系统的依赖性,但也对机载电源系统提出了更高的要求,而地面电源系统也有明显的不同,主要表现在以下四个方面:(1)工作环境不同。飞机供电系统的操作必须适应恶劣的环境,如高速飞行或飞机超机动时的高温,高压和强振动。同时,机载电气设备数量的增加使得飞机有限空间内的电磁环境越来越复杂,需要特别注意各种电力电子设备之间的电磁干扰。(2)与地面供电系统相比,船上供电系统需要更高的可靠性和安全性。飞机飞行控制系统等关键电气设备的功率损失可能导致灾难性事故,因此飞机的电源系统通常由多个主电源以及二次电源和应急电源组成。此外,电力系统的配电部分具有高冗余性和容错性,确保关键总线和电力负载的不间断供电。(3)机载系统的体积和重量直接决定着飞机的燃油消耗量,因此飞机动力系统各部件的功率密度和效率都有很高的要求,高可靠性和高安全性的要求与机载系统体积和重量的减小是相互矛盾和制约的。与地面电气系统相比,飞机的电气系统容量较小,可视为在孤岛上运行的微电网结构。但是,与地面微电网相比,飞机电气系统使用了大量的非线性负载,如电力电子设备、电动执行器等,而启动过载电流、恒功率特性和能量反馈等对电源质量和系统稳定性提出了诸多挑战。
3关键技术研究现状
3.1电力系统架构、建模和分析方法
该系统架构是飞机电力系统安全可靠运行的基础，在很大程度上决定了该系统运行的效率和可靠性，也是系统控制、保护和健康管理的先决条件。如上所述，变频和高压直流系统的开发大大改变了飞机电力系统的结构，从而提高了可靠性和能效。其中，B787型喷气机电力系统架构还采用了更先进的分布式供气和自动负荷管理技术，使系统架构更轻、更智能。近年来，随着电力技术的不断发展，在机场电力系统中应用新的电子电力转换拓扑已成为一个研究热点。在此基础上，通过将优化配置方法与智能管理策略相结合，该系统可以重新编程支持不同用电设备的需求。
3.2大功率无刷发电和启动发电一体化
将航空非推进能源逐步纳入多电反应飞机的电力，需要飞机电力系统的发电机提供高容量和高质量的电力。起动发电集成技术将发动机的起动功能和发电功能集成到一台电器中，简化发动机附件盒，提高系统的电力密度，优化飞机发动机轴的功率提取，从而减少将起动发电机集成到发动机高压轴形成的集成高速起动发电机中，为发动机辅助变速箱的注销创造了条件，可进一步提高功率密度和传动效率，是下一代多电飞机的重要特点和关键技术。
3.3高效高密度电源转换
多路飞机电力系统的能力显着提高，大功率电力被广泛用于运输，对电力转换装置的需求远远高于传统飞机。电力系统中可转换各种电力的二次电源、起动发电机、电力环境控制系统中的电机控制器、电池充电器和航空电子设备电源均为多电动飞机电力系统的电力系统正逐步向高压大功率方向发展。目前，飞机的大部分二次电源都使用两个电力级变压器，内部开关装置的电压和功率要求很高。因此，ATRU等二次电源通常配备了大量变压器，体积和重量都很大。虽然宽带槽装置的发展提高了半导体开关装置的开关频率，但在高压和大功率情况下开关频率和容量之间的矛盾仍然存在。多电技术的发展超越了传统电力变换器的极限。
3.4电力系统故障诊断和健康管理
作为多电飞机的一个关键子系统，电力系统的性能和状况直接决定了飞行任务的安全和可靠性以及飞机战术任务的完成。因此，多电技术对电力系统的可靠性和维护提出了更高的要求，对电力系统的测试、维护和安全构成了更大的挑战。最初，国际劳工组织通常用于诊断航空电力系统的故障，但由于虚拟检测率高，未得到广泛应用。1980年代，微处理器技术和总线技术的发展使劳工组织更加数字化和智能，从而有效地降低了探测率和探测时间。随后，欧洲和美国发展了更先进、更智能的航空故障预测和健康管理技术。通过传感器实时监控系统运行状况，再加上微处理器技术和智能算法，可以快速诊断和定位故障。还可以预测系统、部件或模块残馀部分的故障和使用寿命，从而提高系统的可靠性和可维护性。
3.5固态配电
配电系统是飞机供电系统中发电和用电的关键环节,实现了电能的传输、分配和保护。随着航空技术的发展,配电系统的控制方法逐渐从传统的配电和远程配电发展到现在的固态配电。固态功率控制器(SSPC)是先进的固态功率分配系统的关键部件,以功率半导体器件为开关,具有收集继电器开关控制功能和断路器保护功能,具有响应速度快,无电弧,无机械磨损等优点。目前,SSPC主要用于远程配电中心或二次配电中心,以中等和中等功率负载配电。由于固态开关设备的电压和容量较低,单架空气配电始终采用接触断路器或混合断路器。随着宽带器件的发展,国内外许多研究机构已经开始开发基于碳化硅的高压高功率固态断路器(SSCB),这些断路器应该应用于单一的能量分配,以实现更完整的固态能量分配。
3.6用电设备
传统飞机中的电气设备主要包括航空电子设备、照明设备和燃油供应设备。多电动飞机的诞生极大地增加了机载电气设备的数量和种类,首先,多电动飞机采用大功率、高速电机驱动压缩机作为高压空气源,实现了传统飞机中机舱增压、空调冷却、机载设备冷却等环境控制系统的功能。B787多电动飞机是首款采用电动环控制系统概念的飞机,配备了四个电动压缩机和两个风扇电机,总功率约为500千瓦。与此同时,B787还使用电加热解冻系统,而不是常规飞机上的空气加热解冻系统。多电动飞机广泛使用电动执行器,以取代传统飞机中的液压执行器,补充飞行操纵面控制,A380和A350均采用基于2H/2E的飞行控制架构。通过将EHA和EBHA配置为飞行的主要操纵平面,而不是传统3H架构中的液压回路,体积和重量减少。F35多电动战斗机的主飞行表面完全由EHA提供动力,这大大提高了飞机的战术性能。与EHA和EBHA相比,电动执行器(EMA)通过电动机驱动的机械装置进一步节省了液压源及其管道。然而,出于可靠性和安全性的考虑,目前仅在飞机调速器表面应用辅助控制。为了减少飞机在地面滑行时的燃油消耗和发动机噪音污染,优化机场的运行效率,绿色滑行概念逐渐被提出。绿色滑动是未来多电动飞机发展的重要趋势,这要归功于在前起落架或主起落架上安装涡轮电驱动。
结束语
综上所述，当前航空电力系统技术的创新和实践对于多电的发展至关重要。只有超越新航空电力系统的基本理论和关键技术，才能实现飞机总体设计的优化，提高能效，降低运营成本和后勤保障。多电飞机电力系统的理论和关键技术是航空科技研究与发展的重要指导方针。
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