飞机电气系统技术的分析与解读

飞机电气系统技术的分析与解读

陈蒙蒙，赵雪魁

航空工业陕西飞机工业有限责任公司723200

摘要：随着科技的发展，如今的飞机电气系统结构十分复杂,涉及到的技术应用多种多样,因此有必要对其进行深入的了解。本文根据从事电气系统研究多年的经验,对飞机电气系统技术进行了分析与解读,共同推进电气系统在飞机得到更好的应用。

关键词：飞机；电气系统；技术分析

引言

随着航空技术的发展，飞机系统需要实时传输的信息量不断增加，对数据网络传输带宽也提出了更高要求。有线网络电缆需求数量巨大，A380-800飞机有约100000根电缆，总长度约470km，总质量超过5700kg，固定电缆还需要专门的支架，电缆和支架的总质量达到7410kg。B787飞机的电缆长度约500km，电缆和扎带的总质量约7400kg，约占全机质量的3%。电缆不仅质量大，而且增加了飞机制造成本。受导线制约，每个系统新增接口都需要重新规划布置导线，基础设施的布线时间带来了飞机设计的额外成本。

1数字孪生-群智感知驱动的飞机大修生产态势感知框架

对于飞机大修而言，若考虑全生命周期过程及数据，建立每一架次飞机物理实体的高保真虚拟实体及模型，目前仍存在诸多技术和管理等方面的难题。但是面向对飞机大修生产能力影响显著的典型问题，贯彻数字孪生的思想“借助历史数据、实时数据以及算法模型等仿真、验证、预测、控制”，以优化和改变飞机大修生产过程，这是目前在飞机大修生产数字孪生应用的可行和重要的方向。飞机大修生产实时状态和发展趋势的全面感知是生产系统优化运行的基础，也是飞机大修生产系统高效运转的关键环节。基于数字孪生、群智感知以及新一代信息技术等，如何实现面向飞机大修生产过程信息的全面感知和交互是数字孪生-群智感知驱动的飞机大修生产态势感知框架的关键环节，也是快速做出响应决策的基础。数字孪生-群智感知驱动的飞机大修生产态势感知框架应具有“全面感知、动态联动、实时分析、预测驱动、主动优化”等特征，针对飞机大修生产能力影响显著的典型问题场景，数字孪生-群智感知驱动的飞机大修生产态势框架可全面、方便的收集各种数据，感知运行期间的异常事件并及时处置。通过实时数据发现问题，再融合历史数据、模型和仿真的手段去模拟、验证、预测。每一架飞机大修的个性化需求与修理完成交付的飞机分别作为飞机大修生产态势感知框架的输入与输出，各子系统内各类对象围绕飞机大修生产过程，开展信息交互与联动，并基于数据、模型与知识等实现大修过程的感知与任务执行、数据驱动、仿真、预测、决策和优化运行等，完成每一架飞机大修的个性化生产执行。

2应用场景及技术挑战

飞机系统按照工作时段可以分为空中工作(包括滑行、起飞、爬升、巡航、下降、进近与着陆)和地面工作两类;无线网络按照是否参与系统闭环控制可以分为闭环和监控两类。组合之后有4类应用场景:地面－监控、空中－监控、地面－闭环、空中－闭环，每一类又包含多个具体的应用场景。

（1）地面－监控飞机处于地面，无线网络仅作为监控设备的通信网络，因此对无线网络的可靠性和时延要求都不高。具体应用场景如下。地面维护。飞机维护数据需要从飞机上传输到地面站，传统方式是当飞机停泊后，地勤人员携带地面设备或者移动存储盘与机载设备连接并下载数据，工作量大、耗时长。改用无线网络之后，飞行维护数据通过无线网络自动由机载设备传输到地面站设备，完成数据下载。军用运输机的货舱较大，传统方式下货运人员通过固定话筒或者有线耳机与机组通话，通话时货运人员工作受限，效率不高。采用蓝牙无线技术，在货舱内部间隔一定距离布置蓝牙接收终端，货运人员佩戴蓝牙耳机可以一边与机组对讲，一边工作。

（2）空中－监控飞机处于空中，无线网络仅作为监控设备的通信网络，因此无线网络的可靠性要求高，时延要求不高。客舱娱乐服务。传统飞机客舱娱乐系统将固定音视频内容存储在系统终端的硬盘中，供乘客选择。由于内容少、更新不及时、无法与互联网连接，已经不能满足乘客需求。采用无线网络技术可以实现系统终端与飞机固定服务器的无线连接，固定服务器通过专用设备与地面互联网连接，保证乘客既可以上网，又能看到最新的音视频内容。飞机状态信息监测。飞机的重要部件(如发动机、重要结构件、机翼载荷)在飞行过程中会产生大量的状态信息，监测并分析这些信息可以判断飞机的健康状态。传统飞机受到布线困难的限制，仅能小部分监测状态信息。

（3）地面－闭环飞机处于地面，无线网络参与系统闭环，因此对无线网络的可靠性要求不高，时延要求高。无线控制可应用在地面货运系统。地面货运系统是民用货机和军用运输机完成装卸货任务的控制管理系统，包括吊车控制、绞车控制、导轨电控锁控制、货物信息识别等。传统地面货运系统采用线缆连接完成闭环控制，此类线缆的质量在飞行中消耗飞机的燃油，降低了飞机运营经济性。采用无线网络控制技术去除线缆，可以减轻飞机质量、降低燃油消耗、提高经济性。

3引入复合材料后的飞机电气结构网络拓扑

目前使用三维设计软件进行线束通路模型设计是飞机综合常用方法，该方法通过与电气设计软件进行数据协同，设置相关布线的规则，自动计算出最合理的敷设拓扑。ESN在复合材料飞机中具有电脑传输与有机信号的载体功能，ESN给其提供了电流回流路径，为接地与搭接功能的实现提供良好的条件。本身ESN电器信号传输属性优良，ESB拓扑设计及其优化和普通线路的布线与通路规划相似性较高，如余度设置、最短、最优路径等。根据电气设备之间的电流回路路径越短，其电阻越小的原理，为了电气结构传输电源电流与大电流回路接地效果优良，必须选择电气设备结构连接的最短路径，可以构建飞机接地网网格图。通过布线程序对设备之间的最短路径进行计算，最后得出接地网络拓扑。飞机的机翼、尾锥、腹部等部分大多也是由特殊工艺复合材料制造而成，机身中复合材料电气设备连接在一起后组成了电气网络，主要应用在放电保护、电压往返通路与电气设备故障电流等方面。构建ESN通路模型，以飞机特点为基础，保证电气设备在后设备舱中集中。可通过飞机载体设备构建多个具有电流回路关系的典型设备，构建通路模型。

航空制造业中新一代飞机以“长寿命、轻质化、高可靠、高效能”等高科技发展为主要目标，复合材料均已经具备相关优势，为新一代飞机发展目标的实现提供优良的途径。因此，优化电流回路网络的建立旨在将复合材料在飞机搭接与飞机接地问题及时解决。研究分析的ESN规划方法主要是针对飞机电气设备路径规划中，需对故障电流、电磁兼容之类的数据进行全面考虑，提高ESN规划的合理性与安全性。优化设计ESN结构网络模块路径与三维建模时可以发挥降压分析的功能，是电流回路网络中重要的组成部分，使用电气结构网络ESN分析相关的电气性能，在复合材料飞机内部搭建电气结构网络的方法，通过优化得出最优的ESN拓扑结果。通过反复地测试分析表明，该电气结构网络拓扑的设计和优化方法具有可行性与有效性，提高了复合材料在飞机电气结构网络使用的安全性，对飞机的研制使用及规划设计均具有重要的意义。

结语

本文面向现代飞机大修对于个性化生产过程的精细化、精益化科学管控的需求，针对飞机大修生产中信息难获取、工期难控制、资源不均衡等问题，探索数字孪生、群智感知技术在飞机大修生产中的应用，提出数字孪生-群智感知驱动的飞机大修生产态势分析与优化运行方法，建立了飞机大修生产态势感知框架，融入“全面感知、动态联动、实时分析、预测驱动、主动优化”的运作逻辑。

参考文献

[1]周济.智能制造——“中国制造2025”的主攻方向[J].中国机械工程,2015(17):2273-2284

[2]刘强.智能制造理论体系架构研究[J].中国机械工程,2020,31(1):24-36

[3]陶飞,张贺,戚庆林,等.数字孪生十问:分析与思考[J].计算机集成制造系统,2020,26(01):1-17.