[科普中国]-多电飞机

多电飞机技术是航空科技发展的一项全新技术，它改变了传统的飞机设计理念，是飞机技术发展史的一次革命。在多电飞机技术中，电能成为飞机上惟一的二次能源，极大提高飞机的可靠性、可维护性以及地面支援能力。在民用飞机上，多电飞机技术得到了广泛的应用，最具代表的为空客A380飞机和波音787型飞机。在军用飞机上，最具代表的为F-35战斗机。

多电飞机技术的英文名称是“More Electric Aircraft（MEA)”，多电飞机技术是将飞机的发电、配电和用电集成在一个统一的系统内，实行发电、配电和用电系统的统一规划、统一管理和集中控制。多电飞机技术的核心是：“飞机系统化的研究理念和集成化的技术思想”。这一理念在航空电力系统平台顶层设计领域正引发一场深刻的变革。

多电飞机的标准体系虽然是在原飞机标准体系的基础上发展起来，但与传统的标准体系相比，有质的飞跃。多电飞机标准体系的特点突出表现在：将传统的功能系统统一在综合机电系统下，实现电气系统、机械系统、液压系统的统一管理。1

多电飞机的概念早在20世纪70年代就已提出，当时称为全电飞机。从20世纪40年代起，飞机上的二次能源，就采用液压能、气压能和电能3种混合能源模式。由航空发动机驱动的液压泵等构成的集中式液压能源系统，主要用于飞机操纵舵面的驱动、传动舱门和起落架、操纵发动机的喷口等。提取航空发动机的压气机压缩后的高压高温空气，主要用于防冰、除冰和作为飞机环境控制系统的原动力。飞机上的多种二次能源使飞机和发动机的结构复杂化，能源使用效率降低，可靠性和生命力降低。多电飞机就是用电能代替集中式的液压能源和气压能源，使各种二次能源统一为点电能。21世纪初出现的3种多电飞机不同程度上达到了这个目的，成为第一代多电飞机。2

美国空军从20世纪80年代中期开始就组织开展了对多电飞机技术的研究。该研究计划涉及发电、配电、电力管理、电防冰、电刹车、电力作动和发动机等多个领域，研究主要从航空电力系统的概念出发，目的在于优化整个飞机的设计。

第一代多电飞机技术计划在1998年完成，目标在于大力改善电源系统的可靠性及提高电力系统的功率密度。该计划设计在飞机发动机外安装一个容量为150 KW的起动/发电机以及一个集成组合动力装置（IPU），在IPU上再装上一个150 KW组合式起动/发电机，该发电机既是辅助电源、应急电源又是正常工作的电源。

多电飞机的配电系统和负载自动管理系统由偌斯罗普/格鲁门公司完成研究和最后试验，它是一套具有多余度、容错供电、故障后重构功能的270 V高压直流系统，包括3个通道即两台发动机驱动两台150 KW高压直流发电系统，一个集成组合动力装置( IPU)驱动一台150 KW高压直流发电系统。而高压直流电力系统则由两个4 KVA的DC/AC变换器，两个3KW的DC/DC变换器，一个负载管理中心和两套蓄电池构成。

总体来说，第一代多电场机的主要目标是为了提高飞机的可靠性和维护性，加强地面保障能力以及维持较低的寿命周期费用。1

第二代多电飞机在非推进功率方面全部采用电能，取消了液压泵、齿轮箱和附件传动机匣。第二代多电飞机技术主要用于战斗机，它为战斗机提供了高功率密度的发电系统。该讨划在2005年己完成。第二代多电飞机技术电源系统的目标是：可靠性方面提高1400%一1900%，功率密度提高200%。它采用内装式起动/发电机(IS/G)和一个高性能的IPU。飞机上单通道电源容量很大，一般都在200 KW以上。

第二代多电飞机的功率分配系统可以满足270V高压直流系统的要求，功率分配系统使用高功率密度的电子负载管理中心、变换器、电动机及其控制系统，开关使用固态开关。1

第三代多电技术完成计划是在2012年，它要求发电功率达到数兆瓦，其发电系统仍由内装式起动/发电系统和IPU组成。功率变换和分配系统主要采用具有更高能力的功率电子器件，如用碳化硅做的器件或其他新材料做的器件。1

多电飞机技术采用电力驱动代替液压、气压、机械系统和飞机的附件机匣，可节约飞机的有效空间，优化飞机的空间布局，不仅有利于飞机的总体设计，还能提高飞机的性能和系统可靠性，使之具有容错和故障后重构的能力。

多电飞机的二次能源只有电能，使得整个动力系统设计大为简化，飞机结构变得简单，重量较轻，可靠性提高不少，可维修性较好，生存能力较强，使用费用也较低，地面支援设备较少，飞机上接口也简单。

由于多电飞机取消了发动机的放气，采用了闭式循环系统，发动机的效率和性能得到了相应地提高。

多电技术意味着可以根据用电需求控制运转发电机的燃油消耗，有利于减轻能源的浪费。

无论是民用飞机还是军用飞机，系统的用电量需求在目前和可预见的未来都将呈几何级数增长，采用多电飞机技术可以有效满足飞机系统对电力的渴求。

A380飞机是一个典型的多电商用飞机，它完全按多电飞机电力系统来设计，总的发电功率是910 KVA。其中，由发动机驱动4台150 KVA的变频交流发电系统，发电容量共600 KVA，频率在360 Hz~800 Hz之间；由辅助动力装置(APU)驱动两台120 KVA恒速发电机，发电容量共240 KVA；一个空气充压涡轮系统驱动一个70 KVA发电系统。

A380飞机采用固态配电技术，对飞机的电力系统进行了优化设计，次配电和二次配电系统均采用集中控制，飞机可靠性大为提高，飞机重量大大减轻，飞机性能更加优越。

A380飞机大部分的作动装置采用电力作动，使飞机的设计更为简单，地面保障设备减少，飞机性能大为提高。

波音787是一个典型的多电商用飞机，它与A380飞机相比，更接近全电飞机，它完全按多电飞机来设计，总发电功率是1400 KVA。其中，两台发动机各驱动两台250 KVA变频交流起动/发电系统，发电容量为1 000 KVA，频率在360 Hz~800 Hz之间；由辅助动力装置（APU)驱动两台225 KVA变速交流起动/发电系统，发电容量共450 KVA，频率在360 Hz-v800 Hz之间；一个空气充压涡轮系统驱动一个50 KVA交流发电系统。

F-35战斗机是一个典型多电战斗机，技术更加先进，能携带更大的高能武器。它完全按多电飞机来设计，总的发电功率是250 KWA。

F-35战斗机采用固态配电技术，对飞机的电力系统进行了优化设计，一次配电和二次配电系统采用集中控制，飞机可靠性人为提高，飞机重量大大减轻，飞机性能更为优越，F-35战斗机成为典型的第二代多电飞机。

F-35的综合机载机电系统主要包括热/能量管理系统(T/EMM )、起动/发电系统和电静液作动器系统(EHA)，并由飞机管理系统控制，从而使机载机电系统在布局、能量利用和控制信息共享上实现了最优化，该飞机接近于全电飞机。