Понимание систем резервного копирования энергии, необходимых для стеклянных кокпитов

Почему системы резервного копирования энергии жизненно важны: безопасность, правила и реальные примеры

Увольнение в целях безопасности

Основной принцип безопасности резервной мощности - избыточность. В стеклянной кабине ни одна точка отказа не должна приводить к полной потере критически важной информации о полете. Правила, такие как 14 CFR 25.1351 (для транспортных самолетов категории) и 14 CFR 23.1351 (для обычных, полезных, акробатических и пригородных самолетов) определяют минимальные требования к надежности электрической системы и резервному копированию. Эти правила предписывают, что основные нагрузки (включая летные приборы, навигационное оборудование и связь) должны быть пригодны для обслуживания в различных условиях отказа, часто требующих по крайней мере двух независимых источников питания.

Без резервного питания один отказ генератора или неисправное соединение могут отключить весь стек авионики. Пилоты потеряют отношение, скорость полета, высоту, направление и данные о двигателе - условия, которые были приведены в многочисленных отчетах о несчастных случаях. Например, потеря электроэнергии из-за неисправного генератора или разряженной батареи была фактором, способствующим нескольким авариям в авиации общего назначения, где пилоты потеряли ситуационную осведомленность в метеорологических условиях прибора (IMC). Системы резервного питания при правильной разработке и тестировании обеспечивают запас прочности, который позволяет пилотам продолжать безопасный полет к посадке или устранению неполадок и восстановлению первичной мощности.

Требования к регулированию и сертификация

Органы по сертификации воздушных судов, такие как FAA и EASA, требуют всестороннего анализа отказов электрических систем. Для самолетов части 25 (транспортная категория) требования особенно строгие. Резервные источники питания должны быть в состоянии поставлять существенные нагрузки в течение определенного периода времени - часто 30 минут или дольше - после потери всей нормальной электрической генерации. Эти требования прописаны в документах, таких как FAA Advisory Circular AC 25.1351-1 и различные TSO (Технические стандартные заказы) для отдельных компонентов. Для самолетов части 23 (общая авиация) правила развивались с течением времени; современные правила части 23 (эффективны с 2017 года) сосредоточены на требованиях, основанных на производительности, а не на предписывающих деталях конструкции, но основная потребность в электрической надежности остается неизменной.

Во многих случаях производители должны продемонстрировать, что система резервного питания может переходить от первичного к резервному в течение доли секунды без заметного прерывания. Система также должна быть невосприимчива к распространенным режимам отказа, таким как короткое замыкание, которое может повлиять на несколько шин. Эти сертификационные требования приводят к разработке надежных систем резервного питания, которые включают зарядные устройства, инвертор / преобразователи, регуляторы напряжения и автоматические переключатели передачи.

Типы систем резервного копирования мощности

Решения для резервного питания для стеклянных кабин варьируются в зависимости от размера самолета, сложности и эксплуатационных требований. Наиболее распространенные категории включают источники бесперебойного питания (ИБП), специализированные батареи, генераторы аварийной ситуации и воздушные турбины тарана (RATs). Кроме того, многие самолеты используют избыточные электрические автобусы и схемы сброса нагрузки для продления резервной мощности.

Бесперебойные источники питания (UPS)

Системы ИБП обычно используются в самолетах для обеспечения мгновенной защиты от коротких перебоев в подаче электроэнергии, таких как вызванные выпадением генератора во время запуска двигателя или переходными пиками напряжения. Типичный ИБП самолета состоит из выпрямителя / зарядного устройства, которое преобразует мощность переменного тока в постоянный ток, чтобы поддерживать заряд батареи, и инвертора, который производит чистую мощность переменного тока для дисплеев. Когда первичная мощность присутствует, условия ИБП и регулирует выход; когда первичная мощность выходит из строя, батарея берет на себя без какой-либо задержки переключения. Эта конструкция ИБП «онлайн» или «двойной конверсии» гарантирует, что даже кратковременные перебои не влияют на стеклянную кабину.

Аккумуляторы ИБП часто герметизируются свинцово-кислотными или, все чаще, литий-ионными. Их емкость рассчитана на то, чтобы обеспечить питание от нескольких минут до нескольких часов, в зависимости от нагрузки. В некоторых легких самолетах небольшая выделенная батарея ИБП встроена в лоток авионики для питания основного дисплея полета (PFD) и системы индикации двигателя (EIS) в течение не менее 30 минут после отказа основной батареи. Это дает пилоту время приземлиться или исправить неисправность.

Выделенные аккумуляторные системы

Почти каждый самолет со стеклянной кабиной включает в себя одну или несколько выделенных батарей, отделенных от основной батареи самолета. Эти батареи часто являются более легкими, меньшими литий-ионными блоками, которые специально рассчитаны на питание электронной системы летных приборов (EFIS) и необходимой авионики. Они обычно заряжаются от обычной электрической шины самолета и могут иметь свои собственные интеллектуальные схемы зарядки для предотвращения перезарядки и продления срока службы.

В высококлассных бизнес-джетах и авиалайнерах несколько батарей могут быть установлены в разных секциях самолета для обеспечения пространственного резервирования, а также электрической изоляции. Например, Airbus A350 имеет две основные батареи плюс независимую резервную батарею для кабин. Boeing 787 использует пару больших литий-ионных батарей для своих обширных электрических систем, с выделенными резервными батареями для аварийной мощности. Мощности этих батарей должно быть достаточно для поддержки всех основных нагрузок в течение минимального времени - часто 30 минут для посадки, но иногда дольше для расширенных сценариев отвода. Системы резервного копирования часто включают встроенный мониторинг здоровья, автоматические самотесты и низковольтные сигнализации для оповещения пилотов о деградирующей мощности.

Аварийные генераторы энергии

Для более крупных самолетов, которые сталкиваются с расширенными электрическими сбоями, генератор, приводимый в действие независимым источником питания, таким как воздушная турбина барана (RAT) или гидравлический генератор двигателя, может подавать резервную мощность переменного и постоянного тока. RAT, небольшой пропеллер, который разворачивается из фюзеляжа или крыла и вращается в потоке воздуха, приводит в действие гидравлический насос или электрический генератор. Он обеспечивает мощность для управления полетом и необходимой авионики после полной потери генераторов, приводимых в движение двигателем. В то время как выход RAT ограничен (обычно 5-15 кВА), он может поддерживать работу стеклянной кабины и основных навигационных инструментов на неопределенный срок, пока самолет имеет переднюю скорость.

В некоторых двухмоторных самолётах в качестве резервного источника может служить также отдельный генератор, приводимый в движение вспомогательным силовым агрегатом (ВСУ). ВСУ, находящийся в хвостовом конусе, работает на собственном малогабаритном турбодвигателе и может стартовать в полёте для обеспечения как электрической, так и пневматической мощности. Это надёжное резервное копирование, но не полностью отказоустойчивое, если сам ВСУ поврежден или не запускается.

Излишние автобусы и сбрасывание груза

Не менее важным аспектом резервной мощности является архитектура системы электрических автобусов. Современные стеклянные кабины используют несколько электрических автобусов (например, левый, правый, основной, основной, основной, резервный), которые соединены между собой через контакторы или твердотельные переключатели. Если один автобус выходит из строя, критические нагрузки могут быть переданы в рабочую шину. В случае полного отказа генерации логика сброса нагрузки автоматически отключает несущественное оборудование, такое как освещение кабины, камбузные и развлекательные системы, чтобы сохранить мощность для летных приборов и радиосвязи. Это гарантирует, что резервная батарея или генератор могут поддерживать необходимые нагрузки в течение максимально возможной продолжительности.

Проектирование систем резервного копирования энергии

Проектирование надежного решения для резервного копирования мощности для стеклянных кабин включает в себя балансирование нескольких факторов: физический размер, вес, управление температурой, надежность в экстремальных условиях и соответствие сертификации. Инженеры должны учитывать следующие ключевые параметры:

Увольнение и изоляция

Система должна быть сконструирована таким образом, чтобы ни один отказ не мог отключить все резервные источники питания. Это часто означает использование нескольких независимых батарей и генераторов, которые электрически изолированы друг от друга и от первичного питания. Физическое разделение - размещение резервной батареи в другой зоне самолета, чем основная батарея - предотвращает один пожар или удар от устранения обоих. Излишним компонентам также нужны свои собственные датчики, логика управления и переключение передачи, которые сами должны быть надежными.

Быстрый и прозрачный переключатель

Автоматическое переключение между первичной и резервной мощностью должно происходить в течение миллисекунд, чтобы предотвратить перезагрузку дисплеев в стеклянной кабине. Любое прерывание, превышающее примерно 20 миллисекунд, может вызвать видимое мерцание или непреднамеренный сброс системы. Это требует высокоскоростных выключателей, твердотельных реле и программного обеспечения для управления с низкой задержкой. Переключение также должно быть прозрачным для пилота - для номинальной активации резервного копирования не требуется ручное вмешательство. Система также должна обеспечить четкое уведомление экипажа о том, что резервная мощность используется, наряду с оставшейся емкостью и предполагаемым оставшимся временем выполнения.

Вместимость и время выполнения

Емкость резервной системы должна рассчитываться на основе наихудшей электрической нагрузки основного оборудования. Сюда входят не только дисплеи полета, но и резервные летные приборы (такие как магнитный компас или индикатор резервного положения), GPS, транспондер, радиосвязь и освещение. Во многих самолетах существенная нагрузка определяется производителем и сертифицирована по сертификату типа самолета. Современные литий-ионные батареи предлагают высокую плотность энергии, что позволяет проводить более длительные сроки работы в меньшем пакете. Однако эти батареи требуют сложного управления температурой для предотвращения перегрева и продления срока службы. Некоторые самолеты включают нагреватели батарей для поддержания производительности при низких температурах.

Экологическая устойчивость

Системы резервного питания должны работать по всей окружающей среде самолета: от -40 ° C на высоте до +55 ° C на земле под прямыми солнечными лучами. Батареи теряют емкость в холоде, а инверторы могут перегреваться, если плохо проветриваются. Инженеры проверяют конструкции с помощью строгих экологических испытаний, включая тепловой цикл, моделирование высоты, вибрацию и воздействие влаги и солевого распыления. Все компоненты должны соответствовать стандартам TSO (например, TSO-C173 для литиевых батарей, TSO-C71 для систем аварийного питания), чтобы гарантировать, что они могут справиться со стрессами полета.

Техническое обслуживание и мониторинг

Регулярные проверки и испытания систем резервного питания проводятся органами по обеспечению летной годности. В задачи технического обслуживания входит проверка уровня заряда аккумулятора, проведение испытаний на разрядку емкости, проверка проводки и разъемов и проверка функций автоматического переключения. Некоторые современные системы включают в себя непрерывный мониторинг состояния здоровья, который регистрирует параметры батареи и предупреждает пилотов или обслуживающий персонал, когда батарея приближается к концу срока службы или когда системный самотест не сработал. Проверки пилотов перед полетом часто включают в себя краткий самотест резервного питания, например нажатие кнопки «TEST», которая на мгновение имитирует отказ питания для подтверждения правильного подключения резервной системы.

Новые технологии в резервной мощности

Еще одна новая технология - интегрированный стартер-генератор (ISG), используемый в более электрических самолетах. ISG может служить как стартером для основного двигателя, так и генератором, и в сочетании с резервной батареей он может обеспечить плавный переход мощности. Некоторые производители разрабатывают банки суперконденсаторов [FLT: 2], которые могут обеспечить очень высокую мощность на короткие сроки, идеально подходит для преодоления разрыва между первичным отказом и запуском резервного генератора. Суперконденсаторы прочны и имеют чрезвычайно длительный срок службы, что делает их привлекательными для резервной мощности в требовательных условиях.

В сегменте авиации общего назначения наблюдается тенденция к полностью интегрированным электронным резервным системам, которые сочетают в себе небольшую батарею, модуль ожидания и резервное радиосвязь в одном компактном блоке. Эти «экстренные блоки питания» могут быть установлены в стандартный слот панели приборов и обеспечивают питание в течение 30-60 минут полета. Примеры включают автопилот Garmin GFC 600 со встроенной резервной мощностью и резервный инструмент BendixKing KFD 900. Для получения дополнительной информации о последних резервных устройствах питания Garmin см. Интерфейсы резервного питания аккумуляторов и Системы аварийной питания Honeywell .

Лучшие практики для пилотов и техников по техническому обслуживанию

Предполетная инспекция

Пилоты должны проверить работоспособность резервной системы питания в рамках каждого предполетного полета. Это включает в себя проверку полной зарядки резервной батареи (часто обозначается зеленым бюллетенем «BATTERY OK»), запуск любого встроенного самотеста и сканирование синоптической страницы электрической системы для правильного показания напряжения шины и нагрузки. Некоторые самолеты требуют, чтобы пилот на мгновение переключал мастера на «BATT ONLY», чтобы подтвердить, что резервные инструменты остаются в силе. Эти проверки должны быть задокументированы в журнале самолета.

Процедуры потери мощности в полете

Если первичная электрическая мощность неисправна в полете, немедленное действие должно подтвердить, что резервные системы автоматически включились. Пилот должен затем уменьшить электрическую нагрузку, отключив несущественное оборудование (если уже не сделано автоматической сбросом нагрузки), включить резервный генератор или батарею, если это необходимо, и объявить чрезвычайную ситуацию, если это необходимо. Поддержание стабильного положения и высоты при перенаправлении в ближайший подходящий аэропорт имеет решающее значение. Пилоты также должны быть готовы к возможности того, что резервная система имеет ограниченную продолжительность - обычно 30 минут - так быстрое принятие решений имеет важное значение. Обучение в сценариях потери мощности с использованием тренажеров, которые повторяют точное поведение резервных систем настоятельно рекомендуется.

Проверка технического обслуживания

Техники должны следовать руководству по техническому обслуживанию производителя для периодических испытаний емкости и графиков замены. Литиевые батареи могут требовать специального зарядного оборудования и должны обрабатываться в соответствии с руководящими принципами безопасности для предотвращения пожаров. Проводка и разъемы от главной шины до резервной системы должны быть проверены на коррозию, удушение и рыхлые соединения. Любая неисправность, указанная встроенным испытательным оборудованием самолета (BITE), должна быть немедленно устранена. Многие операторы внедряют политику «самолет на земле» (AOG) для любой заявленной неисправности резервной системы, учитывая критический характер безопасности этого оборудования.

Ключевые системы резервного копирования для стеклянных кабин не являются дополнительной роскошью — они являются фундаментальным требованием для безопасного полета. От небольших самолетов общей авиации до крупнейших авиалайнеров эти системы обеспечивают электрическую устойчивость, необходимую для защиты пилотов и пассажиров, когда первичное поколение терпит неудачу. Понимание типов, философии проектирования и рутинных проверок этих систем имеет важное значение для любого, кто эксплуатирует или обслуживает современные самолеты.