孫俊剛

【摘 要】航空發(fā)動機(jī)是飛機(jī)的心臟，航空發(fā)動機(jī)控制系統(tǒng)就好比大腦，控制著心臟的正常運(yùn)轉(zhuǎn)。隨著時代的進(jìn)步和科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，航空發(fā)動機(jī)控制系統(tǒng)經(jīng)歷了由液壓機(jī)械式控制系統(tǒng)到監(jiān)控型電子控制系統(tǒng)再到FADEC系統(tǒng)的轉(zhuǎn)變。本文從功能角度、系統(tǒng)可靠性、系統(tǒng)維護(hù)性等多個方面對三種航空發(fā)動機(jī)控制系統(tǒng)進(jìn)行對比分析。

【關(guān)鍵字】航空發(fā)動機(jī)控制系統(tǒng);液壓機(jī)械;FADEC;可靠性

中圖分類號： V233.7 文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A文章編號： 2095-2457（2019）01-0030-003

0 引言

自從1903年人類歷史上的第一架飛機(jī)“飛行者”1號誕生以來，經(jīng)過百余年的發(fā)展，飛機(jī)無論是從外形、載重量、安全性、技術(shù)性等各個方面都取得了巨大的跨越式發(fā)展。民航客機(jī)中的空客A380的最大起飛重量已達(dá)到575噸之重，這么大的起飛重量完全靠飛機(jī)的發(fā)動機(jī)的動力來進(jìn)行提供。

發(fā)動機(jī)作為飛機(jī)的心臟為飛機(jī)提供前進(jìn)的動力，而動力來自于發(fā)動機(jī)通過進(jìn)氣道、壓氣機(jī)、燃燒室、渦輪及尾噴管共同工作提供的推力。但是這些部分的工作參數(shù)是無法通過自身進(jìn)行調(diào)節(jié)的，需要外界進(jìn)行控制。比如飛機(jī)在起飛和著陸時需要對燃油流量等參數(shù)進(jìn)行控制，當(dāng)發(fā)動機(jī)喘振時則需要對可調(diào)放氣活門和可調(diào)靜子葉片進(jìn)行控制。顯然，要完成這些復(fù)雜的工作，人工操作是不可能的，必須采用智能調(diào)控系統(tǒng)進(jìn)行控制，這就是航空發(fā)動機(jī)的控制系統(tǒng)。

在早期的飛機(jī)中，因?yàn)榧夹g(shù)所限，飛機(jī)飛行高度不是太高、飛行速度不是太快，對飛機(jī)所采用的發(fā)動機(jī)的要求也不是太高。因而早期飛機(jī)發(fā)動機(jī)結(jié)構(gòu)和功能較為簡單，并不需要發(fā)動機(jī)控制系統(tǒng)。但是隨著發(fā)動機(jī)結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性和功能的多樣性提高，發(fā)動機(jī)控制系統(tǒng)也就應(yīng)運(yùn)而生。而發(fā)動機(jī)控制系統(tǒng)也隨著技術(shù)的革新和發(fā)展而衍生出了不同類型的控制系統(tǒng)。

1 發(fā)動機(jī)控制系統(tǒng)的發(fā)展

總體來說，為了適應(yīng)高性能和高精度的要求，發(fā)動機(jī)控制技術(shù)經(jīng)過了從傳統(tǒng)的液壓機(jī)械式控制向數(shù)字電子控制的轉(zhuǎn)變階段，并且經(jīng)歷了從單個部件到整體、從模擬式到數(shù)字式、從有限功能到全權(quán)控制的發(fā)展過程。發(fā)動機(jī)控制系統(tǒng)的發(fā)展主要分為以下三個階段：液壓機(jī)械式控制系統(tǒng)、監(jiān)控型電子控制系統(tǒng)和全權(quán)限數(shù)字電子控制系統(tǒng)，如圖1所示。

其中，液壓機(jī)械式控制系統(tǒng)由液壓機(jī)械式調(diào)節(jié)器、啟動機(jī)械式調(diào)節(jié)器和燃油控制器等組成。監(jiān)控型電子控制系統(tǒng)在原有的液壓機(jī)械式控制器基礎(chǔ)上，再增加一個發(fā)動機(jī)電子控制器，兩者共同工作實(shí)施對發(fā)動機(jī)的控制。FADEC是當(dāng)今發(fā)動機(jī)研究的主要方向。它使發(fā)動機(jī)的控制技術(shù)、控制精度和控制范圍達(dá)到了新的高度。在FADEC控制中，發(fā)動機(jī)電子控制器EEC是它的核心，F(xiàn)ADEC系統(tǒng)是管理發(fā)動機(jī)控制的所有控制裝置的總稱。所有的控制由計算機(jī)進(jìn)行，然后通過電液伺服機(jī)構(gòu)輸出液壓機(jī)械裝置及各個活門、作動器等。

2 航空發(fā)動機(jī)控制系統(tǒng)的多方位對比分析

本文將從結(jié)構(gòu)功能、系統(tǒng)可靠性、系統(tǒng)維護(hù)性等多個角度對三種航空發(fā)動機(jī)控制系統(tǒng)進(jìn)行綜合分析。

2.1 從結(jié)構(gòu)功能方面分析

在早期的航空發(fā)動機(jī)控制中，主調(diào)節(jié)器只有一個控制變量——燃油，通過手動操縱油門開環(huán)控制發(fā)動機(jī)的轉(zhuǎn)速。后來液壓機(jī)械裝置發(fā)展成功能完備的液壓機(jī)械式調(diào)節(jié)器，它引入了發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速、進(jìn)口溫度和壓氣機(jī)后的壓力等參數(shù)，利用杠桿、三維凸輪等復(fù)雜的計算機(jī)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)發(fā)動機(jī)的控制規(guī)律。概括地說，就是控制系統(tǒng)中所需的邏輯判斷和控制運(yùn)算以及指令的執(zhí)行全部用液壓機(jī)械裝置（杠桿、凸輪、彈簧等零件）來實(shí)現(xiàn)。俄羅斯的蘇-27飛機(jī)所用的AA-310發(fā)動機(jī)主燃油控制系統(tǒng)將這種純液壓機(jī)械式控制系統(tǒng)從設(shè)計觀念上演繹到了極致。

由于發(fā)動機(jī)控制參數(shù)的增加和電子技術(shù)的發(fā)展，在液壓機(jī)械式控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)上增加了模擬電子調(diào)節(jié)器，從而產(chǎn)生了監(jiān)控型電子控制系統(tǒng)。它的發(fā)動機(jī)控制主要功能仍有液壓機(jī)械式控制器完成，如轉(zhuǎn)速控制及啟動、加速、減速控制等。發(fā)動機(jī)電子控制（EEC）的作用主要是監(jiān)控和限制，保證精確地推力控制，同時不要超出發(fā)動機(jī)的工作限制。CFM56-3發(fā)動機(jī)、JT9D-7R4發(fā)動機(jī)采用的都是監(jiān)控型電子控制系統(tǒng)。

隨著電子計算機(jī)技術(shù)的迅猛發(fā)展，F(xiàn)ADEC系統(tǒng)應(yīng)運(yùn)而生。FADEC系統(tǒng)全稱為全權(quán)限數(shù)字電子控制系統(tǒng)，它包括發(fā)動機(jī)電子控制器（EEC）、液壓機(jī)械裝置（HMU）、傳感器、作動器、活門等。其中，EEC是它的核心，所有的控制計算均有EEC進(jìn)行，然后通過電液伺服機(jī)構(gòu)輸出控制液壓機(jī)械裝置及各個活門、作動器等，因此液壓機(jī)械裝置是它的執(zhí)行機(jī)構(gòu)。

表1是對三種航空發(fā)動機(jī)控制系統(tǒng)的控制計算部分、執(zhí)行機(jī)構(gòu)部分以及控制參數(shù)的對比分析。可以看出，液壓機(jī)械組件從最初的控制計算和執(zhí)行功能逐漸演變?yōu)閳?zhí)行機(jī)構(gòu)，而且FADEC系統(tǒng)的控制參數(shù)也是遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于另外兩種控制系統(tǒng)。

2.2 從系統(tǒng)可靠性方面分析

傳統(tǒng)的液壓機(jī)械式控制系統(tǒng)，其組件如凸輪、彈簧、活門、作動筒等基本都為機(jī)械組件，且工作環(huán)境較為惡劣，沒有備份組件。因此，一旦某一組件或某多個組件出現(xiàn)可靠性問題，對整個系統(tǒng)的影響都是非常之大，嚴(yán)重的可能完全發(fā)揮不了作用。

對于監(jiān)控型電子控制系統(tǒng)，由于模擬電子調(diào)節(jié)器EEC具有微調(diào)功能，能夠保持精確的推力控制及工作參數(shù)不超限，因此它的控制可靠性要高于液壓機(jī)械式控制。但是又正是因?yàn)槠湟肓四M電子線路，需要考慮電子干擾的問題。

與純液壓機(jī)械式控制系統(tǒng)相比，F(xiàn)ADEC系統(tǒng)中的HMU組件數(shù)量大大減少，從而降低了部件之間的耦合和系統(tǒng)綜合故障率，提高了系統(tǒng)可靠性。作為控制核心的EEC，其采用的是雙通道余度技術(shù)，電子控制器的模塊信號通過緩沖器相連，當(dāng)模塊發(fā)生故障時可以相互隔離，電源系統(tǒng)采用專用的交流發(fā)電機(jī)電源和飛機(jī)電源備份供電，大大提高了系統(tǒng)可靠性。因此，在系統(tǒng)可靠性上，F(xiàn)ADEC系統(tǒng)要遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于液壓機(jī)械式控制系統(tǒng)和監(jiān)控型電子控制系統(tǒng)。

2.3 從系統(tǒng)維護(hù)性方面分析

液壓機(jī)械式控制系統(tǒng)和監(jiān)控型電子控制系統(tǒng)都是以液壓機(jī)械裝置為全部或主要控制計算組件，其系統(tǒng)維護(hù)排故流程基本相同。但是由于同一故障引起的因素較多，要找出合理辦法排故有一點(diǎn)難度。飛機(jī)生產(chǎn)廠家在維護(hù)手冊中對故障進(jìn)行了分類，并且根據(jù)排故難易程度和概率提出了故障樹的概念。當(dāng)其出現(xiàn)故障需要進(jìn)行排故時，往往需要參考故障樹，且可能由于故障描述不準(zhǔn)確、同時出現(xiàn)多個故障、故障樹本身不完善等問題導(dǎo)致并不能排除故障。因此，要排除故障，就需要維修人員進(jìn)行試車，通過多次的測試來找到故障來源，從而耗費(fèi)大量的人力、物力及時間。

而對于FADEC系統(tǒng)而言就相對簡單的多。由于FADEC系統(tǒng)的核心部件是控制計算機(jī)，它不僅能夠完成對發(fā)動機(jī)的控制，還監(jiān)測控制系統(tǒng)的輸入、輸出及計算機(jī)自身的工作狀態(tài)，并將監(jiān)測到的異常信息存儲到自身的存儲器或者將信息發(fā)送到飛機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行告警或存儲，以便機(jī)組根據(jù)告警信息采取必要的及時措施。飛機(jī)回到地面后，維護(hù)人員通過查閱FADEC系統(tǒng)可獲得相關(guān)故障的詳細(xì)信息，然后根據(jù)檢查結(jié)果進(jìn)行排故，從而節(jié)省了大部分的時間和精力。圖2所示即為FADEC系統(tǒng)的故障查詢方法流程圖。

3 結(jié)論

隨著時代的進(jìn)步和科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，航空發(fā)動機(jī)控制系統(tǒng)也經(jīng)歷了由液壓機(jī)械式控制系統(tǒng)、監(jiān)控型電子控制系統(tǒng)向FADEC系統(tǒng)過渡的階段。通過對這三種系統(tǒng)在結(jié)構(gòu)功能、系統(tǒng)可靠性以及系統(tǒng)排故等方面的對比分析，可以看出，F(xiàn)ADEC系統(tǒng)比它的前者有了巨大的進(jìn)步和優(yōu)勢。未來，F(xiàn)ADEC系統(tǒng)仍有很大的發(fā)展空間，它將朝著高速數(shù)據(jù)總線、智能執(zhí)行機(jī)構(gòu)、智能傳感器、多余度數(shù)字控制、先進(jìn)的分布式控制軟件等方向發(fā)展。

【參考文獻(xiàn)】

[1]樊思齊.航空發(fā)動機(jī)控制[M].西北工業(yè)大學(xué)出版社， 2008.

[2]陳彥強(qiáng)，張淑瑞，薛超.航空發(fā)動機(jī)控制系統(tǒng)淺析[J].電子世界，2014（19）：35-35.

[3]張紹基.航空發(fā)動機(jī)控制系統(tǒng)的研發(fā)與展望[J].航空動力學(xué)報，2004，19（3）.

[4]敖良忠.CFM56-3發(fā)動機(jī)控制系統(tǒng)故障隔離方法[J].航空維修與工程，2005（4）：29-31.

[5]廖光煌，莊志清.先進(jìn)、可靠的航空發(fā)動機(jī)液壓機(jī)械裝置[C].中國航空學(xué)會發(fā)動機(jī)自動控制專業(yè)學(xué)術(shù)交流會，2008.

[6]盧瑩，孟慶明，張紹基.可靠性設(shè)計技術(shù)在FADEC系統(tǒng)中的運(yùn)用[J].航空發(fā)動機(jī)，2001（2）.

[7]任仁良.渦輪發(fā)動機(jī)飛機(jī)結(jié)構(gòu)與系統(tǒng)（下）.AV[M].清華大學(xué)出版社，2017.

[8]姚華.未來航空發(fā)動機(jī)控制技術(shù)的發(fā)展趨勢[J].航空科學(xué)技術(shù)，2012（6）：1-6.