三種航空發(fā)動機控制系統(tǒng)的多方位對比分析

孫俊剛

【摘 要】航空發(fā)動機是飛機的心臟，航空發(fā)動機控制系統(tǒng)就好比大腦，控制著心臟的正常運轉。隨著時代的進步和科學技術的發(fā)展，航空發(fā)動機控制系統(tǒng)經歷了由液壓機械式控制系統(tǒng)到監(jiān)控型電子控制系統(tǒng)再到FADEC系統(tǒng)的轉變。本文從功能角度、系統(tǒng)可靠性、系統(tǒng)維護性等多個方面對三種航空發(fā)動機控制系統(tǒng)進行對比分析。

【關鍵字】航空發(fā)動機控制系統(tǒng);液壓機械;FADEC;可靠性

中圖分類號： V233.7 文獻標識碼： 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“飛行者”1號誕生以來，經過百余年的發(fā)展，飛機無論是從外形、載重量、安全性、技術性等各個方面都取得了巨大的跨越式發(fā)展。民航客機中的空客A380的最大起飛重量已達到575噸之重，這么大的起飛重量完全靠飛機的發(fā)動機的動力來進行提供。

發(fā)動機作為飛機的心臟為飛機提供前進的動力，而動力來自于發(fā)動機通過進氣道、壓氣機、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是無法通過自身進行調節(jié)的，需要外界進行控制。比如飛機在起飛和著陸時需要對燃油流量等參數進行控制，當發(fā)動機喘振時則需要對可調放氣活門和可調靜子葉片進行控制。顯然，要完成這些復雜的工作，人工操作是不可能的，必須采用智能調控系統(tǒng)進行控制，這就是航空發(fā)動機的控制系統(tǒng)。

在早期的飛機中，因為技術所限，飛機飛行高度不是太高、飛行速度不是太快，對飛機所采用的發(fā)動機的要求也不是太高。因而早期飛機發(fā)動機結構和功能較為簡單，并不需要發(fā)動機控制系統(tǒng)。但是隨著發(fā)動機結構的復雜性和功能的多樣性提高，發(fā)動機控制系統(tǒng)也就應運而生。而發(fā)動機控制系統(tǒng)也隨著技術的革新和發(fā)展而衍生出了不同類型的控制系統(tǒng)。

1 發(fā)動機控制系統(tǒng)的發(fā)展

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

其中，液壓機械式控制系統(tǒng)由液壓機械式調節(jié)器、啟動機械式調節(jié)器和燃油控制器等組成。監(jiān)控型電子控制系統(tǒng)在原有的液壓機械式控制器基礎上，再增加一個發(fā)動機電子控制器，兩者共同工作實施對發(fā)動機的控制。FADEC是當今發(fā)動機研究的主要方向。它使發(fā)動機的控制技術、控制精度和控制范圍達到了新的高度。在FADEC控制中，發(fā)動機電子控制器EEC是它的核心，FADEC系統(tǒng)是管理發(fā)動機控制的所有控制裝置的總稱。所有的控制由計算機進行，然后通過電液伺服機構輸出液壓機械裝置及各個活門、作動器等。

2 航空發(fā)動機控制系統(tǒng)的多方位對比分析

本文將從結構功能、系統(tǒng)可靠性、系統(tǒng)維護性等多個角度對三種航空發(fā)動機控制系統(tǒng)進行綜合分析。

2.1 從結構功能方面分析

在早期的航空發(fā)動機控制中，主調節(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)動機的轉速。后來液壓機械裝置發(fā)展成功能完備的液壓機械式調節(jié)器，它引入了發(fā)動機轉速、進口溫度和壓氣機后的壓力等參數，利用杠桿、三維凸輪等復雜的計算機構來實現發(fā)動機的控制規(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算以及指令的執(zhí)行全部用液壓機械裝置（杠桿、凸輪、彈簧等零件）來實現。俄羅斯的蘇-27飛機所用的AA-310發(fā)動機主燃油控制系統(tǒng)將這種純液壓機械式控制系統(tǒng)從設計觀念上演繹到了極致。

由于發(fā)動機控制參數的增加和電子技術的發(fā)展，在液壓機械式控制系統(tǒng)的基礎上增加了模擬電子調節(jié)器，從而產生了監(jiān)控型電子控制系統(tǒng)。它的發(fā)動機控制主要功能仍有液壓機械式控制器完成，如轉速控制及啟動、加速、減速控制等。發(fā)動機電子控制（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)動機的工作限制。CFM56-3發(fā)動機、JT9D-7R4發(fā)動機采用的都是監(jiān)控型電子控制系統(tǒng)。

隨著電子計算機技術的迅猛發(fā)展，FADEC系統(tǒng)應運而生。FADEC系統(tǒng)全稱為全權限數字電子控制系統(tǒng)，它包括發(fā)動機電子控制器（EEC）、液壓機械裝置（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進行，然后通過電液伺服機構輸出控制液壓機械裝置及各個活門、作動器等，因此液壓機械裝置是它的執(zhí)行機構。

表1是對三種航空發(fā)動機控制系統(tǒng)的控制計算部分、執(zhí)行機構部分以及控制參數的對比分析?？梢钥闯?，液壓機械組件從最初的控制計算和執(zhí)行功能逐漸演變?yōu)閳?zhí)行機構，而且FADEC系統(tǒng)的控制參數也是遠遠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可靠性問題，對整個系統(tǒng)的影響都是非常之大，嚴重的可能完全發(fā)揮不了作用。

對于監(jiān)控型電子控制系統(tǒng)，由于模擬電子調節(jié)器EEC具有微調功能，能夠保持精確的推力控制及工作參數不超限，因此它的控制可靠性要高于液壓機械式控制。但是又正是因為其引入了模擬電子線路，需要考慮電子干擾的問題。

與純液壓機械式控制系統(tǒng)相比，FADEC系統(tǒng)中的HMU組件數量大大減少，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，電子控制器的模塊信號通過緩沖器相連，當模塊發(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)電機電源和飛機電源備份供電，大大提高了系統(tǒng)可靠性。因此，在系統(tǒng)可靠性上，FADEC系統(tǒng)要遠遠優(yōu)于液壓機械式控制系統(tǒng)和監(jiān)控型電子控制系統(tǒng)。

2.3 從系統(tǒng)維護性方面分析

液壓機械式控制系統(tǒng)和監(jiān)控型電子控制系統(tǒng)都是以液壓機械裝置為全部或主要控制計算組件，其系統(tǒng)維護排故流程基本相同。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難度。飛機生產廠家在維護手冊中對故障進行了分類，并且根據排故難易程度和概率提出了故障樹的概念。當其出現故障需要進行排故時，往往需要參考故障樹，且可能由于故障描述不準確、同時出現多個故障、故障樹本身不完善等問題導致并不能排除故障。因此，要排除故障，就需要維修人員進行試車，通過多次的測試來找到故障來源，從而耗費大量的人力、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，它不僅能夠完成對發(fā)動機的控制，還監(jiān)測控制系統(tǒng)的輸入、輸出及計算機自身的工作狀態(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)送到飛機系統(tǒng)進行告警或存儲，以便機組根據告警信息采取必要的及時措施。飛機回到地面后，維護人員通過查閱FADEC系統(tǒng)可獲得相關故障的詳細信息，然后根據檢查結果進行排故，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 結論

隨著時代的進步和科學技術的發(fā)展，航空發(fā)動機控制系統(tǒng)也經歷了由液壓機械式控制系統(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)在結構功能、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，FADEC系統(tǒng)比它的前者有了巨大的進步和優(yōu)勢。未來，FADEC系統(tǒng)仍有很大的發(fā)展空間，它將朝著高速數據總線、智能執(zhí)行機構、智能傳感器、多余度數字控制、先進的分布式控制軟件等方向發(fā)展。

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