航空航天器供电系统
严仰光 主编
一 课程要求
?要求： 掌握航空航天器（主要是航空器、飞机）供
电系统的基本概念、基本原理、基本特性和
分析设计方法，能运用所学的知识来分析、
解决航空航天器供电系统的技术问题，具有
一定的实验能力。
?目的： 航空航天、电源、电器生产、民航机务、维
护、航材等部门进行航空航天电源系统的设
计、生产、维护，管理电厂、电站。
二 课程性质
?工程性应用类 课程。
?涉及到 电机学、电工学、电工技术、
自控、电力电子、调速、微机、 物
理、化学 等学科知识。
三 课程安排
?总学时 56h，讲课 52h，实验 4h。
?考核方法： 平时成绩 30%，期末考试 70%。
?教材、内容：严仰光主编《航空航天器供电
系统》。
四 教学参考书
1. 飞机交流电源系统 V242/1005
2. 飞机供电系统设计 V242/1008
3. 飞机电气系统指南 V242/1009
4. 飞机电气系统 V242/1007
5. 电机学
6. 电力电子技术
第一章 概 述
航空航天器用电设备及其特性
航空航天器的二次能源
航空航天器供电系统
航空航天供电系统的沿革与发展
飞机供电系统的基本参数
3
3
1
1
2
2
4
4
5
5
第一章 概 述
飞机供电系统正常与应急工作
飞机电源的容量及其选择
航空航天电气设备的工作条件
对供电系统的基本要求
小结
6
6
7
7
8
8
9
9
10
10
§1—1 航空航天器用电设备及其特性
1 用电设备： 靠 电能 工作的设备。
2 分类：
? 按 功用：
(1) 发动机和飞机的操纵 控制设备 。
发动机喷油、点火、推动及转速控制。
飞机飞行仪表、通风、导航、燃油供给、起
落架收放、舱门起启闭。
(2) 机上人员生活和工作所需的 保障设备 。
环控、照明、加热、防冰、氧气、安全救生。
?按 功用：
(1) 发动机和飞机的操纵 控制设备 。
(3) 完成任务所需的 任务设备 。
?按 重要性：
（ 1）飞行 关键 负载：影响飞机安全飞行。
（ 2）飞行 必要 负载：影响飞行任务的完成。
（ 3） 一般 负载。
不同类型的飞机，负载的重要性是不一样的。
?按 用电种类：
直流
交流 （单相，三相）
交直流 混用。
3. 用电设备与供电系统的相互关系。
?用电设备种类繁多，对电能的形式要求不一样。
?供电系统提供的电能形式不可能很多样。
所以有相关的标准协调二者的关系，以使飞机
成本低、性能好。
如 ： GJB181-86
“飞机供电系统及对用电设备的要求 ”
(1)用电设备对电能质量的要求
用电设备：按 允许的线路压降 不同
间歇工作设备多数
限制使用
3V2V1V直流
8V4V2V交流
CBA
电压大小
?除了对 电压大小 的要求外，还对 直流电
压的电压脉动、纹波，交流电压的频率、
稳定度、波形失真度、三相电压对称性
有明确要求。
?对电能质量的要求， 目的在于使设备具
有预定的性能。 但要求不能高，否则增
加供电系统的成本，飞机的重量、成本。
(2)供电系统对用电设备特性的要求
?用电设备应选取 符合标准的电源电压、频
率 。不宜有特殊要求，否则使供电设备复
杂化。
?又如：交流用电设备 耗电量大于 500VA时
应有三相供电 。
?用电设备的特殊性不能影响电源系统的正
常工作 ，从而影响其它设备的工作。
4. 用电设备的特性
?不同的用电设备具有不同的特性，用
电设备的特性对供电系统会有影响。
?了解用电设备特性，是进行供电系统
设计的基础。
用电设备可分为：
（ 1） 线性负载： 符合欧姆定律，具有线性特性。
（ 2） 电动机负载： 启动电流大，制动工作时能
量可回馈电网。
（ 3） 非线性负载： 各种电力电子装置，整流设备
? 恒功率（负阻抗） ：输出电压稳定，输
出功率不变。
影响系统稳定性。
? 整流负载 谐波畸变：
输入电流 除了基波电流外，还有谐波电
流，导致电网电压畸变。
（ 4） 冲击负载 ：短时电功率急剧变化的负载。
注意：电源和用电设备的特性及其
相互影响。
用电设备的定义、分类及特性。
§ 1-2 航空航天器的二次能源
1 一次能源 ：飞行器飞行，工作时所有动力
的来源，即 ：
航空器：航空发动机
（ 1）产生推力、拉力或升力使飞机飞行。
（ 2）提供机上设备工作所需能源。
航天器：运载火箭
?飞行器飞行需要能源：
一次能源 和 二次能源 。
一定义
2 二次能源 ：设备运行、人员生活所需的
能源，其能量的来源是一次能源或其它
物理、化学、机械能源。
二 航空器二次能源种类
液压能、气压能源 和 电源 。
安全，传送方便，
易变换
现代飞机大量使用。
电
能
影响发
动机的
特性。
提取发动机压气机
增压后的空气
简便
机轮刹车，弹药传输，机
上的环境控制，防冰，温
度调节。
气
压
能
维护困
难，可
靠性差。
出力大，响应快，
体积小，工作平稳
起落架收放，舱门启闭，
飞机操纵面控制
液
压
能
缺点特点应用
二次
能源
三 航天器的二次能源
常用 电源
二次能源源于各种物理、化学电源：
化学电池、太阳能电池、燃料电池、核电源。
四 飞机二次能源的发展：
多种二次能源并存，管路多、复杂，飞机
的工艺、维护和可靠性低
电能能否取代其它的二次能源 ?
?早期不行：发电系统容量有限，电动作动
机构性能有限。
?电工技术的发展，材料的发展使二次能源
统一到电源已成为可能：正在研究全电飞
机。
飞行器设备动力来源
?航空和航天器的一次能源
?现代飞机的三种二次能源：液压、气压和电源。
?各自的应用场合及优缺点
§1-3 航空航天器供电系统
一. 供电系统
供电系统： 航空航天器电能产生、变换、
输送与分配部分的总称。
飞机电气系统： 供电系统和用电设备
供电系统：
电源系统 电源 电源汇流条
输配电系统 ： 电源汇流条 用电设备输入端
? 任务： 向用电设备提供电能。
（ 1）在各种条件下连续可靠的供电。保证飞
机安全可靠的飞行和完成飞行任务。
（ 2）高质量、高可靠性。
（ 3）自足性：不依赖于地面设备的支持。
电源系统
?主电源： 直接或间接由航空发动机传动的发电系统。
?辅助电源： 主电源不工作 时，为用电设备提供
电能的 机上 电源。
?二次电源： 用于将主电源转变为另一种或多种电能。
?应急电源 ： 主电源故障 时。
?地面电源接口 ：在地面时，通过插座由专门的地面
电源供电。
?备份电源
二 . 供电系统的组成
主电源 ： 直接或间接由航空发电机传动 。
辅助电源 ： Battery、 APU。小飞机用 Battery，
大飞机（民航）： APU。
应急电源 ：只向飞行关键设备供电，容量小，供返航。
Battery：
Ramget： 平时收于机体内，飞机失去动力后，自动
或手动释放于机身外。靠迎面气流吹动涡
轮，带动发电机或应急液压泵。
地面电源：
二次电源 ：可以集中供电（一台电源向多设备供电 ）
也可以分散供电 （ 用电设备自带）
配电系统 ：汇流条到用电设备（电能的传输与分配）
?电网 ：输电线。
?配电装置 ：开关，接触器
?检测与保护
配电系统控制方式：
常规式 ：所有设备的配电线都引入一个配电中心
（一般在座舱内）。
遥控式 ：汇流条靠近设备，控制线引入座舱。
固态式： 计算机通过多路数据总线传输控制信息和状态
信息，经SSPC对设备进行控制，减少控制线。
航天器的供电系统与航空器类似
区别 在于：航天器一般工作时间长，要与航天器等
寿命，容量大，高的效率，免维护，高可靠性 。
发电 +配电
习题： 1-1
1-4
飞机供电系统 的定义、组成。
飞机电源系统的组成、配电系统的控制方式。
§ 1-4 航空航天供电系统的沿革与发展
一 .航空电源的类型与发展
飞机的主电源类型
1.低压直流电源 （ LVDC）
（ 1）组成：
主 ：直流发电机 +控制器、调压器，保护
二次 ：旋转变流机、静止变流器： dc—Ac
辅助 ： Battery
应急 ： Battery
（ 2） 指标：
电压 ： 28.5V（调节点）， 27V（标称）
容量 ： 3、 6、 9、 12KW。
（ 100、 200、 300和 400A）
（ 3） 使用情况：
国外 ：早期、小型
国内 ： J7以前， H6以前，各类直升机。
(4) 发展：
电机 ：容量加大。（工艺与材料）。
发电 —起发。
有刷 —无刷。
控制器 ：
振动式 —碳片式 —晶体管 —数字式。
二次电源 ：旋转 —静止。
缺点：
1）有刷直发容量有限。
2）大容量、电网重： Y7 500多公斤；
H-6 约 2吨。
3）二次电源效率低。旋变： 40—50%。
静止： 70%左右。
优点： 简单可靠。
用蓄电池作应急与备用电源方便，体积小。
起动 /发电。
（ 5）特点：
?增大容量，减小电网重量：
?1946年美国发明恒速传动装置
CSD — Constant Speed Drive
2. CSCF 恒速恒频
?交流电机 f与电机的 n成正比 （ pn=60f ）。
发电机变转速，若直接传动：变 f，难以适应设备
的要求。
提高电压。
?直流电压提高：安全性，配电问题。
发展交流电源，低压直流问题得到解决。
（ 1）组成
主电源 ：
2. CSCF 恒速恒频
二次电源 ：变压整流器 (TRU-Transformer Rectifier Unit）
Engine CSD Gen
应急电源 ： Battery+变流机
应急发电机 （冲压空气涡轮传动的发电机）
辅助电源 ： APU（中、大型飞机）。
GCU
恒 f
恒 n
变 n
（ 2）指标
115/200V（电机 120/208V） 400Hz 三相四线
容量： 15、 20、 30、 40、 60、 90、 120、 150KVA。
（ 3）使用情况
国外 ：目前大多数飞机，军机 Su—27、 F—16，
民机 Boeing757、 767、 777等。
国内 ： J—8、 J—10。
2. CSCF 恒速恒频
（ 4）发展：四个阶段：
CSD Gen 调节保 护 GCU
50年代 ：差动液压 +有刷 交发 +电磁机械式
60年代 ：齿轮差动液压 +无刷 交发 +电磁式
70年代 ：组合传动发电机（ CSD+IDG） +晶体式
80年代 ： IDG + 微机式。
2. CSCF 恒速恒频
（ 5） 特点 ： 环境温度高，过载能力强。
缺点 ： CSD制造，使用和维护困难。
效率低。
电能质量难以提高。
不能起动发电。
2. CSCF 恒速恒频
（ 1）组成
主电源：
3. VSCF 变速恒频
Engine Gen
GCU
恒 f
变 f
变 n
Conv.
Engine CSD Gen
GCU
恒 f
恒 n
变 n
VSCF
CSCF
二次电源 ：变压整流器 (TRU-Transformer Rectifier Unit）
应急电源 ： Battery+变流机
应急发电机 （冲压空气涡轮传动的发电机）
辅助电源 ： APU（中、大型飞机）。
3. VSCF 变速恒频
（ 3）使用情况
A—4、 F/A18、 F-20、 Boeing777备份， J-8 等。
（ 4）发展： AC/AC——AC/DC/AC。
？
（ 2）指标
同 CSCF，现在容量 90KVA上下。
3. VSCF 变速恒频
?电能质量高。
?效率高 ， 80%以上。
?静止式，旋转部件少，高可靠。
?结构灵活。
?能起动发电。
?使用维护方便。
缺点
?允许的工作环境温度不如 CSCF。
?过载能力较差。
（ 5）特点：
3. VSCF 变速恒频
5 混合电源
使用两种以上主电源。
主电源 （ 1） LVDC+VVVF J—7 前苏联。
（ 2） LVDC+CSCF
（ 3） LVDC+VSCF G-3、 G-4。
（ 4） HVDC+VSCF F-22
4 高压直流电源： 270 V F-22
三 . 航天器电源： 关键在于电池种类 。
?电池的发展
过去 ：锌银电池 (化学 )→太阳能电池 +蓄电池 →
放射性同位素温差发电器→燃料电池。
发展 ：高效太阳能电池→聚光太阳能电池，太阳能热
动力电源→再生式燃料电池→大容量核电源
不同电源的用途：
蓄电池﹤ 10h； 燃料电池﹤ 250h；
太阳能、核电源﹥ 1个月。
飞机低压直流，ＣＳＣＦ，ＶＳＣＦ电源的组成、
指标、优缺点。
§ 1—5 飞机供电系统的基本参数
电流种类、电压、 f、波形、相数
一. 电压
与技术、经济、和历史继承性等因素有关。
dc：早期 12V（汽车）→ 28.5V→ 120V→ 270V
ac： 115V∕ 200V 36V(三相）
?U与电网重量的关系 ： U↑， g↓。
U↑↑ ，不一定 g↓↓ 。
115/200 g=30% 28.5g。
∵导线截面受机械强度限制 。 0.2mm
2
?决定 U的因素： 重量 、容量（ VA、 W）、安全性、
可靠性 、短路电流 、继承性 、通用性。
?U与容量的关系 ： U低，限制容量升高。
二 . 频率
决定 f的因素：电磁元件的重量、性能、材料与
成件的技术水平等。
f 高较好
1 、 变压器，滤波器 体积、重量与 f 的关系？
2、 发电机 ： 转速与极对数的关系？
n： 1—2万 rpm，受轴承寿命、结构强度限制。
P： 2—3对极，电机结构。故 f=pn∕ 60= 400rpm
3 、 电动机 ： n一定 , f↑ p↑对电机结构不利。
加大输出减速器减速比。
4、 有触点电器、开关灭弧 ：400～600Hz断弧时间最短。
电压增长率，电弧间空气介电强度
5、 电网 ：
f↑，导线感抗 ωL↑，集肤效应 R↑，
线路压降↑，损耗↑。
400Hz适宜。
导弹、航天飞机 : 500或 1000Hz
三. 相数及波形
三相四线制。
优点 ：
（1）发电机，电动机三相体积重量小效率高
（2）电动机易于起动，起动转矩大。
（3）线/相两种电压。
（4）电动机可靠性，三相中线接地，缺一相后仍能
旋转（单相运行）。
为什么不用单相？
波形：正弦交流
电磁元件损耗小， EMI小 。
电压、频率、相数及波形选取依据。
２８，１１５／２００Ｖ
４００Ｈ z
三相四线制
正弦波
§ 1-6 飞机供电系统正常与应急工作
一 . 工作状态
正常： 执行预定任务而 未故障 。
非正常 ： 短暂失控（如短路保护）
部分主电源故障。
应急 ： 主电源全部故障 ，
二 . 各种工作状态下电源的技术指标
返航。
表 1-1 交流供电系统稳态电压范围 ( V )
102~
120
93.5~
124.5
105.5~
116.5
100~
122
92~
126
104~
118
C
106~
120
97.5~
124.5
109.5~
116.5
104~
122
96~
126
108~
118
B
108~
120
99.5~
124.5
11.5~
116.5
106~
122
98~
126
110~
118
A
应急非正常正常
应急非正常正常
三相
单相
供电
类别
表 1-2 交流供电系统稳态平均频率范围
( Hz )
360~440370~430380~420
应急非正常正常
对供电系统的要求 :
单发飞机： 主电源故障 应急电源
一台主电源故障 主电源应急程序：
由正常电源供电
负载转移，卸载
多发飞机：
全部故障
应急电源
电源监控、负载监控
三 .飞机供电系统的 余度技术、不中断供电
飞行关键设备 ：四余度（二主，备用，应急）
重要设备 ：三余度（二主，备用）
通用设备 ：主电源供电
飞控计算机 ：不中断供电
不中断基础：并联
四 . 飞机各种供电状态下用电设备的工作
正常： 完全的技术性能 ，保证安全。
非正常： 对性能不做要求 ，应安全。
应急： 飞行任务设备应提供规定的技术性能和
安全保证。供电恢复后应恢复全部特性。
飞机供电系统的三种工作状态：正常、非正常、应急
主电源应急程序
§ 1-7飞机电源的容量及其选择
一、容量：
?主电源容量 ： 主发电机台数×单台额定容量。
DC： kW； AC： kVA
?额定容量： 在一定的 环境条件 下，电能质量 符
合 技术指标 要求 ， 长期连续 工作时
的 最大 输出容量。
?实际容量 ： 不一定等于额定容量。
?影响实际容量的因素：
（１）发热冷却：
飞机飞行的高度与速度：
高度：入口温度低但流量小。
高速：超音速，入口风温高。
（２）发电机转速
（３）发电机并联
（４）馈电线
二、过载能力：
交流： 150% 2min ， 200% 5s 。
直流： 125%～ 150% 2min ， 150%～ 200% 30s 。
对于工作转速范围宽的电机，并不要求在
整个转速范围内过载。
为什么要有过载能力？
满足负载切换，
电动机起动、保
护的需求。
2min过载：
（ 1）短时大负载。
（ 2）负载 转换。
5s过载： 电机起动，排除短路故障。
? 短路电流要求：
AC： CSCF 300%， VSCF 250%。
DC：不做要求 ，∵并 battery。
三、容量选择：
取决于飞行方案中所用设备对电功率的要求 。
（ 1）负载分析：
飞行任务
飞机工作状态
电源工作状况 ：正常：所有设备。
应急：关键设备。
? 按飞行阶段设计时，应考虑 用电设备的功率，
工作持续时间，大设备的起动功率。
（ 2）画负载图：正常，应急，地面供电。
根据 最大负载 选择电源和主发电机容量。
正常：主电源
应急：应急电源
地面：地面电源
（ 3）留有一定的余量。
飞机电源的容量定义。
影响飞机电源实际容量的因素。
飞机电源的容量选择方法。
§ 1-8 航空航天电气设备的工作条件
掌握分类、危害
? 气候因素：
温度 ： 变化范围大，变化速度快
０～１１ km：对流层
１１ km～３０ km：同温层
?环境因素： 气候、机械、化学和核 。
高度：
湿度 ：潮湿引起 绝缘性能 下降 。
淋雨 ：
霉菌 ：绝缘性能下降 。
盐雾 ：绝缘性能下降，设备腐蚀。
沙尘 ：绝缘、磨损。
? 机械：
振动 ： 机械谐振，结构强度
冲击 ：结构强度、活动触点
加速度 ：继电器触点，活动触点
电气设备必须有好的抗振强度和抗振稳定性．
? 化学和核因素：
有害气体 （蓄电池气体、臭氧、燃油蒸汽 ）：
火灾，爆炸
有害液体 （燃油、液压油、润滑油 ）：腐蚀。
电磁辐射 ，高能粒子辐射：干扰
航空航天电气设备的工作条件分类、危害。
§ 1-9 对供电系统的基本要求
基本要求： 可靠性、费用、维修性、重量和供电质量。
评价权重： 30% 24% 20% 20% 6%
一 .可靠性：成功率的标志
平均故障间隔时间（ MTBF） ：小时
MTBF－Ｍ ean Ｔ ime Ｂ etween Ｆ ault
故障率 （ λ=1/MTBF） ：千小时故障次数
（1）在各种条件下能连续可靠地向设备供电。
（ 2）每台电源独立，一套故障不应引起其它
供电系统或用电设备故障。
（ 3）自足能力。
高可靠性来自于 良好的设计，认真的制造、全面
的检查、合理的使用、准确的安装和正确的维护 。
可靠性要求 ：
二 . 设备费用
全寿命周期费用
三.维修性： 影响战术性能指标
平均故障修复时间 MTTR。
--Mean Time To Repair
自检测 BIT： Built-in-Test。
四.重量：轻
航空航天器的性能↑，经济性能↑。
设备重量
附加重量 ：设备安装结构重量
燃油重量 。
1.直流
稳态电压极限： 稳态时用电设备端电压的最大变化
范围，取决于 调压精度、馈电线压降 。
电压脉动： 负载变化或调节引起的电压小幅变化。
五.供电质量
电压瞬变 ：电压超出稳态极限，并在一定时间内
回到稳态极限的状态。
表示： 电压最大变化量和恢复时间 。
浪涌：持续时间长， ms，幅值较低。外干扰
尖峰：持续时间短， us，幅值较高。电路转换
稳态电压极限 。
电压波形： 波峰系数 : 峰 /有效值。 1.41±0.1
总谐波含量 ：<5%
1
2
2 nn
UU "+
单次谐波含量 ： <4%
偏离系数 ：与标准正弦波的偏离量
三相电压对称性 ： 幅值；相位 。
电压
电压调制 ：
电压瞬变 ：
2. 交流：电压和频率
浪涌：持续时间长， ms，幅值较低。
尖峰：持续时间短， us，幅值较高。
电压调制： 稳定运行时，电压在其峰值的平均值
附近周期性或随机或两者兼有的变化。
调制幅值
调制频率
包络线脉动
频率 ： 稳态频率极限
频率瞬变
频率调制 ：调制量、 调制频率
3. 电磁兼容性
系统及其部件在总的电磁环境下按规定
要求完成其功能的能力。
供电系统干扰设备
用电设备影响供电系统
1 用电设备的定义、分类及特性。
2 航空和航天器的一次能源 : 航空发动机
现代飞机的三种二次能源：液压、气压和电能。
各自的应用场合及优缺点
3 飞机供电系统 的定义、组成。
飞机配电系统的组成。
4 飞机的四种主电源的组成、指标、优缺点。
5 基本参数：电压、频率、相数及波形选取依据。
小结
小结
1
6飞机供电系统的三种工作状态：
正常、非正常、应急
7 飞机电源的容量定义。
影响飞机电源实际容量的因素。
飞机电源的容量选择方法。
8 航空航天电气设备的工作条件分类、危害。
9 对飞机供电系统的基本要求及评价权重。
可靠性的表示指标及设计要求。
飞机交流、直流电源系统的供电质量指标。
习题： 1.简述飞机供电系统容量选择的方法。
2.归纳飞机供电系统的基本要求。
