برق هواپیما

نویسنده: نگار زارعی

آیا میدانید برق درهواپیما چگونه تهیه میشود و به چه شیوه ای توزیع میشود ؟در این مطلب  به بیان سیستم برق هواپیماها  که معمولا از دو منبع مستقل AC  و DC  تامین می شود،می پردازیم.

برق مورد نیاز سیستمهای هواپیما، معمولاً از منابع زیر تامین میگردد:

1-باتری های 24 ولت

2-    واحد برق کمکی    ( AUXILIARY POWER UNIT) APU

3-ژنراتور های متصل به موتور هواپیما و توربین هوایی قوسی RAT: یا توربین قوسی هوایی (RAM AIR TURBIN) 

4-واحد برق زمینی  اولیه 28 ولت GPU (GROUND POWER UNIT)

5-پایانه های الکتریکی برای توزیع نیروی الکتریکی                        

ژنراتور:

وسیله ای برای تولید برق و نیروی الکتریسیته می باشد.این دستگاه انرژی مکانیکی را به انرژی الکتریکی تبدیل میکند.

RAT:

توربین کوچیکی است که معمولا به پمپ هیدرولیک یا مولد الکتریکی متصل میباشد و به عنوان منبع تولید انرژی مورد استفاده قرار میگیرد.دربرخی ازهواپیماهای امروزی Ratهای کوچکی به صورت مداوم نصب می شوند و یک مولد الکتریکی کوچک راه اندازی می کنند. این توربین که معمولا در زیر هواپیما نصب شده است دارای چندین پره بوده که در صورت از دست رفتن موتور های هواپیمای در حال پرواز (که با چرخش خود به عنوان منبع تامین نیرو های الکتریکی و هیدرولیکی استفاده می گردند) به صورت خودکار و یا دستی از بدنه هواپیما بیرون آمده و پس از برخورد با جریان هوای عبوری، با سرعت آغاز به گردش می کند. این چرخش باعث به وجود آمدن نیروهای لازم الکتریکی وهیدرولیکی شده که تا حدودی می توانند جای نیروهای تولید شده توسط موتورهای هواپیما را که اکنون از دست رفته‌اند بگیرد، لذا آلات دقیق و ابزار حیاتی مورد استفاده توسط خلبانان و همچنین سیستم های رادیویی مورد نیاز جهت مکالمه با ایستگاه های زمینی مجدداً برقرار میگردند

Ground Power unit:

قدرت خارجی برروی زمین وازطریق یک دستگاه قدرت زمینی ایجاد میشود.
GPUها دارای انواع ثابت ومتحرک می باشد که به طورمعمول جریان متناوب را ازطریق یک دوشاخه خارجی که در قسمت دماغه هواپیما وصل میشود به هواپیما منتقل میکنند.
ازیک توربین که با هوای برخوردی کارمیکند به عنوان منبع تأمین قدرت درمواقع اضطراری که هم ژنراتورهای اصلی و هم APU از کار میافتد ،ااستفاده میشود.این توربین نیز جریان متناوب تولید میکند.از باتریهای نیکل کادمیم میتوان به عنوان منبع تأمین قدرت در مواقع اضطراری و یا درهنگامstand by بودن سیستم استفاده کرد.باتریها ولتاژ28DC را بطورمستقیم تأمین میکنند وولتاژ 115V با فرکانس400HZ را با استفاده ازstatic inverter ایجاد میکنند.

تمامی سیستم های الکتریکی هواپیما دارای قطعاتی با قابلیت تولید برق هستند. بسته به نوع هواپیما، ژنراتورها یا دینام ها برای تولید برق استفاده می شوند. اینها معمولاً موتور محرکه هستند، اما ممکن است توسط یک APU، یک موتور هیدرولیک یا یک توربین هوای Ram (RAT) نیز تغذیه شوند. خروجی ژنراتور معمولاً 115-120400HZ/  AC، 28V DC است. برق از ژنراتور ممکن است بدون تغییر استفاده شود یا ممکن است از طریق ترانسفورماتورها، یکسو کننده ها یا اینورترها برای تغییر ولتاژ یا نوع جریان هدایت شود.

بیشتر هواپیماهای مسافربری ازهردو جریان مستقیم(DC)وجریان متناوب(AC)استفاده میکنند.گرچه ولتاژهای متفاوتی درهواپیماهای موجود استفاده میشود ولی بیشترهواپیمای بزرگ مسافربری ازجریان مستقیم با ولتاژ28V وجریان متناوب سه فازبا ولتاژ115V و فرکانس 400HZ برای تأمین نیازهواپیما استفاده میکنند.

هواپیما های برق مستقیم (DC)

دراین هواپیماها ژنراتور نقش استارتر را ایفا میکند به این صورت که از طریق دستگاه برق 28ولت زمینی(GPU)که از بیرون به هواپیما وصل میشود یا توسط باتری های هواپیما که دارای ولتاژ24ولت هستند میتوان موتور را استارت زد.پس از روشن شدن موتور این استارتر به طورخودکار به ژنراتور تبدیل میشود و نیروی الکتریکی مورد نیاز هواپیما را تامین میکنند.

هواپیما های برق متناوب (AC)

در این نوع هواپیماها از ژنراتورهایی با خروجی 115ولت و 400هرتز 3فاز استفاده میشود.درهواپیما های برق مستقیم به تعداد موتورهای هواپیما ژنراتور در هواپیما موجود است اما در هواپیماهای برق متناوب دو ژنراتور روی موتور و یک ژنراتور روی APUنصب میشود.

* تبدیل برق 3فازAC به برق 28ولت DC برعهده ی دستگاهی به اسم TRU (Transformer rectifier unite ) می باشد .

Transformer Rectifier Unit

دستگاه یکسوکننده مبدل ها(TRV) برای تبدیل ولتاژ115V متناوب با فرکانس400HZ به ولتاژ جریان مستقیم28 ولت بکار می رود.برای انجام این کارTRU نیاز به یک مبدل دارد تا ولتاژ115 ولت را به 28ولت کاهش  دهد یکسو کننده نیز جریان متناوب را به جریان مستقیم تبدیل میکند.معمولا ً هر یک از ترمینالهای جریان متناوب هر هواپیمایی یکTRU را تغذیه میکند که هر کدام ازTRUها یک ترمینال جریان مستقیم را تغذیه میکند.هر دو جریانهای مستقیم و متناوب در هنگام پرواز بوسیله هواپیما استفاده میشود.

* تبدیل برق 28 ولت DC به برق 115 ولت 3فاز AC برعهده ی دستگاه INVERTER  میباشد.

External Power Operation

برق سه فاز115ولت جریان متناوب با فرکانس 400هرتز بوسیله 2 منبع قدرت خارجی از طریق مخازن قدرت خارجی برای این هواپیمای غول پیکر تأمین میشود.پیش از اتصال برق به سیستم های هواپیما 2 دستگاه کنترل ترمینال(bus control unit) آنرا تست میکنند.
دستگاه BCU  قرارگیری صحیص Plug ها ،میزان ولتاژ فرکانس وتغییر فاز را تست میکند و پس از انجام این تست ها و این دستگاه چراغ AVAIL را در صفحه آلات دقیق سیستم الکتریکی در کابین خلبان روشن میکند .
در صفحه آلات دقیق سیستم الکتریکی 2 کلید فشاری با نام هایEXT PWR 1

 و  2 EXT PWR

 وجود دارد. با فشارEXT PWR،BCU شماره یک سیگنالی مبنی بر بستن external power control را دریافت میکند.اگر کلید EXT PWR2 فشرده شود            Split sys breaker (درصورتی که هیچ برقی در ترمینال سینکرو نباشد)بسته می گردد. پس از انجام کارهای بالا، برق هواپیما از طریق منبع خارجی تأمین میشود.

دلیل استفاده از برق 400 هرتز در هواپیما

در طراحی هواپیما مهندسین می بایست یکسری توافقات را به منظور موازنه بهینه در خصوص راه حل ها در نظر بگیرند که گاهی ممکن است بین یکی با دیگری تناقض بوجود آید. یک مثال خوب در این رابطه سیستم الکتریکی هواپیماست. کوچک وسبک تر شدن منابع تغذیه  مزیت استفاده از سیستم برق 400هرتز به جای 60 هرتزمی باشد. داخل هواپیما که محدودیت جا وجود دارد این یک مزیت بسیارمهم بشمار می آید و کاهش وزن به منظور حصول حداکثر کارایی الزامی است. با این حال برای  کاهش وزن بهایی باید پرداخت وآن بهره وری کمتر سیستم های الکتریکی فزکانس بالاست. حال اجازه دهید برای درک بهتر اهمیت موازنه در طراحی وارد مبحث سیستم های الکتریکی هواپیما شویم. هواپیماهای اولیه بدلیل اینکه فاقد تجهیزاتی بودند که مصرف کننده برق باشند نیازی به الکتریسیته نداشتند. تغییرات از دهه سوم قرن معاصر میلادی که هواپیماها مجهز به رادیوها وتجهیزات ناوبری که با جریانDCباطریها تغذیه می شدند شروع شد. پیشرفت های بعدی باعث شد ژنراتورهای کوچکی که توان DC(معمولا” 28 ولت ) تولید  می کردند بکار گرفته شود. امروزه بجز هواپیماهای کوچک معمولی تمایلی به استفاده از سیستم های الکتریکی یکسویه وجود ندارد.همزمان با عصر ظهور موتورهای جت ، هواپیماها بصورت چشمگیری پیچیده شدند و طیف گسترده ای از تجهیزات الکتریکی بکار گرفته شد. هواپیما های مدرن نظامی با رادارهای قدرتمند ، حسگرها، تسلیحات ، ونمایشگرهای مدرن داخل کاکپیت تجهیز شده اند که برای کار نیاز به مقدار زیادی الکتریسیته دارند. هواپیماهای تجاری نیز برای سیستم های تهویه ، آشپزخانه ، نمایشگر های کاکپیت ، تجهیزات ارتباط رادیویی ، رادارهای هواشناسی و سیستم های سرگرمی داخل پرواز نیاز به توان الکتریکی دارند. منابع تغذیه DCجوابگوی نیازهای الکتریکی جهت تجهیزات عملیات پرواز ، راه اندازی ، تجهیزات گرمایی ، تجهیزات اویونیک ، چراغ های روشنایی داخل وخارج در هواپیماهای بزرگ نمی باشند.

این هواپیماها در عوض سیستم های الکتریکی   AC را بکار  می گیرند که معمولا” برق 115 ولت با فرکانس 400 هرتز تولید می کند. هواپیماها به تعدادی از سیستم های تولید الکتریسیته ، شامل هردوسیستم اصلی وجایگزین به منظور تغذیه بدون وقفه تجهیزات حیاتی در شرایط اضطراری  مجهز هستند . توان اصلی) (mainمعمولا”  توسط ژنراتورهای ACکه مستقیما” به موتورهای  JETمتصل هستند فراهم می شود. هواپیماهای تجاری و بعضی از هواپیماهای نظامی به یک واحد تغذیه کمکی به نام APU     (auxiliary power unit)  مجهز هستند که اساسا” یک موتور جت کوچک است که از آن به عنوان یک منبع اضافی تولید  توان  استفاده می گردد. APU همیشه در حال کار و مکمل منبع تغذیه اصلی وهمچنین جایگزین آن در مواقع از دست دادن موتور می باشد.

APU: Auxiliary Power Unit یا واحد برق کمکی

محل قرار گرفتن APU ، معمولاً در زیر شکم انتهای هواپیما میباشد و خروجی اگزوز آن نیز در انتهاترین نقطه ی هواپیما که همان Tail است قرار داده شده است. در برخی هواپیماها همانند بوئینگ MD ، خروجی گاز در قسمت فوقانی بدنه ، جلوی Tail  طراحی شده است. 

نکته ی بسیار مهم برای APU : قبل از خاموش شدن APU حتما" باید پمپ سوخت را بوسیله ی سوئیچ آن ، OFF نمود . دلیل این امر آن است که جریان سوخت در زمان خاموش شدن ، دیگر به APU فرستاده نشود . در اثر رعایت نکردن این نکته ، مقداری سوخت در محفظه ی احتراق APU باقی می ماند ، که به هنگام استارت در دفعه ی بعدی ، موجب Back Fire ( شعله زدن ) میشود . محفظه های احتراق تمامی واحدهای APU مجهز به شیر تخلیه ای به نام Fuel drain valve می‌باشند که از طریق آنها این میزان سوخته انباشته شده بدون وجود هیچ مشکلی به محیط بیرونی هواپیما تخلیه می‌گردند.