淺析航空發(fā)動(dòng)機(jī)的數(shù)字電子控制技術(shù)

宋涵　杜紫巖

摘 要：航空發(fā)動(dòng)機(jī)越來越高的性能要求和復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，就要求先進(jìn)的控制技術(shù)與之相匹配。伴隨機(jī)載設(shè)備的電子化、綜合化，實(shí)現(xiàn)航空發(fā)動(dòng)機(jī)的電子控制已成為必然要求。如今，電子控制技術(shù)已經(jīng)能實(shí)現(xiàn)對(duì)飛機(jī)的有效操控，創(chuàng)造更完善可靠的發(fā)動(dòng)機(jī)電子控制系統(tǒng)也是下一代航空發(fā)動(dòng)機(jī)研發(fā)的關(guān)鍵，也就是下一代戰(zhàn)斗機(jī)研制成功的關(guān)鍵。

關(guān)鍵詞：航空發(fā)動(dòng)機(jī)；電子控制；機(jī)載設(shè)備

航空發(fā)動(dòng)機(jī)經(jīng)歷了早期的活塞發(fā)動(dòng)機(jī)到現(xiàn)代燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)的長(zhǎng)足發(fā)展，現(xiàn)代發(fā)動(dòng)機(jī)性能有了質(zhì)的飛躍。但是發(fā)動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、操控與維護(hù)也變得日益復(fù)雜。所以沿用經(jīng)典控制理論的控制設(shè)計(jì)方法已不能滿足對(duì)現(xiàn)代發(fā)動(dòng)機(jī)的控制需要。因此我們必須應(yīng)用先進(jìn)的現(xiàn)代控制理論，采取構(gòu)建數(shù)學(xué)模型的方法，處理日益復(fù)雜的控制參數(shù)。而計(jì)算機(jī)和機(jī)載電子設(shè)備的發(fā)展與應(yīng)用，使這一目標(biāo)成為可能。由于發(fā)動(dòng)機(jī)控制的自身需要和微電子技術(shù)的飛速發(fā)展，發(fā)動(dòng)機(jī)控制已實(shí)現(xiàn)從傳統(tǒng)液壓式控制、機(jī)械式控制向數(shù)字電子控制的轉(zhuǎn)變，并歷了從單個(gè)部件到整體、從模擬式到數(shù)字式、從有限功能到全面功能的發(fā)展過程。

1 發(fā)動(dòng)機(jī)的數(shù)字電子控制應(yīng)用

現(xiàn)代飛機(jī)的發(fā)動(dòng)機(jī)數(shù)字電子控制系統(tǒng)大體可分為監(jiān)控控制（EEC）和全功能電子控制（FADEC）兩大類。

監(jiān)控控制是指發(fā)動(dòng)機(jī)的主要功能仍由液壓機(jī)械式控制器完成。發(fā)動(dòng)機(jī)電子控制主要作用是兩個(gè)方面即監(jiān)控和限制：保證精確的推力控制，同時(shí)確保其不超出發(fā)動(dòng)機(jī)的工作，限制。監(jiān)控控制只是依靠電子設(shè)備對(duì)傳統(tǒng)液壓機(jī)械式調(diào)節(jié)器進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，可以看作是向全功能電子控制轉(zhuǎn)變的過渡階段。全功能電子控制則是將過去由液壓機(jī)械式調(diào)節(jié)器完成的控制功能完全由機(jī)載計(jì)算機(jī)完成。配備的液壓機(jī)械式裝置只保留作為電子控制系統(tǒng)失效后的備份控制機(jī)構(gòu)。與液壓機(jī)械式調(diào)節(jié)器相比，全功能數(shù)字電子控制的計(jì)算能力強(qiáng)、精度高。其有以下幾個(gè)優(yōu)點(diǎn)：提高發(fā)動(dòng)機(jī)性能：降低燃油消耗量；減輕駕駛員的工作負(fù)荷；提高控制可靠性：降低成本。

以CFMI公司已研制成功并投入使用的新一代發(fā)動(dòng)機(jī)CFM56系列發(fā)動(dòng)機(jī)為例， CFM56-5B和CFM56-7B發(fā)動(dòng)機(jī)都采用了FADEC控制系統(tǒng)。FADEC作為CMF56-7B發(fā)動(dòng)機(jī)的主操作系統(tǒng)，F(xiàn)ADEC控制著整個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)的工作，并實(shí)時(shí)響應(yīng)來自于飛機(jī)的各種動(dòng)態(tài)指令，同時(shí)向飛機(jī)提供各類包括發(fā)動(dòng)機(jī)狀態(tài)監(jiān)控、維修報(bào)告以及故障分析的信息。對(duì)于帶有FADEC系統(tǒng)的發(fā)動(dòng)機(jī)，其起動(dòng)過程主要由FADEC中的電子控制器EEC來控制。FADEC通過EEC的A、B兩個(gè)通道來和飛機(jī)上的計(jì)算機(jī)進(jìn)行交流。EEC在通電以及檢測(cè)過程中進(jìn)行主動(dòng)/備用通道的選擇。自檢系統(tǒng)檢測(cè)并隔離故障，根據(jù)故障判定通道的可用狀態(tài)，同時(shí)傳輸維修數(shù)據(jù)到飛機(jī)。主動(dòng)和備用通道的選擇是依據(jù)于通道的可使用狀態(tài)，每個(gè)通道可以判定自己的可使用狀態(tài)，可使用狀態(tài)最佳的通道將被選作主通道。

數(shù)字電子控制易于實(shí)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)的狀態(tài)監(jiān)控，也易于實(shí)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)控制與飛機(jī)控制的一體化。

2 發(fā)動(dòng)機(jī)的推力矢量控制系統(tǒng)應(yīng)用

推力矢量控制系統(tǒng)是指發(fā)動(dòng)機(jī)推力通過噴管或尾噴流的偏轉(zhuǎn)產(chǎn)生的推力分量來替代原飛機(jī)的操縱面或增強(qiáng)飛機(jī)的操縱功能，對(duì)飛機(jī)飛行進(jìn)行實(shí)時(shí)控制的技術(shù)，也就是運(yùn)用空氣動(dòng)力學(xué)，通過對(duì)推進(jìn)裝置與飛機(jī)氣動(dòng)布局的有效改變，完成飛行器的推力矢量化。具有矢量化動(dòng)力系統(tǒng)的飛行器將具有超高性能的機(jī)動(dòng)性和敏感性。

推力矢量技術(shù)能讓發(fā)動(dòng)機(jī)推力的一部分變成操縱力，代替或部分代替操縱面，從而大大減少了雷達(dá)反射面積；不管迎角多大和飛行速度多低，飛機(jī)都可利用這部分操縱力進(jìn)行操縱，這就增加了飛機(jī)的可操縱性。由于直接產(chǎn)生操縱力，并且量值和方向易變，也就增加了飛機(jī)的敏捷性，因而可適當(dāng)?shù)販p小或去掉垂尾，也能替代其他一些操縱面。這對(duì)降低飛機(jī)的可探測(cè)性是有利的，也能使飛機(jī)的阻力減小，結(jié)構(gòu)重減輕。因此，使用推力矢量技術(shù)是解決設(shè)計(jì)矛盾的最佳選擇。許多年來，美、俄等國(guó)作了大量的飛行試驗(yàn)，證明了利用推力矢量技術(shù)的確能達(dá)到預(yù)定的目的。

現(xiàn)代戰(zhàn)斗機(jī)為提高機(jī)敏性，提高對(duì)目標(biāo)的擊毀率，必須擴(kuò)大使用迎角。例如第三代戰(zhàn)機(jī)F—16的使用迎角只有25度、第四代戰(zhàn)斗機(jī)F一22則已擴(kuò)至60度、試驗(yàn)機(jī)x一31甚至達(dá)到70度?？捎糜堑拇蠓岣咭笤O(shè)計(jì)者從傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法所依賴的線性空氣動(dòng)力學(xué)范疇進(jìn)入到非線性空氣動(dòng)力學(xué)范疇。大迎角還常伴隨分離、非定常等現(xiàn)象。隨使用迎角的增大，大迎角非定?？諝鈩?dòng)力學(xué)的數(shù)學(xué)建模已成為有效進(jìn)行設(shè)計(jì)而迫切需要解決的問題。這要求我們不僅從理論上、物力上進(jìn)行研究，更重要的是從工程控制上找到辦法實(shí)現(xiàn)大迎角飛行。

推力矢量控制技術(shù)正好解決了這一難題。矢量推力技術(shù)不僅可以擴(kuò)大戰(zhàn)斗機(jī)的使用迎角范圍，還可使推力直接參與飛行控制，從而大大提高飛機(jī)的過失速機(jī)敏性。矢量推力技術(shù)現(xiàn)已成為新型戰(zhàn)斗機(jī)設(shè)計(jì)中的重要技術(shù)，如F一22、X一31、Su-30MKI、Su-35、Su一37等均不同程度的采用此項(xiàng)技術(shù)。

3 發(fā)動(dòng)機(jī)綜合推進(jìn)控制應(yīng)用

采用數(shù)字電子控制后，性能有了很大提高，直接導(dǎo)致飛機(jī)綜合推進(jìn)控制的產(chǎn)生。

所謂綜合推進(jìn)控制，就是將發(fā)動(dòng)機(jī)主燃燒室、加力燃燒室、尾噴口以及超音速飛機(jī)的進(jìn)氣道進(jìn)行一體化控制。以往，這些部分的控制是由各自的調(diào)節(jié)器進(jìn)行的，如主燃料調(diào)節(jié)器、加力燃料調(diào)節(jié)器、尾噴口控制器。實(shí)施一體化綜合推進(jìn)控制，就將進(jìn)氣道控制融入了飛機(jī)的整體推進(jìn)控制，推進(jìn)系統(tǒng)各裝置之間能更好地協(xié)調(diào)和匹配工作。

例如美國(guó)上世紀(jì)70年代開始研制的TF一30發(fā)動(dòng)機(jī)（裝配F-111飛機(jī)）的綜合推進(jìn)控制系統(tǒng)（IPCS）。經(jīng)過～體化設(shè)計(jì)與控制后，F(xiàn)-111飛機(jī)采用了獨(dú)特的進(jìn)氣道設(shè)計(jì)，使得F-111獲得了優(yōu)秀的動(dòng)力性能。F一11l憑借其遠(yuǎn)程、高速方面的出色表現(xiàn)而衍生發(fā)展出多種型號(hào)，至今仍是美國(guó)空軍的主力裝備。

從第三代戰(zhàn)斗機(jī)起，綜合推進(jìn)控制成為飛機(jī)提升性能的必備選擇，并且隨著計(jì)算機(jī)和發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)的進(jìn)步仍在不斷發(fā)展之中。

4 結(jié)語

回首現(xiàn)代飛機(jī)的電子化進(jìn)程，數(shù)字電子控制由低到高、由單-N綜合的每個(gè)過程都對(duì)飛機(jī)有很大影響，其進(jìn)一步發(fā)展和完善也必將使發(fā)動(dòng)機(jī)控制達(dá)到更高更新的水平。隨著飛機(jī)上駕駛、火控、導(dǎo)航等方面電子控制技術(shù)的不斷進(jìn)步，發(fā)動(dòng)機(jī)電子控制系統(tǒng)也將日趨成熟。而新型發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)的迅猛發(fā)展也需要更先進(jìn)的控制理論與控制技術(shù)的支持。

總而言之，航空電子技術(shù)在飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)上的應(yīng)用必將更加廣泛而深入，飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)電子控制技術(shù)的進(jìn)步將會(huì)使飛機(jī)的飛行控制與飛行品質(zhì)得到前所未有的提升。

參考文獻(xiàn)

[1]宋靜波.飛機(jī)構(gòu)造基礎(chǔ).航空工業(yè)出版社，2011

[2]盛樂山. 現(xiàn)代航空動(dòng)力裝置控制（修訂版）.航空工業(yè)出版社.2009.7

[3]樊思齊. 航空發(fā)動(dòng)機(jī)控制. 西北工業(yè)大學(xué)出版社，2008

[4]孫建國(guó). 現(xiàn)代航空動(dòng)力裝置控制. 航空工業(yè)出版社，2009

作者簡(jiǎn)介

宋涵（1996-），西北工業(yè)大學(xué) 動(dòng)力與能源學(xué)院，自動(dòng)化專業(yè)。