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摘要：机电综合是未来飞机机载机电系统的重点发展方向，本文首先阐述了机电系统综合技术的概念；其次介绍了机电系统综合化发展的演变过程以及机电系统综合技术应用现状；分析了机电系统综合目前面临和急需发展的关键技术，为国内航空机电综合化发展提供一定思路与参考。

关键词：机电系统；综合化；发展重点

中图分类号：V243

1引言

飞机上的机电系统如起落架系统、刹车系统、燃油系统、防冰、防雨系统、液压系统等等，是飞机正常工作的基础，随着现代飞机性能的不断提高，传统机电系统存在的问题也逐渐暴露。一方面，传统机载机电系统之间联系微弱，互相之间的影响不大，各自独立[1]，重量大、硬件利用率低、可靠性及维护性差[2]；另一方面，机电系统所承担的飞行保障任务越来越重；为适应现代飞机发展需求，传统机电系统正从各自独立发展快速向机电综合方向发展，机电系统综合化发展[3]。

航空机电系统综合技术是指将环控、液压、电源、燃油等机电子系统进行物理及功能上的综合，形成一个综合化系统，根据飞机不同状态，实时进行飞机上气、液、电的控制、调整与分配，自动选择最佳能量和热沉源，实现系统性能、功能、效率和成本最优化，最终完成二次能源获取、传输与使用的飞行保障功能。机电综合主要包括动力与热管理系统（PTMS）、电作动系统（EAS）、电源系统（EPS）、燃油热管理系统（FTMS），由集成在飞行器管理系统（VMS）下的机电综合管理系统（IEMS）对系统的信息进行综合处理，达到信息的适时认知和共享。

2 机电综合技术发展历程

美国空军从20世纪80年代开始实施了一系列机电系统综合研究项目，相继完成了公共设备管理系统（UMS）计划，“热油箱”燃油热管理计划、多电飞机（MEA）计划、子系统综合技术演示验证计划，目前正在进行飞行器能量综合技术（INVENT）计划和能量优化飞机（EOA）计划，实现飞机能量综合与优化，如图1 所示。这些研究计划不仅在时间上具有连续性，在研究内容上也具备继承性。

1）公共设备管理系统（UMS）计划

传统的各机电子系统为实现系统特定功能，采用了专用控制器，这些控制器之间接口信息传输协议不一致，导致通用性及数据共享能力及差。上世纪80年代英国验证机计划（EAP）首次研发出公共设备管理系统，即机电综合管理系统。机电综合管理系统利用数据总线传递信息，实现对机载机电系统实施统一的控制和管理。它的出现解决了机载机电系统原先采用的单功能控制装备与连接多功能显示器的数据总线之间的不协调问题，增加了各机电子系统之间联系，降低设备重量、提高了硬件利用率、可靠性以及维护性。

2）“热油箱”燃油热管理计划

先进飞行器正朝着高空高速、长航时、临近空间飞行、隐身等方向发展，飞行器所搭载的武器设备也越来越先进，功率提取也越来越大[5]。作为第4代战斗机代表的Ｆ-22有两个电子舱，总设计热载荷达到了55ｋＷ，传统的空气循环制冷系统很难提供足够的冷量来冷却这些电子设备。上世纪80年代，美国空军开始了“热油箱”燃油热管理计划项目的实施，充分利用JP8+100耐高温燃油作为热沉的蓄热作用，循环冷却飞机部件，减少环控系统对发动机引气的需求，降低了燃油代偿损失，提高了热管理效率。

3）多电飞机（MEA）计划

为了提高飞机性能和可靠性，希望所有二次能源均用电能形式分配，上世纪70年代就提出了多电飞机（MEA）计划，美国的多电飞机计划是一项按技术可用性分阶段实施的研究、发展和验证计划。其中，第1代多电飞机实现可靠性高和足够大的发电容量，取代机载液压系统；第2代多电飞机发电容量将进一步增大，从而有能力为定向武器等新的军用装备提供电力；第3代多电飞机代表了供电技术的长远设想，其技术可用期为2012年.据最新报道，美国已用80kW的开关磁阻发电机和电动静液作动器改装一架先进战斗机技术综合试验台F-16飞机.改装后的飞机在1998年8月开始进行了4个月的地面试验，然后在1999年开始，按照综合公共设备系统技术验证计划进行6个月60次飞行验证试验。

4）子系统综合技术演示验证（J/IST）计划

子系统综合技术演示验证（J/IST）计划项目基于多电飞机方案，拟在解决父级系统、多系统之间的综合问题，同时兼顾到了飞机系统热管理问题。1995年，美国空军为了解决目的是更好地解决F-35的热管理问题开始实施这项计划，该计划进行了56项演示验证内容。子系统综合技术演示验证可降低了工程制造阶段的技术风险以及生产试验成本。

5）综合飞行器能量技术（INVENT）计划

2008年6月，美国空军对外宣布要开展“综合飞行器能量技术（INVENT）计划”并首次提出“能量优化飞机”的概念。该计划分为三阶段进行：第一阶段，采用已验证技术应用到F-35飞机上，解决其热管理问题，缩短地面维护时间、提高低空飞行时间等；第二阶段，关注中期技术，用以满足下一代能量优化飞机的需求，包括通过系统综合将航程/续航时间提高10%，功率和制冷量提高5倍。第三阶段关注远期技术，主要面向高超声速平台、超声速远程攻击系统等。

3 机电系统综合技术应用现状

3.1军用飞机机电系统应用现状

F22是世界第一架实现机载机电系统综合管理的战斗机，综合控制的范围包括供电、液压、燃油、环控、救生、辅助动力、起落架、刹车、结构完整性诊断和状态监视系统等。F-22 以综合飞机子系统控制器（IVSC）为顶层、公共设备控制处理器（UCP）为底层，共同构成了机电综合管理系统的两级结构。IVSC系统主要完成对辅助动力、供电、环境控制、燃油管理、液压监控等机电子系统的监测和管理；UCP实现对各机电系统的基本控制功能。

美国第四代战斗机F35，在F22综合化的基础上，进行了深度综合化，综合了机电控制、飞行控制和推进控制，F-35战斗机是第一个采用多电技术的战斗机，机电子系统具有综合化、多电化等特征，组合动力包IPP、电液作动器EHA、风扇函道散热器等都是首次应用，实现了辅助动力系统、应急动力系统、环境控制系统、燃油系统、电源系统等飞机机电功能子系统的综合化。

从F22和F35的机电综合管理系统看出，飞机机电综合管理系统的技术发展经历了部分物理和功能综合、高度物理综合和部分功能综合、高度物理和功能综合3个阶段，深度综合化是机电综合管理系统的发展趋势，也是提升飞机整体性能的必然途径。

3.2民用飞机机电系统应用现状

空客A380飞机是基于飞机总线网络架构下的机电系统综合，但是其综合方式特点主要还是以系统功能为原则，各个机电系统相对独立，采用二余度的 AFDX 开关网络互联作为传输中枢。A380飞机是第一个采用多电技术的客机，总发电功率是 910kVA，采用液压作动器、电液作动器和电备份液压作动器（EBHA）的组合方案，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飞机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，总发电功率为1450KVA。飞机上的电源来自4个安装在发动机上的230V交流250KW变频发电机和两个安装在辅助动力装置（APU）上的230V交流225KW变频发电机组成，变频系统取代了传统的恒频系统，频率在360Hz～800 Hz之间;一个空气充压涡轮系统驱动一个10 KVA交流发电系统。电源经过变频、整流、变压分配后形成飞机的4种电源模式，即传统的115V交流、28V直流和新的230V交流、270V直流。

国内ARJ21-700飞机中，供应商LTS使用两台双通道计算机将环境控制系统、座舱压力控制系统、引气系统和机翼防冰系统进行综合，取得了相当好的综合效果。

4 机电系统综合关键技术

机电综合系统是一个涵盖航电、控制、电气、机械、液压、燃油等多个专业的复杂综合体，除了各专业固有的技术难点，为了实现系统综合又衍生出一系列关键技术有待解决。包括整个系统的研制技术和分系统的新技术要求。

4.1机电综合系统构架设计技术

构架设计是机电综合系统的顶层设计，主要是基于系统基本功能和性能指标，搭建系统构架，使机电综合系统满足飞机总体设计的要求。系统构架是机电综合系统设计理念的直接体现，该构架设计的是否合理，直接决定了整个系统的各项性能指标，因此是机电综合系统的关键技术之一。一般在满足各分系统的功能、安全性、可靠性等基本要求的同时，应从如何提升整个机电系统的能源利用率、可靠性、安全性等角度出发。如利用系统冗余进行容错设计，使在出现故障时进行系统重构，提高机电系统的容错能力。此外还需要设计各分系统之间以及分系统与综合管理系统之间的接口等。

4.2机电综合管理系统设计技术

机电综合管理系统是机电综合系统的中枢，是对机载系统进行综合化管理、自动控制及故障监测的分布式计算机系统，通过总线与航空电子系统及飞机其他系统连接，使机电系统与其他系统的信息可以高度融合。信息的高度融合使航空电子系统的任务管理更加完善，同时也使机电系统的管理、控制及监视达到最优，使飞行员及维护人员可通过显示、音响、告警及记录的方式得到更加完善、准确的机上信—息。

4.3状态监控与故障诊断技术

状态监控和故障诊断是机电综合系统进行系统重构、故障隔离的前提条件。因此每一个机电综合系统都应具备状态监控与故障诊断的能力。因此，系统如何实时准确地自检出故障位置和状态成为机电综合系统的关键技术之一。一般对于能够建立较精确数学模型的系统，可用基于模型的方法进行故障诊断；对于复杂系统，可根据监控得到的特征信号进行故障诊断。

5.展望

现代飞机正向着向着能量优化方向发展，机电综合则是未来机载系统的必然趋势。飞机将通过机电综合技术不断完善能源的全局控制与分配，信息相互共享，功能互为备份，从而提升整个机电系统的综合性能。在此过程中需攻克相关关键技术，提高效率，降低风险。最终实现机电综合技术的快速发展。

参考文献：

[1]Richard Waldo，Stephen Foley. Utility management system for hypersonic vehicles[J].CH3030-4/91/0000-0001，IEEE，1991.

[2]陈娟，王占林，裘丽华等.机载机电系统综合管理仿真平台的研究[J].仪器仪表学报，2002年6月（增刊）：933～935.

[3]郭生荣.航空机电系统综合技术发展分析[J].航空科学技术，2013，（5）：5-10.

[4]焦宗夏，郭生荣，李运祥，航空机电综合学科发展报告[J].航空科学技术，2014，（04）.

[5]DOOLEY M， LUI N， NEWMAN R， etal.Aircraft thermalmanagement-heat sink challenge：SAE2014-01-2193 [R].Warrendale： SAE International，2014.

[6]王晓梅.民用飞机系统机电综合的发展[J].科技创新导报，2011（32）.