直流電源系統(tǒng)由于直流電能可以存儲(chǔ)，易于并聯(lián)供電，供電電壓低，重量輕等優(yōu)點(diǎn)而廣泛應(yīng)用于各類(lèi)通航飛機(jī)。其主要包括機(jī)載蓄電池、（交）直流發(fā)電機(jī)、應(yīng)急直流電源、供電網(wǎng)絡(luò)及保護(hù)裝置等。通常小型通航飛機(jī)只配有一套直流電源系統(tǒng)，該系統(tǒng)發(fā)生故障會(huì)對(duì)飛行員和飛機(jī)造成極大安全威脅和致命傷害[1]。

1 小型通航飛機(jī)直流電源系統(tǒng)原理及結(jié)構(gòu)

以廣泛應(yīng)用于飛行訓(xùn)練、觀光旅游等各行業(yè)的Cessna172單發(fā)活塞飛機(jī)為例，該型飛機(jī)電源系統(tǒng)包括主電源、備用電源和供電網(wǎng)絡(luò)3大部分，如圖1所示。

（1）主電源：包括一個(gè)28V直流，額定電流60A的交流－直流發(fā)電機(jī)和一個(gè)電源控制組件。電源控制組件內(nèi)部裝有一個(gè)發(fā)電機(jī)控制組件（ACU），用于電源的控制和保護(hù)功能，內(nèi)有調(diào)壓器和反流隔斷器；一個(gè)外部電源插座；電池、發(fā)電機(jī)、起動(dòng)機(jī)和外接電源的繼電器。

（2）機(jī)載蓄電池：包括一個(gè)24V，12.75AH（5h放電速率），12單元體的鉛酸主電池和一個(gè)24V應(yīng)急電池。當(dāng)主電源斷電時(shí)，由機(jī)載蓄電池供電；且當(dāng)主電池也斷電時(shí)，由應(yīng)急電池向主飛行顯示器、大氣數(shù)據(jù)計(jì)算機(jī)、姿態(tài)航向基準(zhǔn)系統(tǒng)、1號(hào)通信/導(dǎo)航組件、應(yīng)答機(jī)、音頻板供電，至少可保證系統(tǒng)工作30min以上。

（3）供電網(wǎng)絡(luò)：主要包括兩個(gè)主匯流條和兩個(gè)電子匯流條、主電門(mén)和電子設(shè)備電門(mén)以及相關(guān)跳開(kāi)關(guān)。其中，1號(hào)主匯流條向遮光板照明、駕駛艙頂燈、禮貌燈、點(diǎn)火開(kāi)關(guān)、輔助電動(dòng)燃油泵、著陸燈、尾翼防撞燈、襟翼馬達(dá)等部件供電。2號(hào)主匯流條向轉(zhuǎn)彎側(cè)滑儀、空速管加溫、航行燈、滑行燈、頻閃燈、地圖燈、儀表照明等部件供電。1號(hào)電子匯流條向電子設(shè)備冷卻風(fēng)扇、GPS接收機(jī)、音頻控制板、1＃導(dǎo)航/通信收發(fā)機(jī)等部件供電。2號(hào)電子匯流條向2＃導(dǎo)航/通信收發(fā)機(jī)、應(yīng)答機(jī)、ADF接收機(jī)等部件供電。

圖1 某通航飛機(jī)直流電源系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Fig.1 Power system structure of general aviation

2 故障分析及排除

2.1 故障統(tǒng)計(jì)和分類(lèi)

在對(duì)25架該型飛機(jī)近3年的使用維護(hù)中，統(tǒng)計(jì)出該直流電源系統(tǒng)故障共計(jì)84起。這些故障涉及機(jī)載蓄電池、發(fā)電機(jī)及電源控制組件、供電網(wǎng)絡(luò)等各個(gè)組成部分，其中既包括一些單因素常規(guī)故障，還包括一些多因素復(fù)雜故障，主要故障的描述如表1所示。

2.2 故障原因分析和排故

2.2.1 機(jī)載蓄電池

機(jī)載蓄電池故障主要集中在電壓低、容量不足以及線路問(wèn)題等。

在某次地面試車(chē)中，按下起動(dòng)開(kāi)關(guān)后發(fā)現(xiàn)電池電壓由23.8V迅速減小到15.2V，雖然起動(dòng)機(jī)能夠帶動(dòng)螺旋槳旋轉(zhuǎn)但始終不能使發(fā)動(dòng)機(jī)工作，停車(chē)后再次通電發(fā)現(xiàn)電池電壓指示為21.6V，初步判斷電池容量不足。拆下該電池，用比重計(jì)測(cè)量其電解液比重為1.232，已經(jīng)低于1.250～1.295的規(guī)定范圍。裝上充滿電的電池后起動(dòng)正常。

表1 電源系統(tǒng)故障描述表

在某次地面試車(chē)時(shí)，起動(dòng)3s后電池跳開(kāi)關(guān)跳出，停車(chē)后檢查發(fā)現(xiàn)電池正極接線柱和接線片有不同程度的燒蝕且接線片松動(dòng)，拆下后去除燒蝕重新安裝緊固后工作正常。判斷該故障由于正極接線片松動(dòng)，起動(dòng)時(shí)電池為大功率負(fù)載供電時(shí)會(huì)造成接觸不良，從而發(fā)生燒蝕并觸發(fā)保護(hù)開(kāi)關(guān)跳出。

2.2.2 發(fā)電機(jī)及電源控制組件

發(fā)電機(jī)及電源控制組件內(nèi)安裝有蓄電池繼電器、起動(dòng)機(jī)繼電器、地面電源繼電器、發(fā)電機(jī)繼電器、電壓調(diào)節(jié)器、過(guò)壓和低壓保護(hù)等電路。據(jù)統(tǒng)計(jì)，發(fā)電機(jī)及電源控制組件故障占該機(jī)型電源故障的一半左右，主要集中在發(fā)電機(jī)及其部件損壞、短路、繼電器故障、電壓控制器故障等[2-3]。其原理結(jié)構(gòu)如圖2所示。

在某次飛行中，飛行員反映發(fā)電機(jī)不發(fā)電，落地后檢查發(fā)電機(jī)外觀無(wú)燒蝕，勵(lì)磁線、輸入線和地線無(wú)松動(dòng)、燒蝕和短路現(xiàn)象，離線測(cè)量輸入線電壓為23.8V，基本與電池電壓一致，初步判斷發(fā)電機(jī)內(nèi)部損壞。拆開(kāi)發(fā)電機(jī)后發(fā)現(xiàn)碳刷過(guò)度磨損，其高度已低于最小規(guī)定值6mm，更換新碳刷并重新裝機(jī)后試車(chē)，發(fā)電機(jī)工作正常。

圖2 電源控制組件組成結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Structure of power control unit

在某次地面試車(chē)中起動(dòng)發(fā)電機(jī)后出現(xiàn)非正常的噪音，且該噪音隨著轉(zhuǎn)速的變化而變化，關(guān)閉發(fā)電機(jī)后噪音消失。首先檢查發(fā)電機(jī)上的濾波電容，未發(fā)現(xiàn)松動(dòng)或者斷路；然后檢查發(fā)電機(jī)和電源控制組件的接地線，固定可靠未見(jiàn)松動(dòng)；再次脫開(kāi)發(fā)電機(jī)電源輸入端和電池負(fù)線，用數(shù)字萬(wàn)用表負(fù)線連接發(fā)電機(jī)的電源輸入接線柱，正線連接地線接線柱，所測(cè)值為0.2，小于正常值范圍：0.8～1.0，判斷該發(fā)電機(jī)內(nèi)的二極管短路。重新更換發(fā)電機(jī)試車(chē)，未出現(xiàn)噪音。

在某次拆裝發(fā)電機(jī)后地面試車(chē)，當(dāng)按下發(fā)電機(jī)控制開(kāi)關(guān)后，發(fā)動(dòng)機(jī)勵(lì)磁跳開(kāi)關(guān)立即跳出，初步判斷線路上存在短路現(xiàn)象。檢查發(fā)現(xiàn)發(fā)電機(jī)勵(lì)磁線、輸入線和地線連接緊固無(wú)松動(dòng)，脫開(kāi)接線片后按下發(fā)電機(jī)控制開(kāi)關(guān)，勵(lì)磁跳開(kāi)關(guān)未跳起且輸入線電壓為24.1V，懷疑發(fā)電機(jī)勵(lì)磁線圈搭地，測(cè)量勵(lì)磁接線柱和地線柱的電阻為5.3Ω，符合3～10Ω的規(guī)定范圍，仔細(xì)檢查發(fā)現(xiàn)發(fā)電機(jī)勵(lì)磁接線柱上用于隔離發(fā)電機(jī)殼體與接線片的絕緣膠圈損壞，從而造成勵(lì)磁接線片一直與殼體搭地。更換絕緣膠圈后發(fā)電機(jī)工作正常。

在某次定檢工作中執(zhí)行地面通電程序，當(dāng)接通主電門(mén)開(kāi)關(guān)后，起動(dòng)機(jī)就自動(dòng)工作并帶動(dòng)螺旋槳旋轉(zhuǎn)起來(lái)，關(guān)閉電源并結(jié)合線路圖檢查發(fā)現(xiàn)主電門(mén)開(kāi)關(guān)只控制電池繼電器的通斷，而起動(dòng)繼電器是靠飛機(jī)鑰匙將磁電機(jī)開(kāi)關(guān)扳到起動(dòng)位時(shí)才接通，初步判斷起動(dòng)繼電器故障。由于在未通電的情況下起動(dòng)繼電器觸點(diǎn)未接通，則其電阻理論上應(yīng)為無(wú)窮大，但是測(cè)量值卻僅為72Ω，拆下并分解該起動(dòng)繼電器后發(fā)現(xiàn)其兩觸點(diǎn)已部分燒蝕并粘連在一起，更換該起動(dòng)繼電器后起動(dòng)機(jī)工作正常。

2.2.3 供電網(wǎng)絡(luò)

供電網(wǎng)絡(luò)的故障主要包括單個(gè)元件的接觸不良、性能老化失效和線路中短路、斷絲、斷路等情況。

如在某次通電測(cè)試中，接通主電門(mén)開(kāi)關(guān)，主顯示屏被點(diǎn)亮10s后出現(xiàn)閃爍并最終熄滅。檢查電池電壓為23.9V，滿足電壓要求，更換主電門(mén)開(kāi)關(guān)后通電主顯示屏被正常點(diǎn)亮，故障消除。檢查拆下的主電門(mén)發(fā)現(xiàn)其內(nèi)部觸點(diǎn)已燒蝕。

在某次地面試車(chē)工作中，一旦接通發(fā)電機(jī)開(kāi)關(guān)后“ALT FLD”（即發(fā)電機(jī)勵(lì)磁）斷路器就跳起。首先脫開(kāi)發(fā)電機(jī)電源輸入端上的濾波電容，接通后故障未變，之后脫開(kāi)發(fā)電機(jī)的電源輸入端，接通后故障仍存在，然后脫開(kāi)發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁線，接通后“ALT FLD”不再跳起，因此判斷故障原因?yàn)榘l(fā)電機(jī)內(nèi)部勵(lì)磁電路短路或外部勵(lì)磁線短路，檢查發(fā)現(xiàn)發(fā)電機(jī)到發(fā)電機(jī)控制組件之間靠近發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)匣的一段線路絕緣層已磨破，裸露的導(dǎo)線接觸到機(jī)匣上的螺釘造成了短路。

3 故障統(tǒng)計(jì)分布分析

對(duì)25架該型飛機(jī)近3年出現(xiàn)的84起直流電源系統(tǒng)故障分析發(fā)現(xiàn)，機(jī)載蓄電池子系統(tǒng)故障有16起；發(fā)電機(jī)及電源控制組件子系統(tǒng)故障有45起；供電網(wǎng)絡(luò)子系統(tǒng)故障有23起。而引起各子系統(tǒng)故障的因素又分別分為兩類(lèi)，具體故障原因分布如表2所示。

從表2可以看出，發(fā)電機(jī)及電源控制組件故障占了系統(tǒng)故障的一半多，供電網(wǎng)絡(luò)次之，機(jī)載蓄電池最少。而發(fā)電機(jī)及其部件又在所有故障原因中占有最大份額，這反映了發(fā)電機(jī)作為通航飛機(jī)電源系統(tǒng)的主要?jiǎng)恿υ矗捎诠ぷ髫?fù)荷大、時(shí)間長(zhǎng)，環(huán)境較差等原因，故障率最高。其次是電源控制組件故障和供電網(wǎng)絡(luò)的線路故障，斷路器、繼電器、過(guò)壓保護(hù)器和電子線路相對(duì)機(jī)械結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性較差，再加上溫度、濕度、振動(dòng)等環(huán)境因素的影響，極易出現(xiàn)各類(lèi)故障。

表2 故障原因統(tǒng)計(jì)分布表

4 總結(jié)

通航飛機(jī)直流電源系統(tǒng)相對(duì)于大型運(yùn)輸機(jī)來(lái)說(shuō)具有結(jié)構(gòu)較簡(jiǎn)單，安全冗余度較低、故障率較高等特點(diǎn)。通過(guò)對(duì)典型通航飛機(jī)直流電源系統(tǒng)近3年發(fā)生故障的詳細(xì)分析，找出了該系統(tǒng)故障的最大影響因子——發(fā)電機(jī)及電源控制組件以及3個(gè)關(guān)鍵因素——發(fā)電機(jī)及部件、電源控制組件和電子線路。該結(jié)果對(duì)其他通用航空類(lèi)飛機(jī)的日常使用和維護(hù)都具有較好的參考意義和價(jià)值。

[1] 周波.波音737飛機(jī)電源系統(tǒng)故障分析.中國(guó)民用航空，2011，124： 66-67.

[2] 馮又欣.老齡飛機(jī)電子系統(tǒng)線路故障的維修及預(yù)防. 航空維修與工程，2010(3): 49-51.

[3] 許鷹.飛機(jī)電氣部件產(chǎn)生故障的一般規(guī)律和排除方法. 航空維修與工程，2007(4)：29-30.