三種航空發動機控制系統的多方位對比分析

孫俊剛

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

【關鍵字】航空發動機控制系統;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動機的動力來進行提供。

發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進行控制，這就是航空發動機的控制系統。

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，對飛機所采用的發動機的要求也不是太高。因而早期飛機發動機結構和功能較為簡單，并不需要發動機控制系統。但是隨著發動機結構的復雜性和功能的多樣性提高，發動機控制系統也就應運而生。而發動機控制系統也隨著技術的革新和發展而衍生出了不同類型的控制系統。

1 發動機控制系統的發展

總體來說，為了適應高性能和高精度的要求，發動機控制技術經過了從傳統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展過程。發動機控制系統的發展主要分為以下三個階段：液壓機械式控制系統、監控型電子控制系統和全權限數字電子控制系統，如圖1所示。

其中，液壓機械式控制系統由液壓機械式調節器、啟動機械式調節器和燃油控制器等組成。監控型電子控制系統在原有的液壓機械式控制器基礎上，再增加一個發動機電子控制器，兩者共同工作實施對發動機的控制。FADEC是當今發動機研究的主要方向。它使發動機的控制技術、控制精度和控制范圍達到了新的高度。在FADEC控制中，發動機電子控制器EEC是它的核心，FADEC系統是管理發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 航空發動機控制系統的多方位對比分析

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

2.1 從結構功能方面分析

在早期的航空發動機控制中，主調節器只有一個控制變量——燃油，通過手動操縱油門開環控制發動機的轉速。后來液壓機械裝置發展成功能完備的液壓機械式調節器，它引入了發動機轉速、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動機的控制規律。概括地說，就是控制系統中所需的邏輯判斷和控制運算以及指令的執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發動機主燃油控制系統將這種純液壓機械式控制系統從設計觀念上演繹到了極致。

由于發動機控制參數的增加和電子技術的發展，在液壓機械式控制系統的基礎上增加了模擬電子調節器，從而產生了監控型電子控制系統。它的發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。發動機電子控制（EEC）的作用主要是監控和限制，保證精確地推力控制，同時不要超出發動機的工作限制。CFM56-3發動機、JT9D-7R4發動機采用的都是監控型電子控制系統。

隨著電子計算機技術的迅猛發展，FADEC系統應運而生。FADEC系統全稱為全權限數字電子控制系統，它包括發動機電子控制器（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行機構。

表1是對三種航空發動機控制系統的控制計算部分、執行機構部分以及控制參數的對比分析。可以看出，液壓機械組件從最初的控制計算和執行功能逐漸演變為執行機構，而且FADEC系統的控制參數也是遠遠大于另外兩種控制系統。

2.2 從系統可靠性方面分析

傳統的液壓機械式控制系統，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，對整個系統的影響都是非常之大，嚴重的可能完全發揮不了作用。

對于監控型電子控制系統，由于模擬電子調節器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相比，FADEC系統中的HMU組件數量大大減少，從而降低了部件之間的耦合和系統綜合故障率，提高了系統可靠性。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，當模塊發生故障時可以相互隔離，電源系統采用專用的交流發電機電源和飛機電源備份供電，大大提高了系統可靠性。因此，在系統可靠性上，FADEC系統要遠遠優于液壓機械式控制系統和監控型電子控制系統。

2.3 從系統維護性方面分析

液壓機械式控制系統和監控型電子控制系統都是以液壓機械裝置為全部或主要控制計算組件，其系統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系統而言就相對簡單的多。由于FADEC系統的核心部件是控制計算機，它不僅能夠完成對發動機的控制，還監測控制系統的輸入、輸出及計算機自身的工作狀態，并將監測到的異常信息存儲到自身的存儲器或者將信息發送到飛機系統進行告警或存儲，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，從而節省了大部分的時間和精力。圖2所示即為FADEC系統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展，航空發動機控制系統也經歷了由液壓機械式控制系統、監控型電子控制系統向FADEC系統過渡的階段。通過對這三種系統在結構功能、系統可靠性以及系統排故等方面的對比分析，可以看出，FADEC系統比它的前者有了巨大的進步和優勢。未來，FADEC系統仍有很大的發展空間，它將朝著高速數據總線、智能執行機構、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展。

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