航空發(fā)動機控制系統(tǒng)研究

張玉寶

摘 要：航空發(fā)動機控制系統(tǒng)是發(fā)動機的大腦和神經(jīng)系統(tǒng)，控制系統(tǒng)的優(yōu)劣直接關(guān)系到航空發(fā)動機的性能和可靠性。隨著航空技術(shù)的發(fā)展，要求不斷地提高，控制系統(tǒng)也由最初活塞式發(fā)動機改變螺旋槳槳距的轉(zhuǎn)速自動調(diào)節(jié)器發(fā)展到燃?xì)鉁u輪發(fā)動機的轉(zhuǎn)速、溫度、油量、起動、加速等控制系統(tǒng)，以及保證發(fā)動機安全工作的防喘裝置，超溫、超轉(zhuǎn)限制器等。因此，控制系統(tǒng)對保證發(fā)動機性能和安全都起著關(guān)鍵性的作用。

關(guān)鍵詞：航空;發(fā)動機;控制;系統(tǒng);

發(fā)動機控制系統(tǒng)對于發(fā)動機而言猶如人的大腦對人體各器官的控制作用，是發(fā)動機的核心部件。航空發(fā)動機動力學(xué)控制技術(shù)的主要目的，是通過對支承結(jié)構(gòu)和質(zhì)量分布的合理分配，保障發(fā)動機在全轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)無有害振動。發(fā)動機自動控制的意義十分重要，發(fā)動機的各種特性要靠它來實現(xiàn)，發(fā)動機的可靠性要由它來保證，而且發(fā)動機試車及外場維護(hù)工作中遇到的問題及性能故障大部分與它有關(guān)。因此，控制系統(tǒng)對保證發(fā)動機性能和安全都起著關(guān)鍵性的作用。飛機要在不同的高度和速度下飛行，為了在飛行中保持發(fā)動機的給定工作狀態(tài)，或者按照所要求的規(guī)律改變工作狀態(tài)，都必須對發(fā)動機進(jìn)行控制。所有這些只有依靠自動控制系統(tǒng)來完成。

一、發(fā)動機控制系統(tǒng)的基本要求

（一）穩(wěn)定性高。航空發(fā)動機是一種高度復(fù)雜和精密的熱力機械，為航空器提供飛行所需動力的發(fā)動機。作為飛機的心臟，被譽為"工業(yè)之花"，它直接影響飛機的性能、可靠性及經(jīng)濟性，是一個國家科技、工業(yè)和國防實力的重要體現(xiàn)。航空發(fā)動機控制系統(tǒng)能夠保障航空器的持續(xù)適航，技術(shù)具備強實時性、高穩(wěn)定性及小巧便攜等優(yōu)勢，能夠在降低監(jiān)測和診斷設(shè)備成本的同時，實現(xiàn)機載化的航空發(fā)動機監(jiān)測與診斷系統(tǒng)的良好運行。通過分析和確認(rèn)每個對象所經(jīng)歷的狀態(tài)序列、在特定狀態(tài)下的行為、引起狀態(tài)轉(zhuǎn)移的條件、因狀態(tài)轉(zhuǎn)移而伴隨的動作、以及對異常做出的響應(yīng)等內(nèi)容，確立系統(tǒng)在其生命周期內(nèi)的完整動態(tài)行為。這無論對提高航空發(fā)動機性能潛力，減輕重量，增加可靠性，縮短研制周期，還是易于改變控制方案和控制規(guī)律，以及實現(xiàn)飛機推進(jìn)綜合控制等方面都會帶來顯著的效益。

（二）精度高。航空發(fā)動機的工作環(huán)境復(fù)雜，工作溫度范圍大（環(huán)境溫度～2000 ℃），導(dǎo)致結(jié)構(gòu)工藝特征參數(shù)和結(jié)構(gòu)特征參數(shù)的變化范圍大，引起發(fā)動機結(jié)構(gòu)振動具有非線性時變特性。同時，轉(zhuǎn)靜件間隙、支承剛度、同心度、不平衡量分布等動力學(xué)參數(shù)和氣動流場氣動力等，這種控制系統(tǒng)兼有開環(huán)和閉環(huán)控制系統(tǒng)的優(yōu)點，即控制及時（響應(yīng)快）又準(zhǔn)確（精度高），工作穩(wěn)定，但控制器的結(jié)構(gòu)較復(fù)雜。隨發(fā)動機狀態(tài)和溫度場的變化而變化，造成各連接結(jié)構(gòu)部件振動傳遞特性相差也較大。在保證發(fā)動機可靠性的前提下，要求發(fā)動機的“壽命長”。這是發(fā)動機經(jīng)濟性的另一項指標(biāo)。壽命長，可以降低使用成本、節(jié)約原材料。具有直觀、準(zhǔn)確唯一、結(jié)構(gòu)化的優(yōu)點，實現(xiàn)了從航空動力系統(tǒng)到子系統(tǒng)到部件的系統(tǒng)工程迭代，可以準(zhǔn)確統(tǒng)一地描述系統(tǒng)的各個方面，對整個系統(tǒng)內(nèi)部的各個細(xì)節(jié)形成統(tǒng)一的理解。

（三）體積小、重量輕。由于飛行包線的擴展，使發(fā)動機的特性變化很大。在此范圍內(nèi)，要高性能地滿足飛機在各種飛行條件下的需要，可控變量就要多，控制系統(tǒng)也很復(fù)雜，不同類型，不同用途的發(fā)動機對控制系統(tǒng)的要求也不盡相同。一般來講，確定發(fā)動機個數(shù)的首要原則就是重量，輕型飛機或超輕型飛機由于起飛重量較小，多采用1～2臺發(fā)動機，而大型飛機則一般裝有2～4臺發(fā)動機，甚至更多。設(shè)計飛機的任何部件，都應(yīng)在滿足使用要求的前提下，盡量減輕其重量。對發(fā)動機來說，就是要保證足夠大的功率而自重又很輕。衡量發(fā)動機功率大、重量輕的標(biāo)準(zhǔn)是“功率重量比”。即發(fā)動機所發(fā)出的功率與發(fā)動機重量之比值?！肮β手亓勘取痹酱?，表示在有相同功率的情況下，發(fā)動機越輕。發(fā)動機是否省油，是飛機使用的重要經(jīng)濟指標(biāo)。評定發(fā)動機的經(jīng)濟性，常用“燃油消耗率”作標(biāo)準(zhǔn)?！叭加拖穆省笔侵竼挝还β剩ㄒ慌ｎD或一馬力）在一小時內(nèi)所消耗油料的重量。燃油消耗率越小，說明發(fā)動機越省油。例如，通過核心技術(shù)可以適當(dāng)減少零件數(shù)目，既減輕了重量又提高了推力，如此有利于提高推重比的整體葉盤自然也不是容易摘得的“明珠”。除了因為輪盤和葉片成為一體，鎖緊裝置的減少也是重要原因。航空發(fā)動機對可靠性的要求極為嚴(yán)苛，簡化的轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)對提高可靠性有很大作用。

二、發(fā)動機控制相關(guān)技術(shù)

（一）全權(quán)限數(shù)字電子控制技術(shù)。發(fā)動機研究和發(fā)展工作的特點是技術(shù)難度大、耗資多、周期長，發(fā)動機對飛機的性能以及飛機研制的成 敗和進(jìn)度有著決定性的影響，而且發(fā)動機技術(shù)具有良好的軍民兩用特性，對國防和國民經(jīng)濟有重要意義。隨著飛機、發(fā)動機的發(fā)展，發(fā)動機控制領(lǐng)域的研究成果層出不窮。其中，飛機-推進(jìn)系統(tǒng)控制一體化技術(shù)、全權(quán)限數(shù)字電子控制（FADEC）技術(shù)等無疑都代表著當(dāng)前發(fā)動機控制技術(shù)的先進(jìn)水平。通過發(fā)動機一體化設(shè)計，提供了一個覆蓋全生命周期的完整的、信息一致且可追溯的系統(tǒng)設(shè)計方案，避免各組成部分間的設(shè)計沖突，降低風(fēng)險。成熟型號的知識是以系統(tǒng)模型的形式表示和存儲的，便于捕獲、查詢、理解和重用，而且重用的級別可以大幅度提高。具有經(jīng)濟可承受性的全天候、遠(yuǎn)程、多用途的飛機設(shè)計需求，給發(fā)動機設(shè)計提出了新的要求，除了具有更高的推重比外，還要求發(fā)動機既要有亞聲速巡航所需的低油耗和良好的巡航效率，又要有跨聲速加速以及超聲速沖刺所需的大推力。

（二）數(shù)字電子控制技術(shù)。要想使航空發(fā)動機獲得更大的推重比，就必須提高發(fā)動機渦輪前的進(jìn)口溫度，因此對航空發(fā)動機燃燒室、渦輪葉片等熱端部件的抗高溫能力的要求相應(yīng)提高。航空發(fā)動機被譽為工業(yè)皇冠上的明珠，有航空器“心臟”的美譽。通過電子控制技術(shù)，建立多個對象之間的動態(tài)協(xié)作和行為順序關(guān)系以及不同對象之間的消息傳遞，明確了起動過程中的系統(tǒng)與外部角色之間的交互關(guān)系，從而確定系統(tǒng)與外部的接口和端口關(guān)系。目前，我國航空發(fā)動機整體水平與美、英、俄三巨頭相比存在明顯落差，中國航空的“心臟病”問題一直是制約我國自主航空工業(yè)的瓶頸。發(fā)達(dá)國家都將發(fā)動機數(shù)字電子控制技術(shù)作為航空技術(shù)中的重要內(nèi)容來發(fā)展，花費巨資（占發(fā)動機研制費25%-34%）研究，以保證航空發(fā)動機工作穩(wěn)定并充分發(fā)揮其性能潛力。在發(fā)動機控制系統(tǒng)工程初期階段，系統(tǒng)產(chǎn)生的信息均以文檔形式描述和記錄。但是隨著系統(tǒng)規(guī)模和復(fù)雜程度的不斷提高，基于文檔的系統(tǒng)工程面臨的困難越來越突出，如信息表示不準(zhǔn)確造成歧義、難以從海量文檔中查找所需信息、無法與其他工程領(lǐng)域的設(shè)計相銜接（如軟件、機械、電子等）。

三、結(jié)束語

航空工業(yè)是一個國家軍用和民用技術(shù)的核心產(chǎn)業(yè)之一，具有用途廣泛，科技含量高，產(chǎn)業(yè)鏈長，回報率高的特點，受到了各個大國的巨大的重視，而航空發(fā)動機則是航空產(chǎn)品最特殊的一種，被稱為王冠上的珍寶，航空發(fā)動機需要做到輕重量，高推力，低油耗，高可靠，容易維修，長壽命等要求，開發(fā)制造難度為所有航空部件之最。航空發(fā)動機控制系統(tǒng)是發(fā)動機的重要組成部分，從屬于發(fā)動機但又有其自身特點，又獨立于主機優(yōu)先發(fā)展。如今，航空發(fā)動機是制約我國航空產(chǎn)業(yè)發(fā)展的瓶頸，在強軍目標(biāo)引領(lǐng)下我軍將加速補齊動力短板。航空發(fā)動機控制系統(tǒng)的發(fā)展是一個由單變量控制發(fā)展到多變量控制、由機械液壓式控制發(fā)展到數(shù)字式電子控制、由獨立控制發(fā)展到飛發(fā)綜合控制、由集中式控制發(fā)展到分布式控制的過程。

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