一種基于機(jī)電綜合技術(shù)的新型商用飛機(jī)燃油控制系統(tǒng)

喻文韜

【摘 要】本文首先對(duì)機(jī)電綜合技術(shù)及傳統(tǒng)商用客機(jī)燃油控制系統(tǒng)做了簡(jiǎn)單介紹，并在其基礎(chǔ)上分析了現(xiàn)階段傳統(tǒng)商用客機(jī)燃油控制系統(tǒng)遇到的困境，繼而提出了一種基于機(jī)電綜合技術(shù)的新型商用飛機(jī)燃油控制系統(tǒng)架構(gòu)，最后分析了此架構(gòu)的優(yōu)勢(shì)及未來(lái)發(fā)展的前景。

【關(guān)鍵詞】商用飛機(jī)；機(jī)電綜合；燃油控制系統(tǒng)

中圖分類(lèi)號(hào)： TU17；TU85 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 2095-2457（2018）25-0001-003

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2018.25.001

【Abstract】Introduced Integrated Electrical & Mechanical Technology and traditional commercial aircraft fuel control system. Analyzed difficulties encountered at this stage.Brings forward a new architecture of fuel control system based on Integrated Electrical & Mechanical Technology.Analyze its advantages and prospects for future development.

【Key words】Commercial aircraft；Integrated Electrical & Mechanical Technology；Fuel Control System

0 前言

商用飛機(jī)上的機(jī)電綜合技術(shù)是一種將分散于各個(gè)機(jī)械系統(tǒng)中的不同的控制功能集中在一個(gè)機(jī)電綜合控制系統(tǒng)（IEMS）中進(jìn)行統(tǒng)一管理的技術(shù)。它有減少設(shè)備數(shù)量、數(shù)據(jù)共享更加便利、減少電纜數(shù)量和重量等顯著優(yōu)點(diǎn)，因此已經(jīng)成為了民用飛機(jī)設(shè)計(jì)的一種趨勢(shì)。

國(guó)外的民用飛機(jī)行業(yè)十分重視對(duì)機(jī)電綜合技術(shù)的研究，在B787、A380項(xiàng)目中，液壓、燃油、起落架、水/廢水等系統(tǒng)均采用了此項(xiàng)技術(shù)。國(guó)內(nèi)民用飛機(jī)產(chǎn)業(yè)對(duì)機(jī)電綜合管理技術(shù)的研究還處于起步階段。自從國(guó)家發(fā)展民用飛機(jī)產(chǎn)業(yè)，啟動(dòng)了新舟60、ARJ21、C919等重點(diǎn)型號(hào)項(xiàng)目，機(jī)電綜合管理技術(shù)的研究還處于起步階段。新舟60飛機(jī)由于是在運(yùn)七200A飛機(jī)基礎(chǔ)上改進(jìn)的機(jī)型，所以機(jī)載機(jī)電系統(tǒng)基本沿用了各系統(tǒng)獨(dú)立設(shè)計(jì)的模式，沒(méi)有體現(xiàn)出機(jī)電系統(tǒng)的綜合。而ARJ21作為國(guó)內(nèi)最新研制的支線飛機(jī)，選用COLLINS公司2套數(shù)據(jù)采集裝置（DCU）初步實(shí)現(xiàn)了機(jī)電系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集和集中處理，不具備綜合控制能力，在機(jī)電系統(tǒng)綜合管理方面沒(méi)有實(shí)質(zhì)進(jìn)展。

僅有C919飛機(jī)采用的是分散管理集中控制式的機(jī)電綜合管理技術(shù)，以綜合模塊化航電（IMA）架構(gòu)為基礎(chǔ)，將水/廢水系統(tǒng)的控制邏輯駐留在航電的通用處理模塊（GPM）中。此控制邏輯是由水/廢水系統(tǒng)而非統(tǒng)一的IEMS負(fù)責(zé)開(kāi)發(fā)和管理的。

1 商用飛機(jī)燃油系統(tǒng)

根據(jù)CCAR-25-R4《運(yùn)輸類(lèi)飛機(jī)適航標(biāo)準(zhǔn)》的規(guī)定，燃油系統(tǒng)的構(gòu)造和布置，在每種很可能出現(xiàn)的運(yùn)行情況下，包括申請(qǐng)審定的飛行中，應(yīng)允許發(fā)動(dòng)機(jī)或輔助動(dòng)力裝置工作的任何機(jī)動(dòng)飛行，必須保證以發(fā)動(dòng)機(jī)和輔助動(dòng)力裝置正常工作所需的流量和壓力向其供油。

因此，一般商用飛機(jī)的燃油控制系統(tǒng)被設(shè)計(jì)成在正常操作和整個(gè)飛機(jī)正常飛行包線條件下，以一定的壓力連續(xù)向發(fā)動(dòng)機(jī)和APU提供燃料的系統(tǒng)。它還提供足夠的冗余，以確保導(dǎo)致災(zāi)難性事件的燃料系統(tǒng)故障的發(fā)生概率是極低的。

2 傳統(tǒng)商用飛機(jī)燃油控制系統(tǒng)架構(gòu)

傳統(tǒng)的商用飛機(jī)燃油控制系統(tǒng)采用的是非集成式的架構(gòu)，飛行員通過(guò)多個(gè)PBA分別給不同的控制器發(fā)出指令，再由控制器控制不同設(shè)備完成相應(yīng)功能。這種架構(gòu)下的燃油系統(tǒng)的典型工作模式為：（1）由飛行員手動(dòng)操作駕駛艙頂部板上的燃油泵工作開(kāi)關(guān)；（2）燃油控制器接收指令后控制啟動(dòng)燃油泵；（3）待燃油泵啟動(dòng)完畢后飛行員手動(dòng)操作輔助動(dòng)力裝置或發(fā)動(dòng)機(jī)的開(kāi)關(guān)，發(fā)出指令給它們的控制器；（4）由控制器發(fā)出指令啟動(dòng)輔助動(dòng)力裝置或發(fā)動(dòng)機(jī)。

傳統(tǒng)的商用飛機(jī)燃油控制系統(tǒng)的典型架構(gòu)如下：

傳統(tǒng)的商用飛機(jī)燃油控制系統(tǒng)主要有幾個(gè)弊端：（1）需要飛行員判斷和操作的步驟較多，尤其是飛機(jī)進(jìn)入應(yīng)急狀態(tài)需要切換燃油泵和啟動(dòng)輔助動(dòng)力裝置時(shí)；（2）需要多個(gè)控制器和大量線纜，增加了重量和線纜布置的難度；（3）需要在駕駛艙控制板上布置多個(gè)開(kāi)關(guān)，考慮到飛機(jī)駕駛艙緊張的布局空間以及分系統(tǒng)分區(qū)域布置的理念，形成的方案很難令人滿意。

3 基于機(jī)電綜合技術(shù)的商用飛機(jī)燃油控制系統(tǒng)

基于上述傳統(tǒng)方案的弊端，本文提出了一種新的基于機(jī)電綜合技術(shù)的商用飛機(jī)燃油控制系統(tǒng)方案。

此方案下的燃油控制系統(tǒng)的主要功能是穩(wěn)定的為發(fā)動(dòng)機(jī)和APU 提供燃油。同時(shí)，燃油系統(tǒng)還需在駕駛艙內(nèi)為機(jī)組人員提供油量指示，低油位告警等信息。飛行員可通過(guò)安裝在駕駛艙頂部的燃油控制面板（FCP）開(kāi)啟、關(guān)閉燃油系統(tǒng)的泵，從而控制燃油系統(tǒng)工作。燃油系統(tǒng)的EICAS 信息也將在駕駛艙的相關(guān)顯示器上顯示。

正常情況下，飛行員通過(guò)按入頂部板上的燃油控制開(kāi)關(guān)啟動(dòng)燃油系統(tǒng)，然后駐留在航電核心處理器中的燃油控制軟件開(kāi)始通過(guò)航電網(wǎng)絡(luò)收集飛機(jī)構(gòu)型信息、APU運(yùn)行狀態(tài)和燃油泵狀態(tài)等原始數(shù)據(jù)，計(jì)算出燃油系統(tǒng)、輔助動(dòng)力系統(tǒng)、發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)應(yīng)該處于的工作狀態(tài)，并發(fā)送指令給這三個(gè)系統(tǒng)控制器或電源系統(tǒng)，最終達(dá)到控制設(shè)備的目的。

此方案的核心是采用了更為先進(jìn)的機(jī)電綜合式的集成架構(gòu)和優(yōu)化的控制邏輯。其工作模式如下：

可以看出，在采用了機(jī)電綜合技術(shù)后，燃油控制系統(tǒng)的集成度、智能化程度更高。

新的架構(gòu)將原來(lái)分散布置的各機(jī)電子系統(tǒng)進(jìn)行了綜合，以航電IMA 架構(gòu)和分布式實(shí)時(shí)信號(hào)傳輸網(wǎng)絡(luò)為基礎(chǔ)，通過(guò)對(duì)系統(tǒng)和網(wǎng)絡(luò)資源的共享、合理配置與管理，實(shí)現(xiàn)不同安全等級(jí)的機(jī)電系統(tǒng)功能的綜合以及信號(hào)的采集、集中傳輸和實(shí)時(shí)控制，從而提高機(jī)電系統(tǒng)的信息和設(shè)備的共享和管理；提高系統(tǒng)可靠性和飛機(jī)維護(hù)性，降低維護(hù)成本。

為完成上述功能，航電核心處理系統(tǒng)采用綜合化、模塊化、開(kāi)放式的IMA 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，具有通用的集成式處理機(jī)柜、通用的操作系統(tǒng)、通用的容錯(cuò)處理、中央電源及靈活的飛機(jī)應(yīng)用接口。

航電核心處理系統(tǒng)由IMA 平臺(tái)（含ARINC653 實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)）和航電數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)（ADN）組成。航電核心處理系統(tǒng)以IMA 通用處理平臺(tái)作為數(shù)據(jù)處理和存儲(chǔ)的中心，通過(guò)航電數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)（ADN）中的數(shù)據(jù)交換組件和遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)接口單元（RDIU）將航電/機(jī)電駐留子系統(tǒng)與飛機(jī)其它系統(tǒng)進(jìn)行集成交聯(lián)。

燃油控制系統(tǒng)的駐留功能軟件根據(jù)軟件研制保障等級(jí)（RTCA DO-178B）分成三個(gè)軟件分區(qū)：燃油泵控制分區(qū)、發(fā)動(dòng)機(jī)控制分區(qū)及輔助動(dòng)力裝置分區(qū)。

a）燃油泵控制分區(qū)，軟件研制保障等級(jí)為B：

（1）包含所有燃油設(shè)備的控制和監(jiān)視功能；

（2）提供系統(tǒng)的監(jiān)控狀態(tài)信息給維護(hù)系統(tǒng)（OMS）；

（3）能接收飛機(jī)構(gòu)型信息、APU運(yùn)行狀態(tài)和燃油泵狀態(tài)等輸入并計(jì)算出燃油泵應(yīng)處于的工作狀態(tài)。

b）發(fā)動(dòng)機(jī)控制分區(qū)，軟件研制保障等級(jí)為A：

（1）包含所有發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)備的控制和監(jiān)視功能；

（2）提供系統(tǒng)的監(jiān)控狀態(tài)信息給維護(hù)系統(tǒng)（OMS）；

（3）能發(fā)出指令控制發(fā)動(dòng)機(jī)。

c）輔助動(dòng)力控制分區(qū)，軟件研制保障等級(jí)為D：

（1）包含所有發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)備的控制和監(jiān)視功能；

（2）提供系統(tǒng)的監(jiān)控狀態(tài)信息給維護(hù)系統(tǒng)（OMS）；

（3）能發(fā)出指令控制發(fā)動(dòng)機(jī)。

4 驗(yàn)證

基于模型的系統(tǒng)開(kāi)發(fā)及驗(yàn)證方法是目前國(guó)內(nèi)外復(fù)雜控制系統(tǒng)開(kāi)發(fā)最流行的手段。采用數(shù)學(xué)建模的方法，可以將控制算法和被控對(duì)象量化，從而可以更準(zhǔn)確地對(duì)控制系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)和性能評(píng)估。利用成熟先進(jìn)的需求分析工具、建模與仿真工具可以在需求和設(shè)計(jì)階段直觀地完成系統(tǒng)建模與仿真，進(jìn)而可以形成快速控制原型（RCP）、硬/軟件在回路（HIL）的實(shí)時(shí)仿真與測(cè)試并完成系統(tǒng)的虛擬集成。

機(jī)電綜合管理系統(tǒng)計(jì)算機(jī)平臺(tái)研發(fā)應(yīng)通過(guò)系統(tǒng)需求分析、建模、仿真、虛擬集成，利用數(shù)字樣機(jī)技術(shù)，在設(shè)計(jì)初期即可解決和優(yōu)化系統(tǒng)功能劃分、技術(shù)指標(biāo)確定，控制率優(yōu)化，故障監(jiān)控模型等，并形成一系列的項(xiàng)目管理和技術(shù)約束規(guī)范，形成系統(tǒng)間協(xié)調(diào)和溝通的基礎(chǔ)平臺(tái)，促進(jìn)系統(tǒng)間技術(shù)的相互交流和進(jìn)度的相互協(xié)調(diào)，有利于快速、正確的完成系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)。

機(jī)電綜合控制全數(shù)字仿真系統(tǒng)是一個(gè)多任務(wù)分布式實(shí)時(shí)仿真系統(tǒng)，利用該仿真系統(tǒng)可以對(duì)機(jī)載機(jī)電綜合管理系統(tǒng)進(jìn)行多種設(shè)計(jì)方案的前期演示驗(yàn)證，隨著飛機(jī)設(shè)計(jì)過(guò)程的不斷深入，演示驗(yàn)證平臺(tái)可以逐步完善最終成為原理虛擬樣機(jī)，可進(jìn)行各種實(shí)際飛機(jī)無(wú)法進(jìn)行的試驗(yàn)項(xiàng)目，故障注入、故障模式影響分析等研究，最終為實(shí)際物理模型的連接提供接口，從而可以直接為型號(hào)的預(yù)研提供試驗(yàn)平臺(tái)，縮短型號(hào)研制周期，減少研制成本。該多任務(wù)分布式實(shí)時(shí)仿真系統(tǒng)中實(shí)時(shí)任務(wù)和非實(shí)時(shí)任務(wù)并行運(yùn)行，應(yīng)滿足以下基本要求：

●通用性：能夠適應(yīng)多型號(hào)飛機(jī)需求，具有多種機(jī)電系統(tǒng)系統(tǒng)的模型庫(kù)、控制算法庫(kù)等，數(shù)據(jù)與模型相互獨(dú)立；

●開(kāi)放性：夠進(jìn)一步開(kāi)發(fā)擴(kuò)充模型庫(kù)，以適應(yīng)新型號(hào)、新設(shè)備以及實(shí)際物理模型連接的需求；

●智能性：能夠適應(yīng)不同機(jī)載機(jī)電綜合管理系統(tǒng)控制結(jié)構(gòu)；

●人機(jī)交互性：用戶(hù)顯示界面友好，在仿真過(guò)程中方便人機(jī)交互。

在機(jī)電綜合控制仿真系統(tǒng)設(shè)計(jì)過(guò)程時(shí)，除了從功能和邏輯上劃分各模塊，還要考慮各模塊對(duì)實(shí)時(shí)性的要求，避免各模塊之間產(chǎn)生資源競(jìng)爭(zhēng)。

機(jī)電綜合控制全數(shù)字仿真系統(tǒng)由仿真管理及顯示計(jì)算機(jī)、三個(gè)機(jī)電仿真系統(tǒng)、機(jī)電通訊總線（CAN總線、ARINC429總線、TTP總線、1553B總線、1394B總線）和機(jī)電綜合管理計(jì)算機(jī)四大部分組成。

其中，仿真管理器采用消息、時(shí)間驅(qū)動(dòng)機(jī)制實(shí)現(xiàn)對(duì)仿真的管理，并把仿真管理層與功能層有機(jī)地結(jié)合在一起，仿真管理器是仿真程序業(yè)務(wù)邏輯的實(shí)現(xiàn)，單獨(dú)提出仿真管理器有助于簡(jiǎn)化系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)過(guò)程中的邏輯復(fù)雜性。

仿真平臺(tái)軟件采用統(tǒng)一建模語(yǔ)言（UML，Unified Modeling Language），它是一種標(biāo)準(zhǔn)的可視化建模語(yǔ)言，它可以用于確定、展示和記錄軟件系統(tǒng)，統(tǒng)一建模語(yǔ)言中的圖形標(biāo)記尤其適用于面向?qū)ο蟮能浖O(shè)計(jì)。它與具體的實(shí)現(xiàn)無(wú)關(guān)，使開(kāi)發(fā)人員專(zhuān)注于建立產(chǎn)品的模型和結(jié)構(gòu)，而不是選用什么程序語(yǔ)言和算法實(shí)現(xiàn)，為面向?qū)ο蟮脑O(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā)提供支持。UML的重要性在于，表示方法的標(biāo)準(zhǔn)化有效地促進(jìn)了不同背景人們的交流，有效地促進(jìn)軟件設(shè)計(jì)、開(kāi)發(fā)和測(cè)試人員的相互理解。無(wú)論分析、設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā)人員采取何種不同的方法或過(guò)程，他們提交的產(chǎn)品都可以使用UML來(lái)描述。UML的主要作用是幫助我們對(duì)軟件系統(tǒng)進(jìn)行面向?qū)ο蟮拿枋龊徒＃梢悦枋鲞@個(gè)軟件開(kāi)發(fā)過(guò)程從需求分析直到實(shí)現(xiàn)和測(cè)試的全過(guò)程。UML通過(guò)建立各種類(lèi)、類(lèi)之間的關(guān)聯(lián)、類(lèi)/對(duì)象怎樣相互配合實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)行為等成分（這些都稱(chēng)為模型元素）來(lái)組建整個(gè)模型，刻畫(huà)客觀世界。

仿真管理及顯示系統(tǒng)：提供人機(jī)交互界面，主要實(shí)現(xiàn)仿真任務(wù)定制、仿真參數(shù)初始化配置、模擬座艙顯示、實(shí)現(xiàn)故障注入（系統(tǒng)級(jí)故障、處理機(jī)故障和總線故障）、實(shí)驗(yàn)結(jié)果評(píng)估、分布式數(shù)據(jù)庫(kù)管理和時(shí)鐘同步等功能。

機(jī)電綜合管理系統(tǒng)：它接受人機(jī)交互界面的駕駛員指令、向飛機(jī)分系統(tǒng)仿真系統(tǒng)發(fā)送命令，實(shí)時(shí)監(jiān)控各分系統(tǒng)的運(yùn)行狀況。

飛機(jī)機(jī)電仿真系統(tǒng)：仿真飛機(jī)機(jī)電系統(tǒng)的Matlab/Simulink模型，接受機(jī)電綜合管理系統(tǒng)的控制，仿真狀態(tài)數(shù)據(jù)輸出等。

軟件組成如圖5所示。

5 結(jié)束語(yǔ)

隨著制造技術(shù)的不斷發(fā)展，機(jī)電綜合技術(shù)正在被越來(lái)越多的應(yīng)用在商用飛機(jī)上。它可以將分散的各個(gè)系統(tǒng)的功能統(tǒng)一起來(lái)，集成在獨(dú)立的控制單元中實(shí)現(xiàn)。基于機(jī)電綜合技術(shù)的商用飛機(jī)燃油控制系統(tǒng)相較傳統(tǒng)，較大的簡(jiǎn)化了系統(tǒng)架構(gòu)，減少了設(shè)備數(shù)量和線纜數(shù)量，與此同時(shí)，通過(guò)將飛行員手動(dòng)操作改為計(jì)算機(jī)自動(dòng)完成，極大的減輕了飛行員的工作負(fù)擔(dān)，符合未來(lái)商用飛機(jī)的發(fā)展方向。

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