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李开省 | 大型飞机电力系统测控技术需求探讨

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大型飞机电力系统测控技术需求探讨

 

李开省

(航空工业中航机载系统有限公司,北京100028

 

摘要:介绍了大型飞机电力系统的结构、与飞机其他系统之间的关系,以及电力系统的关键技术,并以波音787多电飞机电力系统为例,对电力系统架构、特点等进行了探讨。测控技术是现代飞机的关键技术之一,对飞机能否取得成功非常重要。对大型飞机电力系统测控技术的需求进行了初步探讨,并对美国NASA在混动和电动飞机电力系统方面的测试实例进行了介绍。对我国大型飞机电力系统测控技术发展具有一定指导作用。

 

关键词:大型飞机;电力系统;测控技术;电动飞机

中图分类号:V242TP37文献标识码:A文章编号:1000-8829(2021)05-0001-06

doi10.19708/j.ckjs.2021.05.001

 

随着我国“一带一路”战略的实施,大型飞机技术的研究显得越来越重要。在大型飞机中,电力系统随着多电飞机技术、电推进技术的发展,已经成为未来大型飞机重点发展的系统。同时,电推进技术、新型电池储能技术的发展,使电动飞机成为可能。因此,对大型飞机电力系统的研究是重中之重。

大型飞机电力系统的发展是一项全新的科技,它改变了传统的飞机设计理念,是对大型飞机发展的一次革命。由于电能成为飞机上重要的能源体,极大地提高了飞机的可靠性和可维护性,飞机电力系统测控技术也随之成为未来飞机发展的重点。下面就大型飞机电力系统及测控技术需求进行一些初步研究与探讨,以加速我国大型飞机技术快速发展。

一 大型飞机电力系统与相关系统的关系和顶层要求

电力系统承担着飞机上电能产生、电能分配、电能输送、电能变换和电作动等功能,它与飞机的机体结构、航电系统、环控系统等密切相关。同时,它又与飞行员和机组人员、机务地勤人员和地面保障等密切相关。只有深入了解顶层需求,才能明确未来大型飞机电力系统测控技术需求的正确方向,不是为了测试而测试,而是基于飞机电力系统需求来进行飞机测控技术研究。

大型飞机电力系统和飞机上其他系统利益攸关关系如图1所示。

目前,大型飞机对电力系统提出了新的功能需求。为了提高效率,一般要求电力系统为变频交流电力系统,同时发电系统具备起动和发电双功能,能够对飞机进行自动管理。随着电力电子技术的快速发展,尽可能采用固态配电技术,实现系统的故障容错、重构和管理,以及系统的高功重比、低功耗。

在大型飞机中,对电力系统的安全性方面提出了3条要求:① 在全部阶段,所有电力系统失效的概率应小于1E-9每飞行小时;② 全部四套电力系统失效的概率应小于1E-8每飞行小时;③ 全部一套电力系统失效概率应小于1E-3每飞行小时。因此,可以看出,大型飞机对电力系统提出了更加严格的安全性要求。

二 大型飞机电力系统功能架构和可借鉴的范式

大型飞机电力系统的功能架构如图2所示,是一个独立的电力系统,也被称为独立电网络,它有独立电网所具有的一切特征。同时,与地面独立电网相比,它更加复杂、难度更大,这是由于飞机独立电网络用电设备都在飞机体内布局,用电设备种类繁多、结构复杂、体积小、效率高、功率密度大。并且,大型飞机电力系统对电网络的稳定性、电磁兼容性和噪声提出了严格要求。一般情况下,它由以下几个部分组成:高效的起动/发电系统、一次配电系统、高效电力变换和二次配电系统以及用电设备和高效储能系统。

下面以多电波音787飞机作为可借鉴的范式为例,详细分析它的功能架构。

波音787飞机电力系统采用4250 kVA主变频交流起动/发电系统构型,辅助发电系统采用2225 kVA交流起动/发电系统构型,应急发电系统是50 kVA交流发电系统构型,总发电容量达到1500 kVA是一座真正的空中电站,也是一架真正的多电飞机。

 

1大型飞机电力系统和其他系统利益攸关关系图

 

 

2大型飞机电力系统的功能架构

 

主变频交流电力系统采用四余度,进一步加强了飞机的安全性。采用230 V主变频交流供电,使飞机的电网质量极大地降低,取消了飞机发动机引气和燃气涡轮起动机,采用电起动、电作动、电环控、电防冰和电刹车等先进技术,大量采用了电力电子技术和各种先进变换技术,使飞机朝着更加智能化的方向迈进。

主配电系统采用±270 V直流配电,使飞机电网更加简化;配电系统大量采用固态器件,使飞机配电系统更加快速、智能和可靠,系统容错和重构能力进一步加强。同时,大量采用电子断路器,使飞机系统的性能得到了提升。采用自动负载管理的新技术,使用电更加合理。高效的储能电池第一次采用锂离子电池,使飞机储能密度进一步增大;充放电采用智能计数机控制技术,使电池充放电更加合理、飞机电池寿命进一步延长。

三 大型飞机电力系统关键技术

1  大功率高速油冷起动/发电设计技术。

由于航空起动/发电机设计要求体积小、质量轻、工作可靠,电机设计要考虑发动机起动特性又要考虑发电特性,因此,起动/发电机设计技术难度大,该技术成为大型飞机电力系统的核心和关键技术之一。

2  大型飞机电力系统鲁棒性设计技术。

由于大型飞机电力系统是一个独立电网,电子非线性负载大量使用,需要发电系统能够承受各种各样负载的变化,同时,电网的谐波和噪声加大,对独立电网的稳定运行造成很大的困难,需要电力系统能够承受负载非线性变化造成的影响,因此,鲁棒性电力系统设计是大型飞机电力系统的核心和关键技术之一。

3  大型飞机电力系统固态配电技术。

由于大型飞机负载越来越多,负载控制与转换需要配电系统速度更快、效率更高且更加可靠,因此,越来越多的转换部件由原来的有接触点部件更换为无触点固态器件。同时,飞机更加智能化需要配电系统具备容错和重构功能,因此,固态配电技术是大型飞机电力系统的核心和关键技术之一。

4) 大型飞机电力系统电力变换技术。

由于电压的品种越来越多,直流、交流及各种电压的转换成为大型飞机电力系统的关键。由于电力电子技术的快速发展特别是耐高温电力电子技术的快速发展,使大型飞机电力转换体积更小、效率更高,特别是碳化硅电力电子器件的应用,使整个电力电子系统进行了一次革命,因此,耐高温电力电子技术是大型飞机电力系统的核心和关键技术之一。

5  大型飞机电力系统储能技术。

由于大型飞机电力系统用电量越来越多,储能技术就成为大型飞机电力系统的核心,使用能量密度大、充放电时间短的电池是飞机电力系统的最佳选择。未来,随着电推进技术的发展,电池成为飞机的主要动力,人们会真正走进电动飞机的绿色航空时代。因此,锂离子电池的应用和快速充放电技术是大型飞机电力系统的核心和关键技术之一。

四 大型飞机电力系统测控技术

对大型飞机的电力系统从利益攸关方、可借鉴的范式和大型飞机的关键技术进行了初步的探讨,其中更为重要的是对大型飞机的测控技术需求进行分析探讨,为未来飞机电力系统发展做出贡献。

大型飞机电力系统技术随着飞机多电、全电和电动化的发展越来越重要,未来大型飞机的电动化是发展趋势,因而飞机电力系统就成为未来飞机发展的重中之重,飞机电力系统测控技术也会成为未来飞机发展的重点。大型飞机电力系统的发展核心是聚焦大功率电机、电力系统变换与控制和动力电池(也就是通常说的三电),它比电动汽车或其他电动交通工具电力系统的研制更为困难和复杂,因为飞机电力系统随着飞机进入高空飞行,在高空的条件下要承受更加严苛的自然环境条件。因此,对大型飞机电力系统在地面常温环境、高空、振动等条件下的测试和控制就显得更加迫切。下面就大型飞机的测控需求从三电的角度进行分析探讨。 

4.1大功率起动/发电机的测控需求和核心技术简介

大型飞机起动/发电机实际上在飞机起动状态时是电动机,在正常工作状态时是发电机;未来大型飞机实现混动和电动推进系统,电动机就是飞机发动机或者发动机的一部分,因此,电机测试技术是飞机的核心和关键,它的测控需求的梳理关系到大型飞机研制成败。初步梳理的需求如下。

1) 大功率电动机测控需求:① 电动机效率的测试;② 电动机输出扭矩的测试;③ 电动机及核心部件发热的测试和温度监控;④ 电动机功重比的测试与分析;⑤ 电动机输入电压的测试;⑥ 电动机输入电流的测试;⑦ 电动机输出功率的测试;⑧ 电动机输出转速的测试;⑨ 电动机健康状况的测试分析与监控。

(2) 大功率发电机测控需求:① 发电机效率的测试;② 发电机输出电压的测试;③ 发电机输出电流的测试;④ 发电机转速的测试;⑤ 发电机输出功率的测试;⑥ 发电机及核心部件发热的测试和温度监控;⑦ 发电机功重比的测试与分析;⑧ 发电机输入电压谐波含量的测试;⑨ 发电机健康状况的测试分析与监控。

在多电和全电飞机的测控中,核心测控技术是要测试出发动机的实际扭力曲线,然后,电动机的控制起动曲线要和发动机扭力曲线相吻合,能否精确测量二者的扭力曲线,进而由电动机模拟发动机起动特性,是多电和全电飞机电力系统成功的关键;在电动飞机中,以螺旋桨飞机为例,要精确测出飞机螺旋桨的扭力曲线和特性,然后电动机的扭力曲线要和螺旋桨的扭力曲线吻合,是电动飞机成功的关键。混动飞机的测控核心技术这里不做详述,它是上述二者测控技术的集合。

4.2电力变换和分配控制系统的测控需求和部分核心技术简介

大型飞机的电力变换和分配控制系统实际上就是飞机的电力系统控制中心。对混动和电动飞机来说就是飞机能源控制的中心,控制着整个飞机的推进动力,是混动和电动飞机的核心和关键。对其测控需求的梳理关系到混动和电动飞机研制的成败。

初步梳理的系统需求如下:① 大型飞机电力系统谐波的测试与控制;② 大型飞机电力系统电磁兼容的测试与控制;③ 大型飞机电力系统稳定性的测试;④ 大型飞机电力系统动态电压、电流和恢复时间的测试;⑤ 电力变换和分配系统及关键部件温度的测试和监控;⑥ 电力变换和分配系统效率的测试;⑦ 电力变换和分配系统功率密度的测试;⑧ 电力变换和分配系统逻辑功能的测试;⑨ 电力变换和分配系统输入和输出电压、电流的测试;⑩ 电力变换和分配系统随外界环境变化的测试。 

对于电力变换和分配系统来说,电力变换部分的效率测控是非常复杂的,它和电力变换部分的热设计、冷却方式和结构设计密切相关,对变换器温度的测控关系到电力变换系统的可靠性,而且测试点的选择非常重要,关系到测试的精度和可信度。

功率密度的测试是电力变换系统的重要指标,它和电力系统的效率测试一样,与电力变换系统结构设计、热设计和冷却方式密切相关,功率密度决定着电力变换系统水平,特别是宽禁带器件的使用,极大地提升了电力变换部分效率和功率密度。

分配控制系统的测试主要是对固态功率器件和控制逻辑的测试,对飞机电力系统电磁兼容性能的测试有许多国际的标准和规范,这部分是电力系统控制的中心,测试方法和测试点的选取非常关键,往往是测试精度和可信度的关键,要通过理论计算和实际试验来确定。

4.3动力电池的测控需求和核心测控技术简介

大型飞机的动力电池对多电飞机来说是飞机的应急能量来源,对于混动和电动飞机来说,动力电池是飞机的主要能量来源,它储存的能量决定了混动和电动飞机的续航里程,其能量密度是动力电池的关键指标之一,也是大型飞机电力系统的核心和关键,动力电池状况及测试需求的梳理关系到大型飞机的飞行安全。

初步梳理的需求如下:① 动力电池充放电电压的测试;② 动力电池充放电电流的测试;③ 动力电池充放电容量的测试;④ 动力电池充放电温度的测试与监控;⑤ 动力电池最大能量密度的测试;⑥ 动力电池健康状态的测试分析与监控;⑦ 电力变换和分配系统外界温度变化对动力电池充放电影响的测试;⑧ 动力电池各个单元之间电流均衡性的测试;⑨ 动力电池外部短路的测试与监控。

对于动力电池系统来说,充放电管理和测控是其核心关键技术,如果充放电管理的控制精度不佳,容易造成电池系统充放电异常,甚至损坏电池系统。而如果充放电管理精度高,充电器功能齐全,就可以极大地延长电池使用寿命,从而极大地延长飞机寿命。因此,动力电池的精确测控非常重要。

对电池充电时,要监控和测试过充电保护、过放电保护、短语保护、过流保护、过压保护和电池接反保护6种保护功能。

1) 过充电保护。

当充电器对动力电池过充电时,为防止因温度上升所导致的内电压上升,需终止充电状态。为此,充电器须有电池数据采集的功能,以监控电池电压,当其达到电池的过充电电压时,激活过冲保护功能,终止充电过程。

2) 过放电保护。

飞机上的动力电池系统应该具有电池管理功能,其中应该具有过放电保护等能力,这是由于动力电池测控数据非常重要。为了防止动力电池进入过放电状态,当动力电池低于其过放电电压检测点时,激活过放电保护,终止电池系统放电,并将电池系统保持在低静态电流待机模式。

3) 过流及短路保护。

当动力电池系统检测到放电电流过大或发生短路的时候,激活过流和短路保护,使电池终止放电,同时告警,找到过流和短路的原因,再重新工作。

动力电池管理系统和充电系统是动力电池系统的重要组成部分,而电池的测控技术是其重要的一环。好的电池管理系统能够对每一节电池的健康状态进行监控,及时终止损坏的电池继续工作并断开电池,而不影响系统正常工作。这就需要动力电池系统具有数据采集(电芯充放电电压和电流、电池组和系统的充放电电压和电流等)、热管理、安全管理、电芯及电池组之间均衡控制、状态计算、系统能量管理和数据通信等功能。该系统还应该包含电池充放电的精确处理算法,能自动处理电池充放电以及电池发热等问题。因此,动力电池的管理是未来电动飞机的关键技术之一,而其测控技术是电动飞机成功的关键,需要花费大力气来研究解决。

五 大型飞机电力系统的试验测试装置实例

大型飞机电力系统的测试十分重要,但在我国还没有系统地开展。我国没有大型飞机完整的电力系统的测试试验室,许多试验是在飞机的地面上和空中试验中来完成的,极大地增加了飞机的交付周期和风险;而且,试验往往不充分,飞机带着问题进行试飞,质量问题经常发生。因此,我国亟需建立大型飞机电力系统测试试验物理实验室,来满足飞机研制的需要。下面以波音多电787飞机、混动和电动飞机电力系统测试试验为例,介绍大型飞机电力系统的测试试验。 

5.1波音787飞机测试试验装置

大型飞机电力系统测试试验是非常关键的。美国波音787大型多电飞机的电力系统测试非常复杂,是波音787飞机成功的关键,它从飞机的仿真测试开始、到整个飞机的物理测试,是把一架飞机实物进行折叠设计了一个物理实验室来进行验证,以确保波音787飞机成功。波音787飞机电力系统试验测试实验室如图3所示。

大型飞机的电力系统是非常复杂的,系统的鲁棒性和稳定性与发电系统稳定余度设计、电力变换和分配系统设计、飞机电缆的合理布局以及用电设备的特性等密切相关。它的测试和控制是非常复杂的。

3波音787飞机电力系统试验测试实验室

 

5.2混动和电动飞机测试试验装置功能说明

混动和电动飞机的测试技术研究是飞机技术发展的重要一环,其中世界各国都在对电动飞机、混合动力飞机的测试技术开展创新性研究。世界上有很多基于燃气涡轮发动机的飞机电力推进系统试验设施,燃气涡轮混合动力推进系统试验设施也在不断进步,但对于电动飞机电力推进系统技术的测试试验设施的研究刚刚开始。目前,正在开展未来航空运输的各种飞机电力推进系统的架构研究,但是这些新型架构的研究在应用到飞机上试飞之前,必须先在地面经过各种大规模和大功率的严格试验和测试,以排除飞机存在的安全性问题。

飞机电力推进系统必须具有体积小、质量轻和功率密度高的特点,而且必须满足高压、大功率和高空等严酷环境的要求,才能在飞机上使用,而这些条件是电动汽车和其他交通运输工具未曾遇见过的。热管理、容错控制、电磁干扰和谐波的抑制、系统的稳定性与余度控制等都是电力系统给飞机设计带来的新问题,必须进行充分和详细科学的研究。

5.3实际的混动和电动飞机电力系统测试试验装置

为了填补在试验室和飞机实际飞行之间的测试验证空缺,美国NASA建造了一个试验设施——“NASA电动飞机试验台(NEAT)”,以实现未来单通道飞机全尺寸、实际飞行重量的动力装置在地面完成技术成熟度6级的试验测试,为电动飞机实际飞行做好准备。

NEAT是一个测试功率水平高达24 MW、汇流条电压高达4500 V的完整电推进系统测试试验台。NEAT坐落于美国NASA格林研究中心Plumb Brook试验站,此前这里是美国超音速风洞和核热火箭测试设施的试验中心。

经过翻新改建后,NASA20179月在该设施中进行了第一次低功耗测试,使用一对现成的电动机来模拟通用电气CF34涡扇发动机。NEAT现在配备了波音737大小电推进动力装置来测试STARC-ABL(带后边界层推进的单通道涡轮电推进飞机)。该机是NASA面向未来混合电动客运飞机的概念机。

STARC-ABL 电推进系统的测试于20179月开始,测试电功率为0.5 MW,到2018年增至2.6 MW,其他功率配置的试验随后进行。NASA格林中心的混合动力电推进技术主管罗杰·戴森说:“从长远来看,我们计划对不同电气化阶段的150座级单通道客机的电推进系统进行测试”。

NASA选择Plum Brook作为NEAT所在地,是因为它以前是火箭测试设施和马赫数7的风洞,具有支持大功率常规和超导电推进系统测试所需的功率和低温冷却的设施。

NASA在该设施翻新改建之后进行了适度的初始试验,即运行一对125 kW的电动机和NASA开发的控制软件以及为NEAT安装的设备进行冷却和其他试验。该测试还提供了系统电磁干扰的数据,以支持X-57“麦克斯韦”分布式电推进验证机的开发。X-57的功率为200 kW,与NEAT初始试验类似。该机已于2018年进行试飞。

如图4所示,NASA目前在设施内安装一个737机身和截断翼,为全尺寸单通道电推进系提供实物物理的布线和接线长度。对于STARC-ABL配置,其中翼下涡轮风扇的发电机在尾部驱动涵道风扇,之间的距离将达9.75 m,从翼根到尾部推进器长度为21.03 m

对于STARC-ABL测试,将尾部高度限制在6.10 m之内,将飞机试验高度升至15240 m,测试满功率的电机和变换器。因为在这个高度下,高电压电弧对电机性能有较大影响。NEAT设计用于测试737尺寸窄体喷气式飞机的电推进系统装置,将在2024年之后进行范围的扩展,以测试更宽的电推进飞机。

4NASA737的机身和截断的机翼安装于NEAT

中进行全尺寸动力系统测试

5NEAT可以测试不同的电推进系统的配置(包括分布式电推进系统)

 

5NEAT可以测试不同的电推进系统的配置(包括分布式电推进系统)

NEAT试验台于20178月安装完成。测试从混合电动地面车辆中使用的货架产品牵引电机开始。派克公司生产的125 kW永磁电机是最轻、最小的一种。电机以轴对的连接方式安装来推进负载。一起模拟发电机和电机推进的涵道风扇。

STARC-ABL中,飞机尾部的涵道风扇可吸收在机身上缓慢移动的边界层,为尾流注入能量,从而减少阻力。这也减少了飞机巡航所需的涡轮风扇发动机的功率,还减少了飞机的质量和燃油消耗。NASA的设计研究表明,尽管增加了电气部件、风扇和涵道(这部分对节省燃油贡献20%),电推进系统还是可以节省7%~12%的燃油消耗。

NEAT试验台中,每个涡轮风扇由一对电动机模拟,这对电动机须匹配燃气涡轮发动机的速度、扭矩和惯性曲线。尾部推进器也是由成对的电动机模拟的,这些电动机须模拟不同高度的涵道风扇的推进动力。

测试先由8250 kW的电动机为涵道风扇提供0.5 MW功率,但到2018年后期,为NASA开发的大功率电机到达时,该试验台每个模拟涡轮风扇可产生1.4 MW电力以驱动尾部推进器,达到其满负荷的2.6 MW功率水平。

NASA正在资助5个不同的项目团队来开发1 MW的电机,这些电机在航空领域具备高效、高功重比和质量轻的特点。“他们开发的电机有不同的架构,但是初步的演示试验显示其具有接近99%的效率和13 kW/kg的功重比,到2018年将有符合规格要求的电机完成”。大功率超导电机和电力电子变换器在2019年左右投入使用。

STARC-ABL是从发动机到发电机、电机到风扇的串联混合动力推进系统。下一步,NASA计划在NEAT中测试波音SUGAR Volt的并联混合动力推进系统架构。这种架构采用安装在涡轮风扇发动机轴上的电动机,通过使用电池在起飞和爬升阶段增加飞机的推力。NEAT可以测试ECO-150分布式涡轮电推进系统,这种系统是采用安装在机翼上的涡轮发电机推进嵌入在机翼中的涵道风扇阵列来实现飞机飞行。

六 展望

未来,随着航空业对环境的影响越来越大,减少碳排放将是航空业发展的重点,飞机电力系统及其测控技术要围绕国际民机减排的总要求,大力开展大型飞机减排的工作。而大型多电、全电和电动飞机正是实现这一目标的重要保证。从未来飞机的发展方向可以看出,飞机的电力系统在飞机上的地位越来越重要,它决定着大型飞机未来的发展。未来飞机的电力系统具有先进的架构、更高的电压等级、更加智能和集成,电力电子器件可耐受更高的温度,动力电池具有更高的能量密度,这样才能满足飞机减少排放的要求。同时,未来航空业必然会对飞机电力系统的测控体系提出更高的要求,因此要花费更多的精力对电力系统测控技术进行研究。

要想占领世界航空技术的制高点,航空企业就要集中精力研究飞机电力系统技术和测控技术,只有这样才能赶上世界航空工业的发展。要想使飞机成为精品,飞机电力系统和其测试技术就是其核心和关键。相信本文会使更多人关注多电、全电和电动飞机的发展,更加关注飞机的电力系统及其测试技术,从而使飞机电力走进人们的生活,使大型飞机真正用上鲁棒性的电力系统,使大型绿色无污染的电动飞机真正的飞起来,进而飞的更高、更远,也使企业能够尽快进入世界航空的强者之林。

 

参考文献:

1]李开省.电动飞机技术的发展研究[J.航空科学技术,2019,30(1):1-7.

2]李开省,王宏霞.多电飞机技术及其标准体系探讨[J.航空标准化与质量,2007(6):10-14.

3]李开省.多电飞机电力系统发展综述[J.国际航空,201512):26-30.

4()正田英介.电机电器[M.冯浩,译.北京:北京科学出版社,2001.

 

 

 

 

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