中國(guó)發(fā)展航空發(fā)動(dòng)機(jī)FADEC技術(shù)的途徑

任士彬，孟慶明

（北京航空航天大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院,北京100191）

1 引言

20世紀(jì)70年代初，英國(guó)開(kāi)始研制數(shù)字式電子控制(FADEC)系統(tǒng)。繼而，美國(guó)等國(guó)家也紛紛進(jìn)入，美國(guó)后來(lái)居上，一直處于比較領(lǐng)先的地位。

20世紀(jì)80年代初，中國(guó)才真正展開(kāi)高性能推進(jìn)系統(tǒng)數(shù)字控制的研究,現(xiàn)在已初步掌握了各項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)，但總體來(lái)說(shuō)，尚處于技術(shù)突破階段。

本文重點(diǎn)闡述了中國(guó)發(fā)展FADEC技術(shù)的途徑。

2 世界發(fā)展趨勢(shì)和中國(guó)薄弱環(huán)節(jié)

2.1 發(fā)展趨勢(shì)

航空發(fā)動(dòng)機(jī)控制正處于從傳統(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(gè)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(guò)程。可以預(yù)測(cè)，無(wú)論在軍用機(jī)上，還是在民用機(jī)、直升機(jī)乃至航機(jī)陸用裝置上，今后將越來(lái)越多地采用發(fā)動(dòng)機(jī)電子控制系統(tǒng)，尤其是全權(quán)限數(shù)字電子控制系統(tǒng)，將使航空發(fā)動(dòng)機(jī)控制技術(shù)達(dá)到更新、更高的水平。

FADEC將繼續(xù)在系統(tǒng)硬件可靠性、先進(jìn)的故障檢測(cè)技術(shù)、準(zhǔn)確一致的維護(hù)信息和新的控制規(guī)律等方面發(fā)展。可能會(huì)采用纖維光纜進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，同時(shí)還可能會(huì)使用光電的FADEC加上發(fā)動(dòng)機(jī)穩(wěn)定性的主動(dòng)控制、一體的起動(dòng)機(jī)/發(fā)電機(jī)、電磁作動(dòng)器、分布控制電子部件、一體的環(huán)境控制系統(tǒng)、穩(wěn)定性引氣和放氣、按需要控制的燃油泵、電磁轉(zhuǎn)子軸承、閉環(huán)主動(dòng)間隙控制等，使發(fā)動(dòng)機(jī)效率更高，并簡(jiǎn)化外部部件、減輕質(zhì)量、延長(zhǎng)使用壽命。

航空發(fā)動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)發(fā)展及其趨勢(shì)如圖1所示。

2.2 薄弱環(huán)節(jié)

在FADEC系統(tǒng)研制方面，中國(guó)主要需解決4個(gè)方面的問(wèn)題：提高系統(tǒng)可靠性；改善系統(tǒng)性能；減輕系統(tǒng)質(zhì)量；降低系統(tǒng)成本。

目前,最重要也是最薄弱的環(huán)節(jié)是FADEC系統(tǒng)的可靠性問(wèn)題，而其最突出的問(wèn)題反映在3個(gè)方面，即控制應(yīng)用軟件開(kāi)發(fā)、電/液轉(zhuǎn)換裝置研究和工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)積累。

2.2.1 控制應(yīng)用軟件開(kāi)發(fā)

軟件已發(fā)展為FADEC系統(tǒng)的“靈魂”有5個(gè)標(biāo)準(zhǔn)用來(lái)明確軟件程序：軟件質(zhì)量評(píng)定方法,軟件開(kāi)發(fā)標(biāo)準(zhǔn),軟件結(jié)果管理方法,方法及工具的使用；文件編制標(biāo)準(zhǔn)及模型文檔。

為了提高FADEC系統(tǒng)軟件的可靠性，必須建立1支穩(wěn)定的事業(yè)心強(qiáng)的軟件開(kāi)發(fā)隊(duì)伍；編制嚴(yán)格的軟件開(kāi)發(fā)質(zhì)量管理規(guī)范；建立軟件安全評(píng)測(cè)的權(quán)威認(rèn)證體系；加強(qiáng)針對(duì)分系統(tǒng)、系統(tǒng)的軟/硬件綜合相容性試驗(yàn)研究。

2.2.2 電/液轉(zhuǎn)換裝置研究

電/液轉(zhuǎn)換裝置是影響FADEC系統(tǒng)可靠性的最關(guān)鍵部件之一。在中國(guó)，多采用電液伺服閥，這種用于燃油做工質(zhì)的射流管式的伺服閥還處于研制階段，技術(shù)不夠成熟，以之作為電液轉(zhuǎn)換裝置具有很大風(fēng)險(xiǎn)，應(yīng)當(dāng)進(jìn)行專(zhuān)題試驗(yàn)研究。

2.2.3 工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)積累中國(guó)FADEC系統(tǒng)研究人員缺乏相應(yīng)的工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。FADEC系統(tǒng)研究的是工程技術(shù)問(wèn)題，不是純理論問(wèn)題，不能完全在實(shí)驗(yàn)室解決。系統(tǒng)和發(fā)動(dòng)機(jī)是否匹配以及與飛機(jī)是否相容，只有通過(guò)發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架試車(chē)、高空臺(tái)試驗(yàn)、飛行驗(yàn)證試驗(yàn)才能得到確認(rèn)。在試車(chē)和試飛過(guò)程中，如果存在1個(gè)焊點(diǎn)虛焊或者某1條管路出問(wèn)題，都可能造成該項(xiàng)目失敗。

3 中國(guó)發(fā)展FADEC系統(tǒng)途徑

按照FADEC系統(tǒng)的發(fā)展規(guī)律，中國(guó)應(yīng)掌握的FADEC核心技術(shù)主要為以下方面。

3.1 制定系統(tǒng)設(shè)計(jì)流程

（1）制定航空發(fā)動(dòng)機(jī)FADEC系統(tǒng)技術(shù)要求方面的任務(wù)書(shū)；

（2）進(jìn)行FADEC系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)；

（3）進(jìn)行工程設(shè)計(jì)；

（4）進(jìn)行有效性驗(yàn)證和綜合試驗(yàn)。

3.2 制定系統(tǒng)鑒定驗(yàn)收主要項(xiàng)目規(guī)范與標(biāo)準(zhǔn)

FADEC系統(tǒng)鑒定驗(yàn)收的主要項(xiàng)目規(guī)范與標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)該由主管部門(mén)制定。如在美國(guó)為美國(guó)聯(lián)邦宇航局（FAA）。

FAA所制定的分為5部分：

（1）FADEC系統(tǒng)描述和定義；

（2）飛機(jī)電液掉電或數(shù)據(jù)丟失；

（3）FADEC系統(tǒng)部件的故障；

（4）包括雷擊在內(nèi)的環(huán)境限制；

（5）軟件驗(yàn)證/認(rèn)可和關(guān)鍵級(jí)別。中國(guó)應(yīng)參照。

3.3 制定系統(tǒng)可靠性設(shè)計(jì)要求和相應(yīng)措施

系統(tǒng)可靠性是制約FADEC系統(tǒng)發(fā)展的最關(guān)鍵因素，評(píng)定的指標(biāo)包括：

（1）FADEC系統(tǒng)故障導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)故障的允許概率小于10-7；

（2）FADEC系統(tǒng)故障導(dǎo)致任務(wù)中斷的概率小于10-3；

（3）設(shè)計(jì)持續(xù)飛行時(shí)間為2 h；

（4）FADEC系統(tǒng)故障導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)損壞的允許概率小于（實(shí)際上不允許引起發(fā)動(dòng)機(jī)損壞的故障發(fā)生—作者注）；

（5）平均無(wú)故障時(shí)間（MTBF），民機(jī)的為30000～40000 h，軍機(jī)的為1000～2000 h。

3.4 加強(qiáng)系統(tǒng)可靠性試驗(yàn)和有效性綜合試驗(yàn)

3.4.1 系統(tǒng)可靠性試驗(yàn)

因涉及到飛行安全，系統(tǒng)可靠性試驗(yàn)極其重要。本文僅強(qiáng)調(diào)2個(gè)方面。

第1方面：雷擊試驗(yàn)。包括以下方面：（1）管腳注射試驗(yàn)：驗(yàn)證FADEC系統(tǒng)中單個(gè)元件接頭承受雷擊的能力；（2）系統(tǒng)承受能力試驗(yàn)：驗(yàn)證FADEC系統(tǒng)承受內(nèi)部脈沖狀態(tài)同時(shí)施加到所有相連接電纜上的能力；（3）系統(tǒng)錯(cuò)亂試驗(yàn)：驗(yàn)證FADEC系統(tǒng)同步施加內(nèi)部脈沖狀態(tài)的并發(fā)沖擊特征的能力；（4）多突發(fā)試驗(yàn)：驗(yàn)證伴隨偶然雷擊所帶來(lái)的前脈沖附加相位的出現(xiàn)FADEC系統(tǒng)承受重復(fù)低頻噪聲的能力；（5）接地試驗(yàn)：驗(yàn)證FADEC系統(tǒng)承受高電壓的能力；（6）電纜誘發(fā)試驗(yàn)：驗(yàn)證FADEC系統(tǒng)承受通過(guò)飛機(jī)/發(fā)動(dòng)機(jī)接口施加的雷擊誘發(fā)的瞬態(tài)響應(yīng)的能力。

這些試驗(yàn)可接受的標(biāo)準(zhǔn)是：線路或部件不得有明顯的跳火或燃燒，不得有造成不能維持正常功能的故障；在進(jìn)行特定試驗(yàn)后，能自動(dòng)恢復(fù)原來(lái)的給定值；FADEC系統(tǒng)允許有持續(xù)幾毫秒的對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)推力變化小于±1%的瞬態(tài)響應(yīng)。

第2方面：電磁干擾試驗(yàn)。在美國(guó)，F(xiàn)AA允許的鑒定試驗(yàn)是對(duì)FADEC全系統(tǒng)進(jìn)行破壞性環(huán)境試驗(yàn)，而不僅做電子控制器的電磁干擾試驗(yàn)。需要強(qiáng)調(diào)，美國(guó)聯(lián)邦宇航局在對(duì)FADEC系統(tǒng)進(jìn)行鑒定試驗(yàn)時(shí)，必須做1項(xiàng)破壞性環(huán)境試驗(yàn)。FADEC系統(tǒng)應(yīng)具有抗電磁干擾和免受雷擊影響的能力。

3.4.2 有效性綜合試驗(yàn)

有效性綜合試驗(yàn)即半物理模擬試驗(yàn)。要求在進(jìn)行發(fā)動(dòng)機(jī)試車(chē)試驗(yàn)前，首先在FADEC系統(tǒng)半物理模擬臺(tái)上進(jìn)行試驗(yàn)，以保證在發(fā)動(dòng)機(jī)試車(chē)臺(tái)上所用的時(shí)間最有效。

在半物理模擬臺(tái)上要做的試驗(yàn)包括以下方面：

（1）FADEC系統(tǒng)元部件及其功能評(píng)價(jià)；

（2）全飛行包線內(nèi)發(fā)動(dòng)機(jī)控制能力評(píng)價(jià)；

（3）FADEC系統(tǒng)故障模式、故障影響分析和單點(diǎn)故障有效性檢驗(yàn)；

（4）對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)時(shí)仿真模型和FADEC構(gòu)成的組合發(fā)動(dòng)機(jī)特性系統(tǒng)有動(dòng)態(tài)推力相應(yīng)作出評(píng)價(jià)。

為使半物理模擬試驗(yàn)具有足夠的可信度，要求在試驗(yàn)中，必須有一定保真度的發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)時(shí)熱力學(xué)仿真模型；必須有高精度的物理效應(yīng)轉(zhuǎn)換裝置；必須有運(yùn)算速度極高的仿真計(jì)算機(jī)；必須有時(shí)間常數(shù)極小的數(shù)字伺服電機(jī)。

3.5 設(shè)計(jì)、測(cè)試驗(yàn)證與校核FADEC系統(tǒng)控制軟件

控制軟件是FADEC系統(tǒng)的“靈魂”。隱藏的軟件錯(cuò)誤雖然不是系統(tǒng)硬件故障，但它會(huì)使發(fā)動(dòng)機(jī)出現(xiàn)不可預(yù)料的異常情況。美國(guó)已把RTCA/DO－178A作為FADEC系統(tǒng)軟件發(fā)展和設(shè)計(jì)的指南，F(xiàn)ADEC系統(tǒng)軟件被認(rèn)為是關(guān)鍵的TYDE1軟件。

為提高控制軟件可靠性，必須進(jìn)行測(cè)試驗(yàn)證與校核，同時(shí)，要對(duì)雙通道主/次型的FADEC系統(tǒng)的各通道采用不同軟件，從而避免由軟件錯(cuò)誤導(dǎo)致的“共同性”故障。

中國(guó)應(yīng)制定FADEC系統(tǒng)軟件開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)規(guī)范和鑒定驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)。為此，應(yīng)當(dāng)引進(jìn)歐洲4國(guó)的EJ200發(fā)動(dòng)機(jī)FADEC系統(tǒng)的軟件開(kāi)發(fā)工具—EJ200 SDE，它包括：Epos—核心的設(shè)計(jì)文件編制工具；Lifespan—執(zhí)行所有文件機(jī)軟件結(jié)構(gòu)控制的工具；Ada編輯系統(tǒng)—具有程序調(diào)試、語(yǔ)法編輯、源代碼分析和執(zhí)行代碼分析功能的Ada編輯器及反編輯器；Testbed—在軟件測(cè)試階段中使用的1組軟件分析工具；Emulator—具有硬件缺陷探索、軟件測(cè)試、時(shí)間測(cè)定量度及綜合的Hp64000UX開(kāi)發(fā)系統(tǒng)；Test Harness—能使軟件測(cè)試環(huán)境完整并提供自動(dòng)單元測(cè)試的1組工具。

3.6 研制供油系統(tǒng)和電/液轉(zhuǎn)換裝置

（1）大流量高壓力主燃油泵（齒輪泵）；

（2）大流量加力油泵（離心泵、汽心泵等）；

（3）各種電/液轉(zhuǎn)換器。

對(duì)于FADEC系統(tǒng)，液壓執(zhí)行機(jī)構(gòu)處于極其重要的地位。對(duì)其不作具體闡述。

3.7 建立與驗(yàn)證發(fā)動(dòng)機(jī)模型

研究了30多年發(fā)動(dòng)機(jī)建模問(wèn)題，投入了不少的力量和經(jīng)費(fèi)，同時(shí)又開(kāi)展了對(duì)外合作，引進(jìn)了實(shí)時(shí)仿真模型，但發(fā)動(dòng)機(jī)模型問(wèn)題89仍然沒(méi)有解決好。應(yīng)當(dāng)把現(xiàn)有的發(fā)動(dòng)機(jī)模型集中起來(lái)進(jìn)行研究，組織專(zhuān)門(mén)的人力進(jìn)行驗(yàn)證。然后，建立發(fā)動(dòng)機(jī)模型庫(kù)，以實(shí)現(xiàn)資源共享。

3.8 開(kāi)展控制模態(tài)與控制先進(jìn)算法研究

迄今為止，在高性能發(fā)動(dòng)機(jī)上所采用的控制模態(tài)并沒(méi)有重大變化，都是基于經(jīng)典的自動(dòng)控制理論，所采用的算法還多是PID算法。未來(lái)的航空發(fā)動(dòng)機(jī)將采用先進(jìn)的控制模態(tài)，這種模態(tài)將自動(dòng)調(diào)整發(fā)動(dòng)機(jī)的工作點(diǎn)，以使整個(gè)飛行包線內(nèi)的性能最佳。它應(yīng)具有3個(gè)方面的功能，即故障適應(yīng)和重構(gòu)、故障診斷和狀態(tài)監(jiān)視、模態(tài)自適應(yīng)最佳化。

3.9 開(kāi)展推力矢量飛行/推進(jìn)綜合控制技術(shù)研究

推力矢量飛行/推進(jìn)綜合控制技術(shù)研究是非常重要的研究方向。中國(guó)已經(jīng)開(kāi)展的研究只是停留在計(jì)算機(jī)仿真和研究報(bào)告上。應(yīng)當(dāng)向工程實(shí)踐跨出一步。

4 結(jié)束語(yǔ)

中國(guó)航空發(fā)動(dòng)機(jī)FADEC技術(shù)的發(fā)展方向是明確的，目前的薄弱環(huán)節(jié)和關(guān)鍵技術(shù)是清晰的，只要全行業(yè)共同努力，扎實(shí)工作，就一定能夠研制出具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)、安全可靠運(yùn)行的高性能FADEC系統(tǒng)。

[1] 628研究所編譯.飛機(jī)推進(jìn)系統(tǒng)數(shù)字式電子控制技術(shù)（第一集～第七集）[M].中國(guó)航空工業(yè)總公司第六二八研究所,1998.

[2] 張紹基.軍用航空發(fā)動(dòng)機(jī)燃油與控制系統(tǒng)的研究與發(fā)展，航空發(fā)動(dòng)機(jī)[J]，2000(3).

[3] 孟慶明.現(xiàn)代航空發(fā)動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)發(fā)展趨勢(shì)綜述，北航學(xué)術(shù)報(bào)告[J]，BH-B4415.