谁在控制APU？导航、燃油、环控、电源、防火等十大系统交联信号深度拆解

摘要：辅助动力装置（Auxiliary Power Unit，APU）是民用飞机满足适航要求所必需的机载设备之一，其控制系统设计涉及APU本体控制与飞机级系统交联两个层面。本文从飞机级功能出发，通过APU系统功能分解与定义，系统分析了APU系统与导航系统、燃油系统、环控系统、动力装置系统、电源系统、防火系统、照明系统、起落架系统、指示记录系统及机载维护系统等十大飞机系统的交联关系与信号组成。在此基础上，论述了基于半物理仿真方案的APU系统航电交联试验验证方法，并对APU控制系统向功率电传与电静液作动器方向演进的技术趋势进行了展望，为后续多电飞机架构下APU控制系统的设计提供技术参考。

第一章、辅助动力装置概述

辅助动力装置（APU）是飞机主动力装置之外可独立输出压缩空气或供电的小型燃气涡轮发动机，其主要功能是在地面和空中起动主发动机，为客舱供气并为各种机载设备提供辅助电源。APU具有结构简单、重量轻、运动旋转部件少、输出功率和功重比高、飞行包线大、工作稳定性好等特点，在现代民用飞机上得到了越来越广泛的应用。

APU控制系统从与飞机其他系统的交联关系来看，可以分为APU本体控制系统和APU飞机级控制系统两部分。APU本体控制系统主要包括APU控制器（全权限数字电子控制器，FADEC）和APU上安装的传感器和作动器，由APU控制器通过传感器和作动器实现对APU的全自动控制。APU飞机级控制系统主要包括驾驶舱的人机交互界面和飞机相关系统对APU控制器的接口，即APU控制板、APU控制器供电、燃油控制、应急停车、APU引气、起动/发电、风门控制和指示告警等。

两者之间存在紧密的层次关联：APU本体控制系统完成对APU自身运行状态的闭环控制，而APU飞机级控制系统则负责APU与飞机各系统之间的指令传递、状态反馈和安全互锁。本体控制系统的控制律设计需要飞机级系统提供的大气数据、轮载信号、引气指令等外部输入作为边界条件；飞机级系统的功能实现则依赖本体控制器对执行机构的精确驱动。二者协同工作，共同保障APU在飞机整个飞行包线内的安全可靠运行。

多位学者对APU控制系统和APU飞机级控制系统开展了设计研究。张莹通过设计某型APU数控系统，研究APU的控制规律，完成电子控制器的硬件设计和实现，并对APU数控系统进行了全数字仿真研究和半物理模拟试验。李彦双等研究了APU飞机级控制系统的设计，主要研究APU控制板、APU控制器供电、APU引气、起动/发电、应急停车、风门控制和指示告警系统等控制子系统的设计。甄真等针对飞机和辅助动力装置的结构配置，提出辅助动力装置全权限数字电子控制系统，分析了飞发匹配特性、总体控制方案、燃油控制算法等关键控制技术。

第二章、APU系统级功能分解与定义

2.1 飞机级功能定义

APU系统相关的飞机级子功能包括：提供辅助动力源、提供机组操作控制和数据输入、确保维修和地面人员安全等。飞机级功能向下分解至APU系统层级，形成可独立定义和验证的系统级功能。

2.2 APU系统级功能分解

通过对飞机APU系统功能进行定义与分解，APU的系统级功能可分为：

（1）APU起动功能。APU从收到起动指令直到可以加载的工作过程。该功能涵盖地面起动和空中起动两种模式，两种模式的起动控制规律不一致，需要根据飞机所处飞行阶段进行差异化控制。

（2）APU持续稳定运转功能。APU在起动成功后维持稳定运转状态，包括转速控制、排气温度监控、引气流量调节等子功能。

（3）APU引气功能。根据环控系统或动力装置系统的引气指令，控制压气机导叶、引气阀、防喘阀等执行机构，为飞机提供满足流量和压力要求的气源。

（4）APU发电功能。起动成功后，APU通过发电机向电源系统供电，电源系统将电能分配给飞机用电系统。

（5）APU停车功能。包括正常停车和紧急停车两种模式。正常停车为APU控制器接收到来自驾驶舱的停车信号后，经60 s冷转后再停车；紧急停车为APU接收到紧急停车指令后，不经过冷转直接停车。

（6）故障检测与告警功能。监测APU运行状态参数，识别故障并生成相应的告警信息发送给指示记录系统。

（7）维护支持功能。将APU故障信息、台份号、软件版本等信号发送至机载维护系统，用于排故和构型管理。

2.3 APU系统与飞机其他系统架构

根据APU系统级功能分解与定义，进一步分析得到APU系统与飞机其他系统的关联。APU系统与飞机级系统之间的交联架构可分为三个层次：

指令层：APU系统从飞机系统接收的操作指令，如照明系统发送的APU起动/停车指令、环控系统发送的引气指令、动力装置系统发送的起动机运转指令等。

数据层：APU系统与飞机系统之间交换的实时数据，如导航系统发送的大气数据（高度、速度、温度、压力）、起落架系统发送的轮载信号、机载维护系统发送的飞机状态信息等。

状态反馈层：APU系统向飞机系统发送的状态信息，如APU起动成功信号、引气阀位置信号、APU故障信息等。

为实现APU系统级功能，需要与飞机交联的系统主要包括导航系统、燃油系统、环控系统、动力装置系统、电源系统、防火系统、照明系统、起落架系统、指示记录系统和机载维护系统。

第三章、飞机系统交联信号分析

3.1 导航系统

飞机导航系统包含大气数据系统、惯性基准系统和综合监视系统等，主要用于为飞机提供高度、速度、温度和压力等大气数据，以及日期、时间、地速等信号。为实现APU起动、稳定工作和停车等功能，需要获得飞机的高度、速度、环境温度、环境压力，用于判断APU的包线状态；同时为实现APU的防喘控制、燃油控制等功能，也需要大气参数。此外，当APU系统出现故障时，需要从飞机系统获取时间信号，用于记录故障发生时间。

导航系统会将APU需要的飞机高度、速度和时间等信号发给航电系统，APU系统再从航电系统得到需要的信号。目前，导航系统功能已实现无APU系统信号需求，无需APU系统发送给导航系统的信号即可为APU系统提供数据。APU系统和导航系统间的交联信号主要包括气压高度、马赫数、总温、总压以及时间等信号。

3.2 燃油系统

飞机燃油系统的主要功能是在飞机整个飞行包线范围内，为发动机和APU提供满足流量和压力要求的燃油，由贮存系统、分配系统和测量管理系统组成。

APU系统与飞机级燃油系统的控制主要涉及两个方面：一是APU燃油供油泵的打开和关闭，二是APU燃油切断阀的打开和关闭。APU燃油供油泵功能为提供满足APU工作所要求压力和流量的燃油，通过控制APU供油泵工作，参与控制APU系统供油压力和流量。APU燃油供油泵属于飞机燃油系统设备，一般通过飞机驾驶舱燃油系统控制面板上的开关控制，或者由燃油系统控制；APU系统不直接控制APU燃油供油泵。APU燃油切断阀一般位于燃油系统给APU供油的管路上，用于切断飞机给APU系统供油管路，从而实现对APU的供油控制。

APU停车时，需要控制关闭APU燃油供油阀，中断APU系统燃油供应，从而实现APU停车。APU正常停车和紧急停车的停车时序不一致，因此APU燃油切断阀的打开和关闭由APU系统控制，以满足APU停车控制逻辑要求。由于APU供油切断阀控制的可靠性要求较高，一般采用硬线控制。

综上，飞机燃油系统控制APU燃油供油泵的打开和关闭；APU控制系统控制APU供油切断阀的打开和关闭。此外，飞机燃油系统也会通过飞机航电系统接收APU系统工作状态的信号，用于飞机燃油系统控制，如APU的停车等信号。

湖南泰德航空技术有限公司在航空燃油系统领域具有显著的技术优势，其研发的燃油供油系统由测控系统控制运行，通过上位机指令启动预定的控制程序，实现对发动机试验时的加减油控制功能，同时测量供油出口的实时压力、温度和流量参数，可对超温、超压、流量不足等异常情况进行诊断。该系统具备恒压模式和恒流模式两种供油控制模块，在安全保护方面设计了压力＞110%设定值时的声光报警+自动泄压机制，以及温度＞150℃持续10秒时的切断燃油+氮气吹扫保护。

在核心技术方面，湖南泰德航空采用PID+前馈补偿控制技术，解决了燃油温度变化导致的粘度-流量非线性关系，压力波动抑制性能达到阶跃响应调节时间＜0.5秒、超调量＜1%设定值。其燃油泵产品采用无刷电机技术，寿命＞5,000小时（MTBF），内置压力/流量传感器并支持CAN总线通信，具备自适应调节能力，可根据发动机负载动态调整供油压力。此外，湖南泰德航空正积极推进燃油系统的智能化升级，将微型传感器网络与自适应控制算法深度集成于泵体，实现流量精准调节、故障预诊断及健康管理。这些技术能力可为APU燃油供油系统的可靠运行提供有力支撑，特别是在APU起动和稳态运转过程中对燃油流量和压力的精确控制需求方面。

3.3 环控系统

环控系统通过从APU系统引气，为飞机客舱供气。因此，APU系统需要从环控系统接收引气指令和引气流量等指令，APU系统根据环控系统指令，控制压气机导叶、引气阀、防喘阀等执行机构。此外，一般民用航空飞机系统的环控引气分为单包引气和双包引气，单包引气和双包引气对APU系统的引气流量不相同，APU系统控制逻辑也不相同，环控系统空调包工作状态也需要发送给APU系统。

对于环控系统，APU系统工作时由APU提供气源，而动力装置系统工作时，环控系统由动力装置系统供气。由于APU系统供气和动力装置系统供气流量不同，因此环控系统需要收到相关指令信号，如APU起动成功指令和引气阀位置等信号，再判断是由APU系统供气还是由动力装置系统供气。

3.4 动力装置系统

民用航空飞机的动力装置系统起动阶段，需要APU系统提供气源，带动动力装置系统转动到一定的转速，从而在地面和空中起动主发动机。民用飞机的动力装置系统一般分为左发和右发，均需APU提供引气带转动力装置起动，而APU引气一般只能提供单发起动所需气源，不能同时起动左发和右发。

与环控系统一样，APU系统需要接收到动力装置系统引气指令后，控制APU系统给动力装置系统供气。因此需要主发控制器向APU控制器提供左或右起动机运转指令。此外，主发控制器一般有两个或多个通道，动力装置系统需向APU系统提供动力装置系统控制器的左/右发通道工作情况，APU系统判断通道信号有效性，使用有效的动力装置系统信号。

3.5 电源系统

电源系统一般与APU起动和发电有关，主要功能为：APU起动阶段，由电源系统提供电源给APU，通过起动机带转APU；APU起动成功后，APU供电给电源系统，电源系统提供电源给飞机系统。

电源系统通过接收APU系统发送的信号判断APU状态：APU处于起动阶段时，给电源系统发送APU起动指令，电源系统判断APU系统起动状态，提供APU系统起动所需的电源；APU起动成功后，电源系统接收APU起动成功的指令，此时电源系统从APU提取功率用于发电，给飞机用电系统供电。

考虑APU同时为环控或起发状态供电的情况，总功率被分流，导致此时发电机发电的总功率降低。为了避免发电机超载导致设备损坏，电源系统一旦接收到APU引气模式的信号，需评估发电机供电能力，以便采取卸载措施，降低发电机供电需求。此外，APU和电源系统之间还通过控制器局域网（CAN）总线传输APU和电源系统的状态信息等信号。

3.6 防火系统

飞机防火系统主要是为飞机上需要防护的区域提供安全可靠的探测措施，为机组提供快速准确的告警指示，并提供有效的灭火措施。飞机的防火系统一般设计有两个防火开关：一个是位于飞机驾驶舱的APU防火控制板上的APU灭火开关；另一个是飞机起落架舱的APU地面防火控制板上的APU灭火开关。两个开关均通过硬线连接。同时适航条款CCAR25.1142也明确要求：驾驶舱内必须有停车和应急关断APU的设施。

当探测到APU着火时，机组可通过按出APU防火控制板上的APU灭火开关，控制APU着火情况下紧急停车。此外，如果APU在地面，防火系统探测到APU着火时，会通过总线信号将防火信号发送给APU控制器，由APU系统控制器控制APU着火情况下紧急停车。地面人员也可按出位于起落架舱的APU地面防火控制板上的APU灭火开关，实现APU的紧急停车。

3.7 照明系统

照明系统控制APU控制板的起动开关和主开关，以及开关的信号指示灯。APU控制板通过APU起动开关和主开关，向APU控制器发出APU起动和停车指令，控制APU的起动和停车等。APU控制板是飞行员进行APU控制的人机交互界面，其功能是向APU控制器发出起动和停车指令。APU控制板通常会发出三个信号给APU控制器，分别为APU控制器上电信号、APU起动信号和APU停车信号。

另外，照明系统还提供APU起动开关和主开关的指示灯，用于给机组提示APU处于起动过程、起动成功、APU故障等状态。

3.8 起落架系统

起落架系统通过加装在飞机的前起落架和左/右主起落架的位置传感器，判断轮载信号在地面还是在空中，再通过起落架控制器将空中/地面状态信息发给飞机航电。APU系统发生故障时，其潜在风险在地面与空中阶段截然不同，因此APU系统的故障处置策略也不一致。唯有实时获取飞机的空中/地面状态信息，APU系统方能精准匹配相应故障处置逻辑，确保每一阶段的安全裕度。

APU起动分为地面起动和空中起动，起动控制规律不一致，因此需要起落架系统的轮载信号来判断飞机处于地面还是空中飞行阶段。在空中状态下，高马赫数及较低的APU进口压力可能导致进入APU的气流极不稳定，从而造成APU点火不成功的问题，因此进气门控制策略在空中与地面状态下存在显著差异。

3.9 指示记录系统

APU的指示告警信息采用人机交互系统，通常在EICAS（发动机指示和机组告警系统）上显示。APU系统将运行的重要参数发给指示记录系统，给机组判断APU状态，包含：APU转速、排气温度、滑油温度、风门开度、滑油压力、滑油量。

APU系统共有两条控制与告警系统（CAS）信息：APU LIMIT和APU FAIL，均发送给指示记录系统，用来表征APU出现的故障情况。APU LIMIT信息表示APU在空中时，APU的压力、温度等系统参数超限，引起APU系统出现故障，但该类故障并不严重，不会导致APU系统出现结构性损失，APU在空中时不用停车，该信息仅会在空中出现。APU FAIL信息代表APU出现APU自动停车或起动失败，空中和地面情况下都有可能被触发，告知机组APU此时不可用。

3.10 机载维护系统

机载维护系统主要用于监控成员系统的工作状态，进行故障诊断、分析，并存储传输各系统的故障信息、状态信息和配置信息。APU系统将APU的故障信息发送至机载维护系统，用于APU系统的排故。同时将APU台份号、软件版本、硬件信息等信号发给机载维护系统，机载维护系统用于辅助管理飞机构型信息，监控并显示现场可更换单元（LRU）的硬件和软件部件号。

APU系统电子控制器（ECU）接收机载维护系统的数据加载指令和飞机状态信息，其中飞机状态信息包括飞机注册信息、时间、飞行阶段等信号。在状态监测与健康管理方面，机载维护系统通过控制图表等工具识别APU健康症状，并将这些症状与故障模式建立关联。若APU健康管理系统显示APU的循环数和工作时间很高、EGT趋势偏高、进口导向叶片或引气控制阀经常关断，则宜拆除该APU；若显示循环数和工作小时较少、EGT趋向正常且很少发生关断，则宜进一步排除引气系统元件故障。

第四章、APU系统与飞机级系统交联试验

通过APU系统与飞机级系统交联设计，确定了APU系统与飞机级系统交联的信号。为确定系统交联信号是否准确，通过搭载航电系统完成APU系统与飞机航电交联试验。

为保证试验安全，采用带控制实物的半物理方案，通过模拟仿真试验验证系统交联信号。试验系统主要由APU模拟器、电子控制器、接口、电源、显示器以及连接电缆等组成。APU本体通过仿真模型模拟，安装在APU模拟器中，通过连接器与电子控制器相连，APU模拟器能完全自动地运行。基于分线盒的功能，APU模拟器可实现与电子控制器的连接和断开。同时APU电子控制器和飞机航电系统连接，并通过航电系统与其他飞机系统交联。

在半物理仿真试验中，以某型APU为控制对象，设计全权限数字电子控制器，基于该控制器设计APU的控制软件，通过接入仿真监控系统、传感器、执行机构等实物建立APU的半实物仿真平台。半实物仿真结果表明，该系统能有效地控制APU，并实时反映APU的运行情况，为APU系统的研制提供了良好的试验手段。

在航电交联测试方面，可通过模拟飞机压力、温度、转速、角度等多路多种传感器信号的输出与实时显示，并通过ARINC429总线进行信号回采与解析，实施闭环半实物仿真的检测系统。该系统涉及的航电与机电系统交联测试主要通过飞机液压源系统、刹车压力系统、辅助动力系统、发动机指示系统等与飞机航电系统进行交联，共需仿真非航电系统的50多路模拟信号、20多路开关信号、5路转速信号和4路电阻信号。

通过APU系统航电交联试验，可以验证APU系统与飞机系统交联信号的正确性和完整性。在此基础上，还需进一步开展地面台架试车试验，通过对试车试验结果的分析验证控制器对辅助动力装置的控制功能。

第五章、APU控制系统技术发展趋势

5.1 功率电传技术与电静液作动器

随着多电飞机概念的深入发展，机载作动系统正经历从传统集中式液压系统向功率电传（Power-by-Wire, PBW）系统的变革。在90年代由美国提出的“多电飞机”概念中，尝试用电力系统部分取代原来的液压、气动和机械系统，使所有的次级功率系统均以电的形式分配。

电静液作动器（Electro-Hydrostatic Actuator, EHA）是最具代表性的功率电传系统，其核心思想是取消集中式液压系统，通过电机驱动液压泵实现作动控制，优点在于提高飞机受损后的生存能力并改善系统的功率匹配效率。EHA系统中电机驱动一个液压泵，把油液从其自身的小油箱中输出，液压系统是一个独立的集成系统。

在APU控制领域，功率电传技术的应用前景主要体现在以下方面：APU燃油切断阀、引气阀、防喘阀等执行机构可采用EHA方案替代传统液压作动，实现更精确的阀位控制和更快的动态响应。湖南泰德航空在EHA领域也有技术布局，其研究涵盖先进控制算法、双余度冗余设计与故障诊断技术。未来，随着电机-泵复合控制功率电传作动系统和电机-泵-阀复合控制功率电传作动系统的进一步成熟，APU控制系统的执行机构有望实现全电化，从而简化系统架构、降低维护成本。

5.2 混合电推进与电动APU

航空航天领域APU市场正经历显著的技术转型，混合电动APU和燃料电池APU成为重要发展方向。混合电动APU细分市场预计在2035年前将以15.3%的年复合增长率增长。电动和电池供电APU在2025年已占1.844亿美元的市场规模，预计到2035年将达到6.368亿美元，年复合增长率达13.15%。

电动APU（eAPU）以电池供电和电动机/泵替代传统的高速涡轮和肼燃料供应系统，将300V电力转换为3000 psi的液压功率。这一技术路线与多电飞机架构的发展方向高度契合，将推动APU控制系统从传统的燃气涡轮控制向电力电子控制转变，对控制系统的架构设计、控制律算法和交联接口提出全新的要求。

5.3 智能化健康管理与预测性维护

APU状态监测与健康管理正从传统的定期维护向基于状态的维护转变。通过条件监测数据和故障预测模型（基于数据驱动或物理建模方法），可实现APU的预测性健康管理。目前已有航空企业开展AI驱动的APU健康监测系统研发，将人工智能技术应用于APU故障预测和维修决策。

在技术实现层面，非侵入式振动声学传感器的安装可在保持系统完整性的同时最大化系统故障诊断能力。湖南泰德航空在燃油系统领域的智能化实践提供了有益参考：通过燃油泵磨损预警（基于流量脉动谐波分析提前200小时预警）和自适应控制算法，实现了燃油系统的故障预诊断及健康管理。这些技术思路可推广至APU控制系统的传感器网络设计和故障诊断算法开发，为构建APU系统级健康管理体系提供技术基础。

5.4 基于模型的系统工程方法

基于模型的系统工程（Model-Based Systems Engineering, MBSE）方法在APU系统设计中正得到越来越广泛的应用。MBSE方法在需求捕获、架构设计和系统验证方面表现优异，特别适用于APU系统这种与其他机载系统存在大量能量和电子接口的复杂系统。通过建立APU系统的功能模型、架构模型和接口模型，可在设计早期阶段对系统交联关系进行验证和优化，降低研制风险。这一方法的发展将为APU控制系统与飞机级系统交联设计提供更加系统化和规范化的技术手段。

第六章、结论

本文从飞机级功能出发，通过APU系统功能分解与定义，系统分析了APU系统与飞机各系统的交联关系与信号组成，主要结论如下：

1）APU系统级功能可分为APU起动、持续稳定运转、引气、发电、停车、故障检测与告警、维护支持等功能，各功能之间相互关联，共同保障APU在飞机整个飞行包线内的安全可靠运行。

2）APU系统与飞机级系统的交联涉及导航系统、燃油系统、环控系统、动力装置系统、电源系统、防火系统、照明系统、起落架系统、指示记录系统和机载维护系统等十大系统，交联信号涵盖指令信号、数据信号和状态反馈信号三类。

3）在燃油系统交联方面，飞机燃油系统控制APU燃油供油泵的打开和关闭，APU控制系统控制APU供油切断阀的打开和关闭。湖南泰德航空在燃油系统领域的高精度动态控制技术和智能化健康管理能力可为APU燃油供油系统提供技术支撑。

4）通过搭载航电系统的半物理仿真试验方案，可有效验证APU系统与飞机系统交联信号的正确性和完整性。

5）APU控制系统正朝着功率电传化、混合电推进、智能化健康管理和MBSE方法应用等方向发展。功率电传技术与电静液作动器技术的发展将为APU控制系统执行机构的全电化提供技术基础，混合电动APU和多电飞机架构的演进将深刻影响APU控制系统的设计理念与架构方案。