多電飛機起動/發電系統研究和關鍵技術分析

程方舜

【摘 要】先進民用飛機上急劇增加的電力需求不斷推動著多電飛機時代的到來，起動/發電技術是多電飛機的一項關鍵技術。本文旨在介紹多電飛機起動/發電技術的原理和技術要求，并對其未來發展有待突破的關鍵技術進行探討。

【關鍵詞】多電飛機；起動發電；關鍵技術

0 概述

傳統飛機的發動機是依靠安裝于發動機附件齒輪箱上的空氣渦輪起動機實現起動的。起動發動機時，空氣渦輪起動機需從地面氣源車、輔助動力裝置（APU）或發動機交叉引氣獲得壓縮氣源起動發動機。但發動機正常工作時，空氣渦輪起動機不工作，造成了飛機額外的重量負擔。多電飛機用起動/發電系統取代空氣渦輪起動系統，當發動機起動后，起動/發電機可作發電機運行，向飛機電網提供電能。由于起動/發電系統兼具兩種功能模式，可以有效降低系統重量和成本，提高系統維護性和可靠性，同時改善發動機性能。在競爭激烈的航空領域，這些優勢顯得尤為重要，因此必須加快對多電飛機起動/發電技術的研究和應用。

1 起動/發電系統的工作原理

通過起動/發電機實現發動機的起動是利用電機的可逆原理：電機作電動機運行時，將電能轉換為機械能；作發電機運行時，將機械能轉換成電能。起動/發電機起動模式原理框圖如圖1所示。圖中，單臺主發動機安裝2臺起動/發電機以滿足發動機起動扭矩需求。每臺起動/發電機配有一臺起動控制器控制其起動過程。起動/發電機安裝在發動機附件齒輪箱上，在發動機起動過程中，起動控制器控制起動/發電機利用飛機交流電源或地面電源通過變壓整流得到高壓直流電，通過其內部的變換器得到起動/發電機做電動運行時的繞組電流和勵磁電流，控制電動機運行，向發動機提供轉矩拖動發動機轉動。通常，起動控制器通過矢量控制、速度閉環控制和位置傳感器讀取電機轉子位置信息，實現對起動/發電機電動運行的全數字控制。當發動機到達一定轉速后，發動機噴油點火，發動機渦輪產生的功足以繼續加速發動機到慢車轉速。發動機從零轉速過渡到慢車轉速的過程即起動過程。起動過程結束后，發動機帶動起動/發電機旋轉，起動/發電機進入發電工作模式，把從發動機提取的機械能轉換成電能，給機上用電設備供電。

2 起動/發電系統的技術要求

2.1 起動功率要求

起動/發電機的工作特點是首先保持恒轉矩起動，控制電動機輸出最大轉矩不變，當轉速達到一定值后，再保持恒功率運行，即保持最大功率不變，直到起動機達到脫離轉速，起動發動機，如圖2所示。如起動一臺發動機所需轉矩為100Nm，發電機轉速范圍為11000～22000rpm，根據發動機起動曲線經驗，發動機需100Nm的最大轉矩下起動并達到5000rpm，相當于最大功率約50kW，到達5000rpm之后，起動機應保持50kW恒功率輸出，直到發動機達到脫離轉速，發動機不再需要起動/發電機為其提供轉矩而能自行運轉。在主發動機正常運行后，當轉速達到發電機要求的建壓轉速下限時，起動/發電機開始切換至發電模式，向飛機電網供電。

2.2 起動時間要求

適航條款25.9039（e）要求發動機具有空中再起動能力，參照AC25-7A，要求發動機30s內實現從燃油開關打開到點火，90s內發動機從點火到穩定慢車狀態，滿足發動機120s內完成空中起動。根據發動機起動特性和起動/發電機特性計算，電起動系統采用2臺起動/發電機用于發動機在地面和空中的各種狀態的起動，可以滿足發動機起動時間要求。當一臺起動/發電機失效時，使用另1臺起動/發電機仍然可以實現起動發動機但是起動時間較長。

3 起動/發電系統的關鍵技術

由于多電飛機的起動/發電機均采用變頻交流電源體制，因此相比恒頻交流電源系統，發電機的本體設計和控制方式都面臨更大的挑戰；且起動/發電機安裝于發動機短艙內，處于高溫、振動和沙塵等等的惡劣環境中，對其機體材料、結構和制造技術的要求都更加嚴苛。未來的起動/發電系統主要有以下關鍵技術有待研究和突破：

3.1 發電機電磁設計、結構設計和制造技術

變頻交流起動/發電機既要電動運行又要發電運行，它具有和功率變換器、發電機控制器三者之間強耦合特征，航空電機定轉子磁路的深度飽和以及非線性、功率變換器的開關特性、控制方法的多樣性和控制策略的非線性等，都使得變頻交流起動/發電系統中三級式同步電機的電磁設計更加復雜。且由于多電飛機的起動/發電機由發動機直接傳動，轉速很高，因此發電機的設計和高速轉子的制造是非常關鍵的，電機的轉子結構強度和振動穩定性也是必須認真考慮的。尤其是高轉速下轉子上旋轉整流器以及繞組受到機械應力成倍增大。另外，大功率起動/發電機必然采用油冷技術，高轉速下發電機轉子的噴油冷卻技術也是必須要解決的難題。

3.2 寬轉速范圍高品質電壓調節技術

飛機在飛行過程中要求有穩定的輸出電壓品質。但飛機發動機輸入發電機的轉速是變化的，飛機的負載電流也是隨時變化的。對于變速工作的發電機，必須有快速響應的電壓調節器相應改變勵磁電流，補償去磁的電樞反應和電阻壓降的影響，以保證在輸出變頻的同時，有穩定的輸出電壓，也避免電機在高轉速時發生大的瞬態過壓危害用電設備。電壓的瞬態特性和穩態特性也要同時兼顧。三級式同步電機內部實際上是由三個電機構成，勵磁系統復雜，其電壓調節系統動態性能的提升在恒速恒頻電源系統下已經受到電機結構的制約，而對于寬轉速范圍的變頻電源系統，這一問題將更加突出。

3.3 無位置傳感器起動控制技術的應用

在起動/發電系統的起動控制中，通常需要在電機軸上安裝位置傳感器檢測電機轉子位置信息從而實現電機控制，這不僅增大了電機的尺寸和轉動慣量，而且降低了運行可靠性，增加了成本和安裝維護困難，并易受外界干擾。使用無位置傳感器技術既可以（下轉第40頁）（上接第18頁）更好地發揮起動/發電機在極端環境下的性能，同時也可以減少成本和整個系統的體積。因此，使用無位置傳感器起動控制技術成為起動/發電系統未來發展的趨勢和研究方向。

3.4 多電發動機技術的發展

多電發動機是在傳統的發動機上，用主動磁浮軸承系統替代傳統的滾動軸承系統，用安裝在主軸上的大功率內置式整體起動/發電機為發動機和飛機提供所需電源，用全電氣化傳動附件取代機械液壓式傳動附件，實現發動機和飛機的全電氣化傳動。在多電發動機中，發電機是發動機的一部分，直接安裝在發動機的軸上，采用這種高可靠性的內置式發電機，與發動機高壓級匹配，可以作為起動/發電機。多電發動機技術大大減少了發動機的零件數，從而減輕了系統重量、降低了復雜性，提高了可靠性和維修性，降低了成本。

4 總結

由于起動/發電系統起動飛機發動機具有效率高、重量輕、可靠性高等綜合優勢，多電飛機用起動/發電技術取代傳統氣源起動發動機的方式已成為未來多電飛機的發展方向。同時，只有起動/發電系統中的關鍵技術不斷取得突破，才能保障起動/發電系統的可靠運行并充分發揮其優點，在未來多電飛機中得以運用和發展。

【參考文獻】

[1]朱新宇.多電飛機及其技術發展分析[J].民用飛機設計與研究，2007（4）.

[2]鄭先成.國外飛機電氣技術的現狀及對我國多電飛機技術發展的考慮[J].航空計算技術，2007，9.

[3]付永領，等.多電飛機的關鍵技術[C].中國航空學會控制與應用第十二屆學術年會，2006，7.

[4]劉建軍.大涵道比渦扇發動機起動技術研究[C].中國航空學會2007年學術年會，動力專題27.

[5]王鵬.民用飛機發動機起動技術研究[J].民用飛機設計與研究，2010.

[6]運輸類飛機適航標準.中國民用航空規章，第25部，CCAR-25-R3[S].中國民航總局，2001，5.

[責任編輯：許麗]

1.2.2 一般訴訟流程

英租時期威海衛的民事訴訟一般流程包括以下內容：

1）訴訟當事人（一般為原告）前往司法官官邸或法庭將訴狀遞交給司法官，或將訴狀投入專門的訴狀箱內。（租借地內曾試行了一段時間的特許狀師制度，但后來由于操作性的原因狀師行當被完全取締）

2）訴狀提交后，司法官擇日開庭并傳喚各當事人到庭接受詢問。

3）法庭審判程序較為寬松，雙方當事人由于沒有律師的相助，往往在他們的親屬陪同下到庭并共同參與證據認定與法庭辯論等環節，司法官也并不如英國本土的法官“消極”等待陪審團認定事實，聽取律師辯論。相反，時常要承擔普及法律，充當雙方法律顧問，糾問案件實情等職能。

1.2.3 民事糾紛調節

威海衛租借地另一類重要的民事糾紛解決機制是民事調解制度。殖民當局保留了在基層中國原有之村董制，并以此為基礎建立總董制。日常民事糾紛由村董、總董及其他族內長老調解，且法庭通過專門下發“息訴憑單”賦予之法律效力，調解成功則據此為書面憑證而不得再興訴訟，再訴法院不予受理。調解制是中國傳統的糾紛解決機制，英國式司法體制借助村董、總董的力量與權威與之連結，進一步完善了英租威海衛的民事司法體制。

1.2.4 訴訟費用

英租威海衛政府收取的訴訟費用較為低廉，甚至存在近十年間不收分文訴訟費的情形。殖民政府似乎在傳達這樣一個訊息：鼓勵用法律手段解決日常糾紛。這對威海衛的穩定局面有極大的鞏固作用，人們甚至出現了“健訴”的訴訟心理，以至于后來政府不得不以收取較高費用為手段減少不必要的訴訟。

1.2.5 民事判決文書

英租時期的判決文件可稱是中西合璧的最好闡釋，一方面既繼受了英國法律判決形式不拘一格、散漫多變、好引經據典的內涵要式，另一方面則常常以道德經典、圣賢之帝的圣諭為所引之典，比較好地能讓民眾接受。

在一些寶貴的資料卷宗中，時常體現著當時的法官（常為行政長官）并不嚴格執行規定的具體訴訟環節，法庭中常常是雙方當事人拖家攜口各執一詞，場面激烈，而法官為確定案件事實間或親自策馬去案發地了解情況，之后快速判決，判決書中也常常引用道德教化格言或圣諭。同時法院審理效率極高，訴訟拖延極其難見，訴訟費用低廉，適應了當時商業發展要求快捷高效結案的趨勢。而最為關鍵的一點則在于威海衛地區社會變革“出人意料”地緩慢，立法與司法中存在的法律供求關系在三十年中始終處于相對均衡的狀態，“直到1930年中國政府收回威海衛時，租界內的男人還梳著辮子，女人還裹著小腳?！庇帽就练ㄖ瀑Y源之形而行英方所欲之內核，順民情，得民心，是英國殖民者在威海衛租借地治理得當的關鍵。

2 德國民訴制度在山東租借地的“本土化”進程

2.1 19世紀德國民事程序制度的傳承與發展

1862年的德國幾乎是集中當時舉國法學界所有的精英人物，花費15年之久制定了在世界民事訴訟法發展史上也可以稱為里程碑的近代民事訴訟法典——德國民事訴訟法。1877年，德意志帝國頒布《民事訴訟法》（簡稱CPO），而這部法典歷經帝國時期、魏瑪共和國時期、納粹統治時期、二戰后的聯邦共和國時期，沿用至今。雖然經過多次（有時規模還很大）的修改，但仍是在原有的基礎上進行修改，并未將整個法律廢除，徹底更新。1877年《德國民事訴訟法》在德國民事訴訟法制史上具有繼往開來、承前啟后的作用。它主要蘊含著一下一些內涵：

2.1.1 司法機構法定統一

統一后的帝國用鐵腕手段將日耳曼民族推上資本主義發展的狂飆時代的同時，這部1877年《帝國民事訴訟法》也讓德國的大部分地區開始適用與其已經熟悉的民事訴訟法——有的已經適用了上百年——完全不同的民事訴訟法。通過國家集權的方式，德國民事訴訟制度不僅擺脫了傳統訴訟法令的羈絆，更是開現代訴訟法制之先河。

2.1.2 自由主義思潮下科學完備的證據制度與訴訟原則

以直接審理主義、程序與辯論的公開主義為核心的言辭主義被1877年德國訴訟法接受，這部法典同時逐步廢除了此前繁苛、易被操控的書面主義。此外，反專制制度在自由民主的呼聲下被接受，國家采取秘密行動（秘密羈押、拷問等）的權力被剝奪，“外行”組成的陪審團也參與到案件事實認定中。案件審理的公開透明，也使司法直接受新聞與社會的監督，“上層人士”的特權被壓縮至基本為零。更為重要的是這部法典確立的一系列如“作出判決的法官要據自己的體驗了解案情與參與人，而非通過已經被他人主觀化的轉述”、“裁判者不關心微不足道的法律不利”、集中審理主義、“你給我事實，我給你審判”等審判、管轄原則至今仍然為主流觀點所接受。

日后的膠澳地區在被德國租借期間各類糾紛接連不斷，據《青島開埠十七年—<膠澳發展備忘錄>全譯》一書的相關數據，膠澳德國皇家法院連續五年受理案件的數量都在一萬件以上，每位法官年平均受理案件三四千件，每天要處理十幾起案件。如此繁重的工作量，沒有一套科學合理的訴訟程序自然是無法完成的。而上述核心內容正是這套高效運作的訴訟制度的靈魂。

2.2 德租時期膠澳地區的民事訴訟制度簡介與比較分析

1898年，德國趁山東曹州“巨野教案”之機率先租借膠澳灣，至一戰結束被日本侵占前，此地一直為德國管轄。德國為將膠澳建成“樣板”殖民地供其他海外殖民地效仿，不僅向這個海濱城市投注了大量金錢與人力，更通過土地改革建立起一整套完善的法律體系與司法制度。據《中德膠澳租借條約》第三條規定，“德國所租之地，租期未完，中國不得治理，均歸德國管轄，以免兩國爭端?！睋?，德國獲得了在青島一系列的管轄權，司法管轄亦括在內。殖民者在膠澳租借地設置了一整套司法體制，針對德國等西方國家包括日本人設置了膠澳皇家法院，針對華人則設置了青島區公所和李村區公所，行政兼理司法。1898年《中德膠澳租借條約》簽署后，德意志帝國事實上獲得了對膠澳租借地司法的控制權，并在財政支出中追加了非經常性的開支，用于膠澳地區的司法建設，包括派出法官、設立法院等司法機構所需費用。由于德國政府的大力支持，膠澳租借地的司法框架很快搭建起來。

2.2.1 民事司法組織與司法人員

德國人登陸之初，即在膠澳灣地區設立了區公所這一極富殖民色彩的司法體制。與該制度所配合的是，膠澳總督在1898年5月即宣布膠澳境內“中國法律照舊施行，以治華人”。一份落款為1898年4月15日的文件顯示，租借區以內在青島李村兩處設立地方官署，專理華人詞訟。區公所的行政長官由德國人擔任，據1898年度的《膠澳發展備忘錄》所載，三名德國見習翻譯到達青島，首先完成語言訓練。他們同時審理華人的民事與刑事案件，職權近似于德國正式法庭和陪審法庭。行政長官在宣誓就職時，要發誓成為一名“妥善之地方官也”。此外，區公所在受理的案件上也有嚴格的限制，只能受理民事中訴訟標的額小的或者承擔刑事責任較輕的案件，其余則要歸膠澳皇家法院受理。民事訴訟中物產錢債則管至二百五十元，如果在二百五十元以上則要歸膠澳皇家法院受理。值得注意的是似乎德國人對如何在具體程序操作中治理遠東的這片土地基本達成了一項共識，“在許多事務上，法律要考慮當地的關系，因此只能在這里起草和征求意見，而不是在本國?！?/p>

2.2.2 一般訴訟流程

在德租膠澳灣地區的訴訟制度中非常明顯地被打上了其本國的1877年《帝國訴訟法》核心內核的烙印，膠澳皇家法院自不用多敘，但即使是在為華民而設的區公所，所體現的言辭主義也比較明顯。如除特殊情況下，當事人不得在訴訟過程中委托全權代表，須親自出庭應訴；審判結果公開，區公所的行政長官對于處以監禁三個月、笞責、罰金至五百元或單罰或連罰并可驅逐出境外，所處判決須向被告人公開宣告，讓被告人知悉判決。對于判決書要裝訂卷宗，并且把證人證詞等書面法律文件錄入卷宗；保障當事人不服判決時的上訴權，不過該項權利受行政長官的限制；民事訴訟中，對誣告者實行反坐，一般處以罰款或勞役。另外，所有涉及到可能罰款的案件都需要繳納“堂費”，即所謂的訴訟費，對于涉及到金錢的案件，原告須預交訴訟費，訴訟費按照所控數額的百分之二收取，但是膠澳皇家法院至少以十元為限，區公所以一元為限。由敗訴方承擔訴訟費用，其賠還原告并且區公所的行政長官有權減免當事人所應當繳納的訴訟費。

德意志帝國在膠澳灣地區成功地建立起了一套成功的“現代化”民事訴訟法制模式，反向而言即是使膠澳地區較為成功地接受了德意志本土民事訴訟制度，日耳曼人借鑒了他們自身繼受羅馬法的經驗，不急于清除當地的原有的法律制度與社會規范的同時，積極主動地探尋一種能順應當地商品經濟發展、適應同化華民的新的法律秩序，也通過社會政策抵消民眾對殖民行徑的反感，更主要的是由于德國對膠澳灣的高投入極大地刺激了當地經濟的發展，迫不及待地投身工商業發展的人們對訴訟程序高效的渴求甚至超過了公正本身，在商品經濟的大潮中傳統社會土崩瓦解，一套全新的法律體系需要與社會磨合的時間較少?？v然如此，德國殖民當局還是因其較為嚴厲的統治手腕，殘酷的殖民掠奪，對華人的歧視態度在歷史上留下了毀譽參半的名聲。殖民色彩濃厚的法律制度，勢必與歷史大潮相悖，縱然再“進步科學”，終究不能獲得真正的認可。

3 啟示與借鑒

英、德殖民當局清醒地意識到強行將外來的民事訴訟法律制度嫁接至傳統鄉土社會的結局必然是民眾作為或不作為的抵制，祖祖輩輩接受“禮治”思想的傳統中國國民并不在乎甚至不會察覺所謂“程序正義”，一個合理的、符合皇帝圣諭與道德倫常的判決對于他們而言即是滿意的結果。費孝通先生如此描繪道：生于斯、長于斯、死于斯的社會所信賴的是公認合式的行為規范，而維持“禮”這一行為規范的是社會所積累的經驗——傳統。德國與英國發覺這一關鍵后做出了不同的對策，雄心勃勃的德國人向膠澳灣投注了大量資金與人力后掀起當地資本主義經濟發展的狂潮，在商品經濟與雇傭勞動將傳統鄉土社會連同傳統行為規范沖擊得體無完膚后，推出一整套合理高效的訴訟體制，并將“西人”與華民分而治之，從而巧妙地用一次劇烈且全面的社會變革化解了當地居民對新的法律制度的抵觸。而資金、人力投入都相對較少的英租威海衛，治理殖民地經驗豐富英國人選擇了順應鄉土社會及其行為規范的方式，拾起中國的驚堂木與殺威棒，以村董制借助氏族長老的權威治理地方，在訴訟過程中重視調解，在判決中加入道德教化，在東西方之間保持著微妙的平衡，奠定了威海衛三十余年平穩安定的社會基調。從法律移植的宏觀維度層面觀察，二者殊途同歸。

本國（本土）的法律傳統與面臨的現代性轉向以雙向思維，即平等協商的方式達至一種微妙的平衡。概括而言，是用本國國民能夠接受的傳統方式表現現代的法治精神，當這種精神被完全領悟后再對之做出以現代形態的表達。這種循序漸進的方式成本低廉，產生的社會陣痛感相對較輕。一個有遠見并不斷發展的民族不會害怕社會變革。轉型期，新的經濟、政治、社會因素的涌現時常挑戰相對滯后的法律，若法律不因時而變，社會中機會型違法將與日俱增，傳統的道德因素也將受到質疑，這對一個民族的精神內核來說無疑是一種不可逆的破壞。然而若其他國家或地區也曾經受過類似的考驗，那么充分借鑒相關經驗則顯得尤為重要。但單純地制度移植不能解決根本問題，最初受到變革挑戰的國家并無先例可循，人類先輩的探索勢必是以其所處時空維度的社會土壤、文化元素為參考，借鑒并接受的僅僅是一種創造性思路。當然東西方法律傳統內均有的“為善”、“良知”、“人性”等概念則是構筑社會變革模型中的基礎共通性參數，但法律制度如何移植方才能不產生排異反應，關鍵就在于對本土法律資源的合理使用與激活。

【參考文獻】

[1]程漢大.英國法制史[M].齊魯書社，2001.

[2]張志超.英租威海衛時期的民事訴訟制度[J].司法，2009（4）.

[3]威海市檔案館館藏.關于土地糾紛的調查處理.檔號229-1-500.

[4][德]余凱思，國家清史編纂委員會，編譯.在“模范殖民地”膠州灣的統治與抵抗[M].山東大學出版社，2005.

[5]青島市檔案館編.青島開埠十七年—《膠澳發展備忘錄》全譯.中國檔案出版社，2007.

[6]謀樂.青島全書（上卷）[M].青島印書局，1914.

注釋：

①張志超.徘徊于東西方之間：英租威海衛時期的法治[J].開放時代，2009（2）：40.

[責任編輯：王偉平]