论文部分内容阅读
中图分类号：V233.3 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2018）31-0088-01
一、引言
航空发动机电点火系统用于点燃燃烧室内油气混合物，是保障发动机地面起动及空中再起动的核心元件。随着飞行器作战需求的不断变化和作战性能的不断提高，对电点火系统的设计也提出了新的要求：性能高、寿命长、可靠性高、重量轻、体积小，甚至要求具备可控、故障诊断等功能。因此本文结合电点火系统的技术特点，浅述了航空发动机电点火系统的发展趋势，为选择适合的点火系统提供参考。
二、电点火系统的分类
航空发动机电点火系统一般由点火装置，点火电嘴和点火电缆组成，其中点火装置是电点火系统的主要部件。点火装置用于将直流或交流电源转化为高压电，再通过点火电缆传输至点火电嘴，使电嘴打火。点火装置分类方式多样，按照点火装置储能元件分类，可分为电感放电系统、电容放电系统；按照点火装置电路形式分类，点火装置分为电子式和机械振子式两种；按照发火频率和火花能量是否可控，可分为固定频率式和变频变能式。
三、发展趋势
针对性能高、寿命长、可靠性高、重量轻、体积小等要求，航空发动机电点火系统的发展趋势可归纳为：
3.1 由电感储能向电容储能发展
点火装置是贮存与释放能量的关键元件，其储能器件为储能电容或电感。电感储能点火装置只有将低压电源电压转换为高压电的变压器，由电感线圈储能并向电嘴放电，电感式储能点火装置的储存能量一般为几十毫焦耳，放电频率高，不可控。电感系统用于间接点火，系统质量大。
电容式储能点火装置由电压变压器、电流变换器、储能电容、放电器等组成，储能可达十几焦耳，放电频率低，可控。电容放电点火系统将电源电压通过电压变换器升压，电流变换器整流后对存储电容器充电积累足够的电压，以电容器瞬时放电的方式释放给点火电嘴。其储能能量指点火部件放电管飞弧瞬间充电储能电容器中的电场能量，或利用断电器触点使感应线圈初级绕组中的电流切断瞬间线圈的磁场能量，决定了放电能量和储能电容器的质量和体积。电容系统用于直接点火。
目前除个别老机种尚沿用电感系统外，新机种均使用电容系统。由于航空发动机逐步控制成附件质量及尺寸，电点火系统才走向了低压电容点火系统。
3.2 由机械式向电子式发展
电点火系统的发展历程也是电子元器件的发展历程，由触点式向无触点式发展，由模拟式向数字式发展。有触点式和无触点式点火装置的区别主要在于点火装置内部是否含有带振动触点的电压变换器等器件。机械振子逆变升压变压器和气体放电管工作环境温度范围宽。但机械振子逆变升压变压器存在体积庞大、质量大、寿命短、电磁兼容性差等缺点。气体放电管存在击穿电压参数离散性较大等缺点，导致采用气体放电管作为放电开关的点火装置的输出电压、能量及放电频率稳定性差。
有触点式点火装置，直流变换部分通过电磁机械振子来完成。通过振子变压器线圈的变换作用，将低压直流电转换为高压脉冲电，经整流后对储能电容器充电，电容器的电压达到放电管的击穿电压后，放电管被击穿，将能量释放给电缆和电嘴，在点火电嘴发火端形成电火花。由于装置内部含有机械活动部件，有触点式点火装置的使用寿命比无触点电子式点火装置短很多。
无触点式点火装置是当接通直流电源时，通过滤波电路、直流变换电路将低压直流变换为高压交流电，经过整流后对储能电容器充电，电容器的电压达到放电管的击穿电压后，放电管被击穿，通过放电管进行放电，电嘴发出火花。这种无触点式点火装置的電压变换，主要靠晶体管器件。
这种使用晶体管器件的点火装置的直流变换器由于采用自激逆变原理，其输出参数的稳定性受到输入参数和环境条件的影响仍然较大。有触点式点火装置可以在180℃环境下长期工作，在210℃下短期工作。而采用晶体管器件的无触点点火装置最大的劣势，就是因元器件温度限制，难以满足部分航空发动机对成附件使用温度越来越高的要求。所以，目前高推重比发动机普遍采用有触点式点火装置。但从另一方面讲，无触点的点火装置内部无活动部件，因此无机械和电气磨损，耐振动、冲击等环境适应性号，且内部无机械开关动作，大大降低了电磁辐射，其相对主机的电磁兼容性较好。
绝大部分点火装置均采用放电管作为放电回路的控制元件，但放电管的寿命短，且为保证放电管的稳定性，通常会在产品内部添加气态放射性元素，大大提高了系统安全性保障措施要求。
为解决上述问题，另一种无触点点火装置——数字集成电路式点火装置成为国内的研究方向。该类型点火装置的直流变换部分采用他激原理，多数使用脉宽调制器对产品进行自稳频控制，使输出参数彻底摆脱输入参数和环境条件的影响。采用晶闸管（可控硅）代替放电管。与放电管相比，晶闸管具有体积小、结构可靠、寿命长且不具有放射性等诸多优点。由于半导体器件具有可控性，为点火装置实现变能、变频、诊断等功能奠定了基础。
3.3 由固定频率式向变能变频式发展
为满足健康管理等需求，诞生了变能变频点火系统。为满足发动机提高点火可靠性、延长寿命及减重需要，可根据发动机工作条件提供相匹配的能量和频率的变能变频点火系统将有效解决发动机高原起动等技术难题。
变能变频点火系统与传统点火系统的最大区别，在于拥有可变点火频率和火花能量的点火装置，其核心技术是固态点火技术。该技术利用半导体器件代替传统点火技术中的触点变压器、气体放电管等，其电磁兼容性、电源适应性、输出参数稳定性、寿命、可靠性、维修性，均比传统的点火装置有较大的提高。
此外，在固态点火电路的基础上，变能变频点火装置还增加了控制电路，实现了对输出频率、能量的控制；能在不同气候条件下为航空发动机提供相应点火频率、能量的电火花。如低温、低气压等环境条件下起动较难，此时起动点火需要较大的火花能量及较高的火花频率；而在高温、发动机热态下点火较容易，可适当降低火花能量及频率，从而降低电源功率，减轻飞行器负担。变频变能点火装置因其输出参数连续可调的优质特性，可在试验中逐步确定其所配套发动机不同工况下的最佳点火参数，摸索出点火系统储存能量极限值和燃烧室点火火花频率极限值，通过两者从最低到峰值的相互匹配，逐一进行点火试验，确定不同工况下储存能量和火花频率的最佳组合值。
四、结束语
正是由于航空发动机作战性能要求的不断提高，促使了航空发动机电点火系统的不断发展。为满足更严苛的使用要求，航空发动机电点火系统正逐步向电子式、可变能变频、电容放电式系统发展。
一、引言
航空发动机电点火系统用于点燃燃烧室内油气混合物，是保障发动机地面起动及空中再起动的核心元件。随着飞行器作战需求的不断变化和作战性能的不断提高，对电点火系统的设计也提出了新的要求：性能高、寿命长、可靠性高、重量轻、体积小，甚至要求具备可控、故障诊断等功能。因此本文结合电点火系统的技术特点，浅述了航空发动机电点火系统的发展趋势，为选择适合的点火系统提供参考。
二、电点火系统的分类
航空发动机电点火系统一般由点火装置，点火电嘴和点火电缆组成，其中点火装置是电点火系统的主要部件。点火装置用于将直流或交流电源转化为高压电，再通过点火电缆传输至点火电嘴，使电嘴打火。点火装置分类方式多样，按照点火装置储能元件分类，可分为电感放电系统、电容放电系统；按照点火装置电路形式分类，点火装置分为电子式和机械振子式两种；按照发火频率和火花能量是否可控，可分为固定频率式和变频变能式。
三、发展趋势
针对性能高、寿命长、可靠性高、重量轻、体积小等要求，航空发动机电点火系统的发展趋势可归纳为：
3.1 由电感储能向电容储能发展
点火装置是贮存与释放能量的关键元件，其储能器件为储能电容或电感。电感储能点火装置只有将低压电源电压转换为高压电的变压器，由电感线圈储能并向电嘴放电，电感式储能点火装置的储存能量一般为几十毫焦耳，放电频率高，不可控。电感系统用于间接点火，系统质量大。
电容式储能点火装置由电压变压器、电流变换器、储能电容、放电器等组成，储能可达十几焦耳，放电频率低，可控。电容放电点火系统将电源电压通过电压变换器升压，电流变换器整流后对存储电容器充电积累足够的电压，以电容器瞬时放电的方式释放给点火电嘴。其储能能量指点火部件放电管飞弧瞬间充电储能电容器中的电场能量，或利用断电器触点使感应线圈初级绕组中的电流切断瞬间线圈的磁场能量，决定了放电能量和储能电容器的质量和体积。电容系统用于直接点火。
目前除个别老机种尚沿用电感系统外，新机种均使用电容系统。由于航空发动机逐步控制成附件质量及尺寸，电点火系统才走向了低压电容点火系统。
3.2 由机械式向电子式发展
电点火系统的发展历程也是电子元器件的发展历程，由触点式向无触点式发展，由模拟式向数字式发展。有触点式和无触点式点火装置的区别主要在于点火装置内部是否含有带振动触点的电压变换器等器件。机械振子逆变升压变压器和气体放电管工作环境温度范围宽。但机械振子逆变升压变压器存在体积庞大、质量大、寿命短、电磁兼容性差等缺点。气体放电管存在击穿电压参数离散性较大等缺点，导致采用气体放电管作为放电开关的点火装置的输出电压、能量及放电频率稳定性差。
有触点式点火装置，直流变换部分通过电磁机械振子来完成。通过振子变压器线圈的变换作用，将低压直流电转换为高压脉冲电，经整流后对储能电容器充电，电容器的电压达到放电管的击穿电压后，放电管被击穿，将能量释放给电缆和电嘴，在点火电嘴发火端形成电火花。由于装置内部含有机械活动部件，有触点式点火装置的使用寿命比无触点电子式点火装置短很多。
无触点式点火装置是当接通直流电源时，通过滤波电路、直流变换电路将低压直流变换为高压交流电，经过整流后对储能电容器充电，电容器的电压达到放电管的击穿电压后，放电管被击穿，通过放电管进行放电，电嘴发出火花。这种无触点式点火装置的電压变换，主要靠晶体管器件。
这种使用晶体管器件的点火装置的直流变换器由于采用自激逆变原理，其输出参数的稳定性受到输入参数和环境条件的影响仍然较大。有触点式点火装置可以在180℃环境下长期工作，在210℃下短期工作。而采用晶体管器件的无触点点火装置最大的劣势，就是因元器件温度限制，难以满足部分航空发动机对成附件使用温度越来越高的要求。所以，目前高推重比发动机普遍采用有触点式点火装置。但从另一方面讲，无触点的点火装置内部无活动部件，因此无机械和电气磨损，耐振动、冲击等环境适应性号，且内部无机械开关动作，大大降低了电磁辐射，其相对主机的电磁兼容性较好。
绝大部分点火装置均采用放电管作为放电回路的控制元件，但放电管的寿命短，且为保证放电管的稳定性，通常会在产品内部添加气态放射性元素，大大提高了系统安全性保障措施要求。
为解决上述问题，另一种无触点点火装置——数字集成电路式点火装置成为国内的研究方向。该类型点火装置的直流变换部分采用他激原理，多数使用脉宽调制器对产品进行自稳频控制，使输出参数彻底摆脱输入参数和环境条件的影响。采用晶闸管（可控硅）代替放电管。与放电管相比，晶闸管具有体积小、结构可靠、寿命长且不具有放射性等诸多优点。由于半导体器件具有可控性，为点火装置实现变能、变频、诊断等功能奠定了基础。
3.3 由固定频率式向变能变频式发展
为满足健康管理等需求，诞生了变能变频点火系统。为满足发动机提高点火可靠性、延长寿命及减重需要，可根据发动机工作条件提供相匹配的能量和频率的变能变频点火系统将有效解决发动机高原起动等技术难题。
变能变频点火系统与传统点火系统的最大区别，在于拥有可变点火频率和火花能量的点火装置，其核心技术是固态点火技术。该技术利用半导体器件代替传统点火技术中的触点变压器、气体放电管等，其电磁兼容性、电源适应性、输出参数稳定性、寿命、可靠性、维修性，均比传统的点火装置有较大的提高。
此外，在固态点火电路的基础上，变能变频点火装置还增加了控制电路，实现了对输出频率、能量的控制；能在不同气候条件下为航空发动机提供相应点火频率、能量的电火花。如低温、低气压等环境条件下起动较难，此时起动点火需要较大的火花能量及较高的火花频率；而在高温、发动机热态下点火较容易，可适当降低火花能量及频率，从而降低电源功率，减轻飞行器负担。变频变能点火装置因其输出参数连续可调的优质特性，可在试验中逐步确定其所配套发动机不同工况下的最佳点火参数，摸索出点火系统储存能量极限值和燃烧室点火火花频率极限值，通过两者从最低到峰值的相互匹配，逐一进行点火试验，确定不同工况下储存能量和火花频率的最佳组合值。
四、结束语
正是由于航空发动机作战性能要求的不断提高，促使了航空发动机电点火系统的不断发展。为满足更严苛的使用要求，航空发动机电点火系统正逐步向电子式、可变能变频、电容放电式系统发展。