航空宇宙工学に少しでも携わったことがある方なら、電気機器は理想的な条件下で動作するだけでよいわけではないことをご存知でしょう。飛行機、人工衛星、打ち上げロケットは、電力品質が劇的に変化する可能性がある環境で動作します。突然の電圧降下、短時間の中断、または計画外の低下は珍しい異常ではなく、地上試験と飛行中の運用の両方で現実に発生します。航空宇宙メーカー、アビオニクス設計者、コンプライアンス チームにとって、電圧降下発生器が航空宇宙電気機器の信頼できるテスト ツールとして機能できるかどうかという問題は、もはや単なる理論上のものではありません。特殊な電圧ディップ発生器のサプライヤーとして、私はこれらのデバイスが一般的な産業用テストツールから、厳格な業界標準を満たす航空宇宙用テスト機器の重要な部分にどのように進化したかを直接見てきました。これらがなぜ重要なのか、航空宇宙アプリケーションでどのように機能するのか、システムが確実に耐えられるようにするにはどのような機能が必要なのかを詳しく見てみましょう。
まず、電圧ディップとは何なのかを理解しましょう。すべてのディップが同じように発生するわけではないからです。電圧ディップ (電圧低下とも呼ばれます) は、電圧振幅の短期間の低下であり、通常、公称レベルに戻るまでに数ミリ秒から数秒続きます。航空宇宙では、こうした低下はさまざまな原因から発生する可能性があります。搭載電源レギュレーターの故障、打ち上げ前検査中の地上支援装置 (GSE) の電力変動、さらには衛星がソーラー パネルを展開する際の一時的な負荷変動などです。問題は、多くの航空宇宙電気システム (飛行制御コンピューター、航法センサー、通信トランシーバー) が、非常に厳しい電圧許容範囲内で動作するように校正されていることです。家庭用電化製品ではわずかなレベルのディップが発生すると、アビオニクス ユニットがリセットされたり、データが失われたり、重要なコマンドに応答できなくなったりする可能性があります。そのため、これらのイベントのテストでは、DO-160 (航空機器の主要な環境テスト規格) や MIL-STD-704 (軍用航空宇宙システムの電力要件を定義) などの規格に準拠するために交渉の余地がありません。
電圧ディップジェネレーターとは、その名の通り、電源内に制御された再現可能な電圧ディップを人為的に生成するテスト機器で、これによりエンジニアは実際のハードウェアに損傷を与える危険を冒さずに現実世界の電力イベントをシミュレートできるようになります。しかし、ここで航空宇宙テストが、たとえば家電製品のテストから分岐します。航空宇宙の電力システムは単相、三相、さらには直流 (DC) の場合があり、電流要件は小型センサーの数アンペアからメインバス システムの数十アンペアまで多岐にわたります。万能のテストツールではうまくいきません。そのため、当社の製品ラインには、低電流アビオニクス用のコンパクトな単相 10A 電圧ディップ ジェネレータから、より大型の車載電源システム用の高出力三相 32A 電圧ディップ ジェネレータに至るまで、これらの特定のニーズに合わせたソリューションが含まれています。
実践的な側面に入りましょう。これらのジェネレーターは航空宇宙テストのワークフローとどのように統合されるのでしょうか? DO-160、セクション 16 を例に挙げます。これは、航空機搭載機器の電源入力について説明しています。この規格では、特定の深さ (公称電圧の 50%、75% など) および継続時間 (システムに応じて 10ms から 600ms まで) での電圧降下をテストすることが求められています。単相航空機センサーの場合、センサーが飛行に重要な信号を処理している間、単相 20A 電圧ディップ発生器のようなデバイスを使用して、100 ミリ秒間 50% の電圧ディップを注入します。センサーが出力を維持できない場合、またはロックアップした場合は、電力調整を再設計するか、フィルターを追加する必要があることがわかります。衛星の姿勢制御システムに電力を供給する三相主電力バスの場合、三相 20A 電圧ディップ ジェネレーターまたは三相 32A 電圧ディップ ジェネレーターは、平衡または不平衡ディップをシミュレートし、衛星の打ち上げ段階で複数のシステムが同時に起動するときに発生する可能性のある種類の電力変動を模倣できます。
しかし、なぜこれらのテストに航空機や衛星の実際の電源を使用しないのでしょうか?大きな理由は 2 つあります。再現性と制御性です。コンプライアンスをテストする場合、変数を使用することはできません。 GSE ユニットからの実際の電力ディップは、深さや期間が一貫していない可能性があり、認定のためのテスト条件を確実に再現することが不可能になります。電圧ディップ ジェネレーターを使用すると、電圧の深さ、持続時間、連続ディップの数、位相の不均衡などの正確なパラメーターを設定し、同じテストを何百回も実行して設計を検証できます。たとえば、民間旅客機の飛行管理システムをテストしている場合、システムが時間の経過とともに劣化しないことを確認するために、200 ミリ秒、70% の電圧低下を 1,000 サイクル実行する必要がある場合があります。優れた発電機はドリフトやエラーを発生させることなくこの問題を処理しますが、実際の電力イベントでは保証できません。
航空宇宙に関するもう 1 つの重要な考慮事項は、DC 電源です。衛星ペイロードから電動航空機サブシステムに至るまで、多くの最新の航空宇宙システムは、交流 (AC) ではなく DC 電源で動作します。標準の AC 電圧ディップ発生器は、異なる物理法に従う DC ディップを再現できません。DC ディップは、直流回路の電圧降下であり、多くの場合、負荷の変化やライン損失によって引き起こされます。そこで当社の DC 電圧ディップス ジェネレーターが登場します。これは、宇宙や電気航空で一般的な DC 電源イベントをシミュレートするように特別に設計されており、エンジニアがバッテリー管理システム、ソーラー アレイ レギュレーター、およびその他の DC 電源コンポーネントをテストできるようになります。たとえば、衛星の太陽電池アレイが地球の影に入ると、たとえその影が 90 秒間だけであっても、一時的なディップが発生する可能性があります。 DC ジェネレーターを使用したテストにより、バッテリー バックアップが、動作を中断することなくアレイを再起動するのに十分な時間電力を供給できることを確認します。
もちろん、電圧ディップ発生器が実行できることには制限があり、作業に適したツールを使用することが重要です。たとえば、完全な停電 (10 秒を超えるゼロ電圧イベント) をシミュレートする必要がある場合、一部の発電機はそれをオプションとして提供していますが、非常に長い停電の場合は追加のテスト機器が必要になる場合があります。ただし、ほとんどの日常的なコンプライアンス テストでは、電圧ディップ ジェネレータが航空宇宙向けの電力品質テストのバックボーンとなります。とはいえ、すべての発電機が航空宇宙規格に準拠して構築されているわけではありません。安価な汎用発電機は、電圧深度または持続時間の精度が低い場合があり、そのため、不正確なテスト結果が得られる可能性があります。つまり、故障するはずのシステムに合格したり、実際には十分に堅牢なシステムに不合格になったりする可能性があります。そのため、航空宇宙認証に必要な精度と信頼性を満たす発電機を選択することが重要です。
よくある誤解について話しましょう。一部のエンジニアは、電圧ディップ テストは新しい設計のみに適用され、稼働中の機器には適用されないと考えています。しかし、そうではありません。航空会社が航空電子機器をアップグレードするとき、または衛星が打ち上げ前の再認定を受けるとき、電力性能を再テストする必要があります。電圧ディップ発生器はトラブルシューティングにも使用されます。飛行中の電力イベントがシステム障害を引き起こした場合、ジェネレータはその正確なディップを研究室で再現し、根本原因を特定できます。たとえば、前の飛行中にナビゲーション システムがリセットされた場合、エンジニアは三相 20A 電圧ディップ ジェネレータを使用して、発生した電力イベントを再現し、システムのリセットが予測可能かどうか、または設計上の欠陥を示しているかどうかを確認できます。
私はサプライヤーとして、長年にわたって数十の航空宇宙チームと協力してきましたが、最もよくある間違いは、テスト機器のサイズが小さすぎることです。小型のアビオニクス ユニットは 5 A しか消費しないかもしれませんが、10 A の発電機でテストすると、将来のアップグレードに備えて余裕が生まれます。単相 10A 電圧ディップ発生器から三相 32A モデルまでの当社の製品群は、その柔軟性をカバーするように設計されています。また、当社は航空宇宙試験ラボの厳しさに耐えられるように発電機を製造しています。発電機は頑丈なケースに収められており、簡単にプログラミングできるタッチスクリーン インターフェイスを備えており、ほとんどの航空宇宙認証プロセスに必要な ISO 17025 標準を満たすように校正されています。
別の角度から見ると、ソフトウェアの統合です。最新の航空宇宙試験セットアップの多くは、手動介入なしでテストスイート全体を実行する自動試験システム (ATS) を使用しています。イーサネットまたは GPIB 経由でこれらの ATS と統合できる電圧降下発生器を使用すると、時間を大幅に節約できます。何百ものテストシーケンスをプログラムして夜間に実行し、レポートを自動的に生成できます。これは、厳格な規制文書要件を満たすために不可欠です。当社のジェネレーターはその統合を念頭に置いて構築されているため、既存のテスト インフラストラクチャにシームレスに適合できます。
待ってください。これを具体的にするために、実際の使用例を取り上げましょう。昨年、地域電気航空機に取り組んでいるチームが問題を抱えて私たちに相談に来ました。新しいバッテリー管理システム (BMS) が、150 ミリ秒間 60% の電圧低下で DO-160 の電力テストに不合格でした。彼らは、BMS が必要とする正確な DC ディップを再現できない汎用 AC 発電機を使用していたため、一貫性のない結果が得られていました。当社は、正確な DC 電圧の深さと持続時間を設定できる DC 電圧ディップ ジェネレーターを使用してテストすることを推奨しました。彼らは、BMS のフィルター コンデンサーが小さすぎて、電気モーターの始動時に発生する 120ms のディップに対処できないことを発見しました。より大きなコンデンサーを搭載した BMS はテストに合格し、航空機は現在初飛行に向けて順調に進んでいます。これが専用の電圧ディップ発生器の価値です。これは単なるテスト ツールではなく、問題解決ツールです。
それでは、元の質問に戻ります。電圧ディップ発生器は航空宇宙用電気機器のテストに使用できますか?答えは完全にイエスです。ただし、それは特定のニーズに適したものを選択した場合に限られます。単相アビオニクスをテストしている場合は、単相 20A 電圧ディップス ジェネレーターを使用すると、必要な精度が得られます。三相主電源システムの場合は、三相 20A または三相 32A モデルが必須です。 DC 電源コンポーネントの場合、専用の DC 電圧ディップス ジェネレーターに勝るものはありません。また、低電流センサーの場合、単相 10A 電圧ディップ ジェネレーターは、性能を犠牲にしないコスト効率の高い選択肢です。
テスト機器をアップグレードする準備ができている場合、または現在のセットアップが航空宇宙規格を満たしていることを確認する必要がある場合は、当社がお手伝いいたします。新しいアビオニクスの設計、衛星ペイロードの認証、または稼働中の電力問題のトラブルシューティングのいずれの場合でも、当社の電圧ディップ発生器の製品ラインは、航空宇宙試験の目標をサポートするように構築されています。
参考文献
- RTCA株式会社（2020）。 DO-160G: 航空機搭載機器の環境条件と試験手順。
- 米国国防総省。 （2015年）。 MIL-STD-704F: 航空機の電力特性。
- 国際標準化機構。 （2018年）。 ISO 17025: 試験および校正研究所の能力に関する一般要件。
- SAEインターナショナル。 （2019年）。 AS1555: 航空宇宙システムの電力品質要件とテスト方法。
