Требования к системам электроснабжения ЛА

Требования авиационных правил АП-25

С точки зрения безопасности полетов ко всему бортовому оборудованию, включая системы и установки, производящие и потребляющие электроэнергию, предъявляются следующие требования.

а) Оборудование, системы и установки, назначение которых соответствует требованиям настоящих норм, должны быть сконструированы таким образом, чтобы обеспечить надежное выполнение ими намеченных функций во всех ожидаемых эксплуатационных условиях.

b) Системы самолета и связанные с ними элементы, рассматриваемые отдельно и в сочетании с другими системами, должны бать спроектированы таким образом, чтобы:

1) возникновение любых отказных состояний, которые могли бы воспрепятствовать безопасному продолжению полета или посадке самолета, было бы практически невероятным (Р <10^-9);

2) возникновение любых других отказных состояний, которые могли бы уменьшить способность самолета или возможность экипажа справляться с неблагоприятными условиями эксплуатации, было бы редким (невероятным), 10^-5 – 10^-9;

c) каждая установка, функционирования которой требует настоящий раздел норм и которая потребляет энергию, является «важным приемником» в системе энергоснабжения. Источники энергии и система должны быть в состоянии обеспечить питанием следующие приемники в вероятных различных комбинациях и вероятной продолжительности:

1) приемники, подключенные к нормально функционирующей системе энергоснабжения;

2) «важные» приемники после отказа любого первичного двигателя, преобразователя энергии или аккумулирующего энергию устройства;

3) «важные» приемники после отказа любого одного двигателя на самолетах с двумя двигателями и двух двигателей на самолетах с тремя или большим числом двигателей;

4) «важные» приемники, для которых данный раздел норм требует запасной источник энергии после любого отказа или неисправности в любой одной системе энергоснабжения, системе распределения или другом приемнике;

5) по своему назначению приемники электрической энергии подразделяются на три категории:

приемники первой категории, работа которых необходима для обеспечения безопасного завершения полета и посадки. При отказе основных источников электроэнергии электропитание этих приемников должно обеспечиваться от аварийных источников;

приемники второй категории, работа которых необходима для безопасного продолжения запланированного полета и посадки по заданию на полет;

Рис.1. Потребители 1-й категории для самолета АН-218

приемники третьей категории, прекращение электропитания которых не влияет на обеспечение выполнения безопасного полета от взлета до посадки;

приемники электроэнергии первой и второй категории являются «важными» приемниками.

d) При установлении соответствия требованиям пункта е 2) и 3) настоящего параграфа допускается контролируемое отключение приемников, при котором обеспечивается безопасность на разрешенных режимах полета. Если функционирование приемника не требуется для обеспечения управляемого полета, он может не рассматриваться для случая двух неработающих двигателей на самолетах с тремя или большим числом двигателей.

e) При установлении соответствия пунктов а и b настоящего параграфа, касающихся конструкции и монтажа электросистемы и оборудования, должны рассматриваться критические условия окружающей среды для оборудования системы генерирования, распределения и приемников электроэнергии, требуемых или применяемых в соответствии с настоящим разделом норм.

С точки зрения рассматриваемого нами вопроса в части перспективы развития системы энергообеспечения самолетов этот пункт важен тем, что он декларирует условия применения, говорит о требуемых вероятностях отказных состояний и разбивает всех потребители на три категории с точки зрения выполняемых ими функций от взлета до посадки, включая аварийную посадку. При этом приемники первой категории должны иметь кроме основного и альтернативный источник электроэнергии для завершения посадки в любой ситуации, приемники второй категории должны обеспечивать выполнения планового полета от взлета до посадки. Приемники третьей категории создают комфортные условия для работы экипажа и полета пассажиров и практически не участвуют в безопасном продолжении полета и посадки. Это системы развлечения пассажиров, оборудование кухни и др.

Далее рассмотрим требования к электрическим системам и оборудованию.

Требуемая мощность системы генерирования, количество и типы источников электроэнергии должны определяться, исходя из анализа электрических нагрузок и должны соответствовать требованиям.

Система генерирования включает в себя источники электроэнергии, основные силовые шины, передающие провода и кабели, а также связанные с ними устройства управления, регулирования и защиты. Система генерирования должна быть спроектирована таким образом, чтобы:

1. Источники электроэнергии надлежащим образом работали как независимо от других источников, так и в комбинации с ними.

2. Отказ или неисправность любого источника электроэнергии не могли создавать угрозу или ухудшение способности остальных источников питать «важные» приемники (первой и второй категории).

3. Напряжение и частота (в системах переменного тока) на выходах всех «важных» приемников могли поддерживаться в установленных для данного приемника расчетных пределах при любых возможных условиях эксплуатации.

4. Переходные процессы в системе, обусловленные переключениями, отключением неисправностей или другими причинами, не приводили к отключению «важных» приемников (первой и второй категории) и не вызывали появление дыма или опасности пожара.

5. Предусматривались средства, доступные соответствующим членам экипажа в полете для индивидуального или группового отключения любого источника электроэнергии от системы.

6. Были предусмотрены средства, показывающие соответствующим членам экипажа параметры системы генерирования, важные для безопасной работы системы, такие как напряжение и сила тока каждого генератора.

Внешнее электропитание. Если предусмотрено подключение к самолету внешних источников электроэнергии, должны быть предусмотрены средства, гарантирующие невозможность питания системы электроснабжения самолета от внешних источников с обратной полярностью или с обратным чередованием фаз.

Полет при отсутствии нормального электропитания. Следует показать анализом или испытаниями, или тем и другим, что самолет может совершать безопасный полет по правилам визуальных полетов в течение не менее 5 минут при отсутствии нормального электропитания (т.е. с выключенными источниками электроэнергии, кроме аккумуляторных батарей), с критическим типом топлива (в отношении срыва пламени и повторного запуска двигателя), если в начале этой ситуации самолет находится на максимальной высоте, предусмотренной сертификатом. Компоненты электросистемы разрешается оставлять включенными, если единичная неисправность, включая возгорание жгута проводов или распределительного устройства, не может привести к выходу из строя включенной и выключенной части электросистемы и включенные части электросистемы изолированы от выключенных частей электрически и механически.

Если не показано, что отказ нормальной системы (систем) электроснабжения является практически невероятным, то для питания приемников электроэнергии, необходимых для завершения полета и выполнения безопасной посадки, должны устанавливаться аварийные (альтернативные) источники электроэнергии, независимые от нормальной системы генерирования.

В число приемников электроэнергии, на которые должно подаваться электропитание от аварийных источников, должны входить:

· приемники электроэнергии, функционирование которых немедленно необходимо для обеспечения безопасности и которые должны продолжать работать без вмешательства экипажа после отказа нормальной системы генерирования;

· приемники электроэнергии, необходимые для продолжения управляемого полета;

· приемники электроэнергии, требуемые для снижения, захода на посадку и посадки.

Должно быть показано, что:

· отказы, которые могут приводить к потере нормального электропитания и переходу на аварийное (альтернативное) электропитание, должны быть событием крайне маловероятным (P < 10^-7-10^-9);

· отказы, которые могут приводить к потере нормального и аварийного (альтернативного) электропитания, включая загорание распределительных устройств, пультов управления или жгутов проводов, должны быть событием практически невероятным (менее 10^-9).

А) После совершения аварийной посадки (приводнения) система электроснабжения должна обеспечивать электроэнергией те приемники электроэнергии, которые должны работать после посадки (приводнении), если они не имеют собственных автономных источников электроэнергии.

В) Если в режиме запуска ВСУ в полете качество электроэнергии выходит за пределы, установленные для аварийной работы, то в период запуска ВСУ должно быть обеспечено электропитание системы запуска ВСУ и приемников электроэнергии первой категории от раздельно работающих источников электроэнергии.

Электрическое оборудование и его установка

а) Электрическое оборудование, органы управления и бортовая сеть должны устанавливаться таким образом, чтобы работа любого отдельно взятого блока или системы блоков не оказывала неблагоприятного влияния на одновременно работающие любые другие электрические блоки или системы, важные для безопасности эксплуатации самолета.

b) Провода и кабели должны группироваться, прокладываться и располагаться на определенном расстоянии друг от друга таким образом, чтобы повреждение важных цепей было бы сведено к минимуму в случае отказов в нагруженных силовых проводах.

с) Аккумуляторные батареи должны иметь такую конструкцию и должны устанавливаться таким образом, чтобы обеспечивалось требуемое качество электропитания приемников первой категории при аварийной работе системы электроснабжения и выполнялись следующие требования.

1. В течение любого вероятного режима заряда батареи в ее аккумуляторах должны поддерживаться безопасные температура и давление. При подзарядке аккумуляторной батареи (после предшествующего полного разряда) не должно происходить неуправляемого повышения температуры в аккумуляторах батареи в следующих условиях:

· при максимальном значении регулируемого напряжения или мощности;

· в полете наибольшей продолжительности;

· при наиболее неблагоприятных условиях охлаждения, которые могут встретиться в эксплуатации.

2. Должно быть доказано путем испытаний аналогичных батарей и при аналогичной их установке, что поддержание безопасных температур и давлений в аккумуляторах не представляет трудностей.

3. В самолете не должны скапливаться в опасных количествах взрывоопасные или ядовитые газы, выделяемые аккумуляторной батареей в процессе нормальной работы или в результате любой возможной неисправности в системе заряда или в установке батареи.

4. Вызывающие коррозию жидкости или газы, которые могут выделяться из аккумуляторной батареи, не должны повреждать окружающие конструкции самолета или рядом расположенное «важное» оборудование.

5. Каждая никель-кадмиевая аккумуляторная батарея, предназначенная для запуска двигателя или вспомогательной силовой установки, должна иметь средства, предотвращающие любое опасное воздействие на конструкцию или «важные» системы, которое может быть вызвано максимальным тепловыделением при коротком замыкании аккумуляторной батареи или ее отдельных аккумуляторов.

6. Установки никель-кадмиевых аккумуляторных батарей, которые не снабжены зарядными устройствами ограниченной мощности, должны иметь:

· систему для автоматического управления скоростью заряда аккумуляторной батареи, чтобы предотвратить перегрев аккумуляторной батареи; или

· систему определения температуры аккумуляторной батареи и сигнализации превышения температуры со средством отключения аккумуляторной батареи от источника заряда в случае превышения температуры; или

· систему определения и сигнализации отказа аккумуляторной батареи со средством отключения аккумуляторной батареи от источника заряда в случае отказа аккумуляторной батареи.

7. Возникновение отказов или неисправностей в каких-либо приемниках электроэнергии не должно приводить к прекращению электропитания других приемников первой и второй категории.

8. Провода и кабели должны быть сконструированы, изготовлены и установлены следующим образом:

· применяемые электрические провода или кабели должны быть совместимыми с аппаратами защиты сети таким образом, чтобы при коротких замыканиях не возникла опасность пожара или появления дыма;

· электрические провода, кабели-соединители и соединительные болты должны иметь нестирающуюся маркировку;

· электрические провода или кабели должны быть сконструированы таким образом, чтобы риск механических повреждений и/или повреждений, вызванных жидкостями, парами или источниками тепла, был минимальным.

9. Все электрооборудование, необходимое во время работы управления или регулировки, должно быть выполнено и/или смонтировано так, чтобы исключалась опасность поражения электрическим током.

Системы распределения

а) Системы распределения включают в себя распределительные шины, связанные с ними питающие провода, а также управляющие и защитные устройства.

b) Если в соответствии с требованиями настоящего раздела для питания отдельных видов оборудования или систем требуется наличие двух независимых источников электроэнергии, то в случае отказа одного из источников для такого вида оборудования или систем другой источник электроэнергии (и связанный с ним фидер) должен включаться автоматически или вручную для обеспечения работы данного оборудования или системы.

Защита электрических цепей

а) Для сведения к минимуму неблагоприятных последствий для систем электроснабжения и опасности для самолета в случае повреждения электропроводки или серьезных неисправностей электросистемы или взаимосвязанного с ней оборудования должна применяться аппаратура защиты сети.

b) Защитные и управляющие устройства в системе генерирования должны обесточивать и отключать неисправные источники электроэнергии и оборудование, служащее для передачи энергии, от связанных с ним шин со скоростью, обеспечивающей защиту от опасного перенапряжения и других неисправностей.

с) Все устройства защиты сети с повторным включением должны быть сконструированы таким образом, что при возникновении перегрузки или неисправности цепи, они разрывают цепь независимо от положения органа управления.

d) Если повторное включение автомата защиты сети или замена плавкого предохранителя является важным для безопасности полета, то такой автомат защиты сети или предохранитель должны располагаться и обозначаться таким образом, чтобы он мог быть легко повторно включен или заменен в полете.

е) Все цепи питания «важных» приемников (первой и второй категории) должны иметь индивидуальную защиту. Однако индивидуальная защита каждой цепи в системе таких приемников не требуется, если приемники являются функционально зависимыми элементами системы (например, цепи каждого огня в БАНО).

f) В случае применения плавких предохранителей для использования в полете, на борту самолета должны находиться запасные плавкие предохранители в количестве, составляющем по меньшей мере 50 % от общего числа плавких предохранителей каждой номинальной величины, требующихся для полной защиты цепи.

g) Автоматы защиты сети с автоматическим повторным включением могут использоваться как встроенные средства защиты электрического оборудования (например, как термовыключатели), если предусмотрена защита проводов, ведущих к оборудованию.

i) Все провода системы распределения, соединенные с шинами распределительных устройств, должны быть защищены автоматами защиты или плавкими предохранителями от коротких замыканий и от недопустимых перегрузок, если они могут иметь место в этих проводах. Допускается не устанавливать автоматы защиты в проводах длиной до одного метра внутри распределительных устройств при условии, что они не проходят через контакты коммутационных аппаратов, электрических соединителей или другие монтажные элементы.

к) Функционально зависимыми элементами считаются такие элементы, отказ одного из которых приводит к прекращению (нарушению) функционирования всей системы.

Требования к СЭС многодвигательного самолета (по материалам зарубежной печати)

Основные требования к СЭС многодвигательного самолета:

· одиночный отказ не должен приводить к полному обесточиванию нагрузок и не должен влиять на безопасность полета;

· аварийная система не должна быть связана с двигателем самолета;

· центральные распределительные устройства (ЦРУ) должны быть разделены электрически и пространственно;

· отказ одного из проводов питания распределительного устройства (РУ) не должен приводить к обесточиванию данного РУ;

· в структуре СЭС должно быть предусмотрено наличие шины, к которой подключаются потребители, не допускающие перерыва в питании;

· для остальных потребителей перерыв в питании не должен превышать 20 мс;

· в схеме СЭС должно быть предусмотрено подключение аэродромного источника питания для наземной отработки бортовых систем;

· СЭС должна обеспечивать автономный запуск двигателей;

· СЭС должна обеспечивать автоматическую коммутацию группы потребителей, причем мощность потребителей любой группы не должна превышать 25 % номинальной мощности источника;

· расчетная вероятность нормального питания шины РУ и всех потребителей 1-й категории, обеспечивающих возврат самолета на базу, должна быть не менее 0,9998 и 0,998 соответственно;

· расчетная вероятность нормального питания шины РУ и всех потребителей 2-й категории, обеспечивающих выполнение боевого задания, должна быть не менее 0,995 и 0,99 соответственно.

· при одиночном отказе допускается отключение не более чем одного канала;

· сочетание любых двух отказов не приводит к полному обесточиванию потребителей;

· при выходе из строя всех основных каналов генерирования обеспечивается возвращение на базу;

· выход из строя любых двух проводов питания РУ не приводит к обесточиванию данного РУ;

· на нормальном режиме все каналы генерирования работают раздельно, но синхронизированы по частоте, допускается параллельная работа каналов на некоторых режимах;

· расчетная вероятность нормального питания шины РУ и всех потребителей 1-й категории составляет 0,99998 и 0,991 соответственно;

· расчетная вероятность нормального питания шины РУ и всех потребителей 2-й категории составляет 0, 998 и 0,98 соответственно.

Основные обобщенные требования, предъявляемые к СЭС

Требования, общие для всех систем авиационного оборудования: минимальная масса, низкая стоимость и небольшие эксплуатационные расходы, высокая надежность и живучесть, максимальная стандартизация и унификация, электромагнитная совместимость с другим оборудованием безопасность обслуживания и др..

Требования, определяющие особенности функционирования системы

1. Качество и параметры электроэнергии должны отвечать требованиям соответствующих нормативных документов.

2. Каждая СЭС для увеличения надежности должна включать в свой состав не менее двух каналов. Только для небольших спортивных, учебных, санитарных, сельскохозяйственных ЛА допускается одноканальная СЭС с резервированием от вспомогательной силовой установки (ВСУ).

3. Все источники электрической энергии каналов первичной и вторичной СЭС должны быть однотипными, кроме подсоединяемых к ВСУ и аварийных источников. Первичные источники на многодвигательных самолетах должны устанавливаться на всех маршевых двигателях. Количество каналов генерирования должно быть равно или кратно количеству двигателей.

4. Мощность СЭС должна быть достаточной для обеспечения электроэнергией приемников при всех возможных сочетаниях их включения.

5. Типовые СЭС должны быть построены таким образом, чтобы любое единичное повреждение элементов каждого источника (включая аппаратуру регулирования и защиты) не приводило к отказу элементов и не вызывало отказ неповрежденных цепей.

6. При отказе одного источника при двух и трёх однотипных источниках, установленных на борту, и отказе двух источников при четырёх и более источниках, размещаемых на борту, должно сохраняться или автоматически восстанавливаться питание всех потребителей первой и второй категорий.

7. При отказе всех генераторов, установленных на маршевых двигателях, должно быть обеспечено функционирование потребителей 1-й категории.

8. Если в режиме запуска ВСУ в полёте качество электрической энергии выходит за пределы, установленные нормативными документами для аварийной работы, необходимо обеспечить электропитание системы запуска ВСУ и потребителей первой категории от раздельно работающих источников электроэнергии.

9. На борту ЛА должны быть предусмотрены средства, предотвращающие включение наземного источника с обратной полярностью или с обратным чередованием фаз.

10. Потребители первой категории должны быть присоединены к аварийным шинам. К этим же шинам подключаются аварийные источники электроэнергии.

11. Режим работы, в которых приемники электроэнергии переключаются на питание от аварийных источников, не должен возникать чаще, чем крайне невероятное событие.