祁國(guó)棟

摘 要：隨著FADEC應(yīng)用規(guī)模的擴(kuò)大，其系統(tǒng)發(fā)展趨勢(shì)研究得到了人們的高度關(guān)注，本文對(duì)FADEC進(jìn)行了簡(jiǎn)單的介紹，重點(diǎn)探討了其發(fā)展所面對(duì)的挑戰(zhàn)及發(fā)展方向，具體包括主動(dòng)控制、智能控制及分布式控制等。

關(guān)鍵詞：FADEC；挑戰(zhàn)；發(fā)展趨勢(shì)

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，航空航天事業(yè)發(fā)展規(guī)模不斷擴(kuò)大，在其發(fā)展過程中，航空發(fā)動(dòng)機(jī)扮演著重要的角色，在先進(jìn)技術(shù)與設(shè)備支持下，其推力水平及能力不斷提高。

為了進(jìn)一步提高其推進(jìn)控制系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性與可靠性，本文介紹了全權(quán)限數(shù)字發(fā)動(dòng)機(jī)控制的概況，分析了該系統(tǒng)發(fā)展所面臨的要求與挑戰(zhàn)，并重點(diǎn)闡述了其未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)，主要從技術(shù)角度展開了探討，旨在借助先進(jìn)的基礎(chǔ)，以此促進(jìn)系統(tǒng)建設(shè)水平的提高。

1 FADEC（全權(quán)限數(shù)字發(fā)動(dòng)機(jī)控制）的概況

FADEC作為航空發(fā)動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)主要是利用計(jì)算機(jī)數(shù)字運(yùn)算能力實(shí)現(xiàn)的，它主要是由壓氣機(jī)控制系統(tǒng)、間隙控制系統(tǒng)、啟動(dòng)系統(tǒng)、傳感器等組成。在全權(quán)限數(shù)字電子控制技術(shù)支持下，我國(guó)航空發(fā)動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)建設(shè)積極開展，并取得了一定的成績(jī)，特別是FADEC系統(tǒng)，使航空發(fā)動(dòng)機(jī)性能大幅度提高。

與傳統(tǒng)控制系統(tǒng)相比，F(xiàn)ADEC系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)主要表現(xiàn)在以下幾方面：其一，高性能，由于此系統(tǒng)擁有強(qiáng)大的計(jì)算能力，因此，保證了發(fā)動(dòng)機(jī)最佳狀態(tài)的保持，同時(shí)也促進(jìn)了發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)、過渡等特性的改善，進(jìn)而利于發(fā)動(dòng)機(jī)作用的充分發(fā)揮；其二，低油耗，此系統(tǒng)結(jié)合動(dòng)力需求，使發(fā)動(dòng)機(jī)始終處于最佳狀態(tài)，以此避免了不必要運(yùn)轉(zhuǎn)情況的出現(xiàn)，進(jìn)而達(dá)到了節(jié)約燃油、降低消耗的目的；其三，低成本，此系統(tǒng)基本防止了發(fā)動(dòng)機(jī)處于高溫、高速等情況運(yùn)作，其故障發(fā)生幾率大幅度降低，同時(shí)結(jié)合故障輔助診斷，保證了維護(hù)的及時(shí)性與有效性，再者也控制了發(fā)動(dòng)機(jī)維護(hù)成本。

2 FADEC所面對(duì)的要求與挑戰(zhàn)

在航空發(fā)動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)發(fā)展過程中，為保證飛行的可靠性與穩(wěn)定性，對(duì)推進(jìn)系統(tǒng)的要求不斷增多，特別是對(duì)于未來(lái)軍用飛機(jī)而言，其多任務(wù)、多功能的要求，使飛機(jī)系統(tǒng)愈加復(fù)雜；同時(shí)民用飛機(jī)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)也提出了新的要求，如：經(jīng)濟(jì)性、環(huán)保性、節(jié)能性、適用性與高效性等。在各異要求下，航空發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)水平需要不斷提高，其設(shè)計(jì)難度及復(fù)雜度也隨之增多，如：調(diào)節(jié)部位、參數(shù)數(shù)量、控制變量等均大幅度增加，同時(shí)，在日后設(shè)計(jì)與發(fā)展過程中，還應(yīng)關(guān)注控制器的計(jì)算能力、邏輯能力及控制精度等。

在繁多與復(fù)雜飛行任務(wù)要求及高性能發(fā)動(dòng)機(jī)支持下，控制系統(tǒng)的工作環(huán)境將日漸惡化，特別是在持續(xù)、高超聲速飛行條件下，發(fā)動(dòng)機(jī)工作溫度可能達(dá)到650℃，再者，飛機(jī)結(jié)構(gòu)中所選用的復(fù)合材料，將使控制系統(tǒng)面對(duì)愈加嚴(yán)峻的輻射環(huán)境。為了適應(yīng)發(fā)展的需求，航空發(fā)動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)應(yīng)迎接挑戰(zhàn)，并積極運(yùn)用現(xiàn)代化的技術(shù)，以此拓展自身的發(fā)展空間[ 1 ]。

3 FADEC的發(fā)展趨勢(shì)

對(duì)于FADEC系統(tǒng)而言，其未來(lái)發(fā)展主要應(yīng)關(guān)注主動(dòng)控制、智能控制及分布控制等系統(tǒng)，借助豐富的設(shè)計(jì)手段、先進(jìn)的控制邏輯，使發(fā)動(dòng)機(jī)各個(gè)系統(tǒng)的融合更加緊密與有效，進(jìn)而利于發(fā)動(dòng)機(jī)性能的提高及其控制品質(zhì)的增強(qiáng)，同時(shí)，也利于此系統(tǒng)使用時(shí)間的延長(zhǎng)。

為了滿足航空事業(yè)發(fā)展的需求，未來(lái)FADEC系統(tǒng)發(fā)展，應(yīng)積極研制，其具體的發(fā)展內(nèi)容如下：

3.1 主動(dòng)控制

此系統(tǒng)是由壓氣機(jī)、燃燒室、間隙與振動(dòng)等構(gòu)成的，它直接關(guān)系著發(fā)動(dòng)機(jī)的高效性、耐久性及使用壽命。主動(dòng)控制技術(shù)不僅能提高高載荷渦輪機(jī)推重比及高涵道比，還可降低實(shí)現(xiàn)耗油率、生產(chǎn)及維修成本，同時(shí)也利于豐富核心機(jī)的功能，利于完善部件狀態(tài)的信息，如：診斷或監(jiān)視等。

一方面，主動(dòng)穩(wěn)定控制。系統(tǒng)中壓氣機(jī)的穩(wěn)定性直接決定著發(fā)動(dòng)機(jī)的穩(wěn)定程度，對(duì)于傳統(tǒng)控制方法而言，它是在被動(dòng)控制理念下隨之形成的，此方法雖然保證了發(fā)動(dòng)機(jī)工作點(diǎn)喘振裕度的充足性，但根據(jù)實(shí)踐可知，發(fā)動(dòng)機(jī)的穩(wěn)定裕度難以準(zhǔn)確測(cè)量，進(jìn)而難以利用模型對(duì)其進(jìn)行精準(zhǔn)的估算，造成上述情況的原因主要為發(fā)動(dòng)機(jī)自身的一系列因素均會(huì)影響測(cè)量工作，如：氣場(chǎng)畸變、老化、制造偏差等。此時(shí)喘振邊界靠近發(fā)動(dòng)機(jī)工作點(diǎn)，通常情況下，設(shè)計(jì)的喘振裕度均具有明顯的保守性，進(jìn)而降低了發(fā)動(dòng)機(jī)性能，影響了其推力與效率。而主動(dòng)穩(wěn)定控制借助預(yù)先探測(cè)，掌握了即將發(fā)生的喘振和失速，此時(shí)可根據(jù)失速征兆，采取及時(shí)與有效的應(yīng)對(duì)方案，以失速征兆為例，在其發(fā)生初期，采取主動(dòng)方法，即：向流場(chǎng)中加入反相擾動(dòng)、調(diào)整放氣量與燃油流量等，在此類措施作用下，失速問題將得到有效的控制，同時(shí)壓氣機(jī)也將處于最佳工作狀態(tài)，進(jìn)而利于提高發(fā)動(dòng)機(jī)性能。國(guó)外學(xué)者對(duì)主動(dòng)穩(wěn)定控制進(jìn)行了研究，借助兩臺(tái)地速軸流壓氣機(jī)試驗(yàn)臺(tái)，其試驗(yàn)結(jié)果顯示，經(jīng)主動(dòng)控制，失速邊界僅位移6%與10%，此結(jié)果表明，主動(dòng)穩(wěn)定控制的研究與發(fā)展，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)性能的提高有著積極的意義[ 2 ]。

另一方面，主動(dòng)間隙控制。隨著航空事業(yè)的發(fā)展，現(xiàn)代飛機(jī)的性能日漸提高，如：可靠性、安全性與高效性等，但其發(fā)展仍未能滿足人們的需求，為了進(jìn)一步挖掘發(fā)動(dòng)機(jī)的性能，其葉尖間隙控制得到了廣泛的關(guān)注。葉尖間隙主要是指發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子葉片與機(jī)匣間的距離，其直接影響著發(fā)動(dòng)機(jī)性能，如果此距離過大，則會(huì)降低發(fā)動(dòng)機(jī)性能，而過小也會(huì)造成不利影響，極易導(dǎo)致葉片與機(jī)匣摩擦、碰撞，進(jìn)而威脅發(fā)動(dòng)機(jī)的安全性，嚴(yán)重情況下，便會(huì)造成安全事故，因此，葉尖間隙應(yīng)得到有效的控制，以此保證發(fā)動(dòng)機(jī)性能、提高壓氣機(jī)與渦輪效率，并降低飛機(jī)油耗。為了達(dá)到上述目標(biāo)，主動(dòng)間隙控制吸引了國(guó)內(nèi)外學(xué)者的目光，經(jīng)研究顯示[ 3 ]，此技術(shù)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)主要有主動(dòng)熱控制、主動(dòng)機(jī)械與主動(dòng)氣控制，其根據(jù)控制回路，還可以分為兩種，一種為閉環(huán)葉尖間隙主動(dòng)控制，另一種為開環(huán)葉尖間隙主動(dòng)控制，前者借助先進(jìn)的間隙傳感器，對(duì)某工況時(shí)的葉尖間隙值進(jìn)行檢測(cè)，并經(jīng)過反饋，以此保證控制間隙維持在最佳值；后者主要是根據(jù)葉尖間隙變化的規(guī)律，利用計(jì)算機(jī)對(duì)間隙大小進(jìn)行計(jì)算，此后對(duì)外部所需空氣量進(jìn)行調(diào)整，最終保證了間隙控制的最佳值。

3.2 智能控制

在航空事業(yè)未來(lái)發(fā)展過程中，其發(fā)動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)的主要發(fā)展方向便是智能化，智能控制主要是借助人工智能方法實(shí)現(xiàn)了對(duì)控制目標(biāo)的達(dá)成，此系統(tǒng)涉及的技術(shù)主要有智能自修復(fù)控制技術(shù)與延壽控制技術(shù)等。

第一種技術(shù)主要是對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行在線故障診斷，使飛機(jī)推力輸出具有一致性，在實(shí)際應(yīng)用過程中應(yīng)對(duì)所涉及的性能參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)估計(jì)，如：系統(tǒng)推力，同時(shí)，所設(shè)計(jì)的方案應(yīng)積極利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等非線性智能動(dòng)靜態(tài)映射技術(shù)，在此基礎(chǔ)上，構(gòu)建的機(jī)載模型才能夠具有自適應(yīng)性、自診斷與自修復(fù)等能力[ 4 ]。

第二種技術(shù)不僅保證了發(fā)動(dòng)機(jī)響應(yīng)的可接受性，還控制了零部件的損耗，延壽控制主要是通過對(duì)瞬態(tài)時(shí)最高溫度的控制，以此延長(zhǎng)了零部件的使用時(shí)間。此技術(shù)屬于多目標(biāo)控制，其應(yīng)滿足多個(gè)指標(biāo)，如：系統(tǒng)動(dòng)靜態(tài)性能指標(biāo)、發(fā)動(dòng)機(jī)安全及使用時(shí)間指標(biāo)等[ 5 ]。

3.3 分布式控制

當(dāng)前，航空發(fā)動(dòng)機(jī)普遍應(yīng)用FADEC結(jié)構(gòu)，在此技術(shù)作用下，控制系統(tǒng)的復(fù)雜性進(jìn)一步增加，主要是由于FADEC的重量、功能、尺寸等均有所增加，為了保證系統(tǒng)穩(wěn)定與有效，相關(guān)的軟件愈加復(fù)雜與龐大，在此情況下，其可靠性有所降低。同時(shí)，集中式結(jié)構(gòu)，使控制的傳感器、執(zhí)行機(jī)構(gòu)等均保持著較遠(yuǎn)的距離，再者對(duì)三絞線或雙絞線等進(jìn)行了運(yùn)用，進(jìn)而增加了重量，而控制系統(tǒng)重量與成本呈正比。為了提高控制系統(tǒng)的控制能力，降低研制、生產(chǎn)與維護(hù)成本，需要采用先進(jìn)的控制系統(tǒng)。

在未來(lái)發(fā)展過程中，應(yīng)對(duì)分布式控制系統(tǒng)進(jìn)行積極的利用，此系統(tǒng)的構(gòu)成包括FADEC與智能裝置，其中局域網(wǎng)是由中央處理器、智能傳感器及智能執(zhí)行機(jī)構(gòu)構(gòu)成的。此系統(tǒng)大幅度降低了控制器的體積及重量，利于發(fā)動(dòng)機(jī)推重比的提高，同時(shí)，采用模塊化與標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)、生產(chǎn)與裝配，保證了設(shè)計(jì)質(zhì)量，提高了生產(chǎn)效率，同時(shí)也延長(zhǎng)了發(fā)動(dòng)機(jī)使用時(shí)間[ 6 ]。

4 總結(jié)

綜上所述，全權(quán)限數(shù)字發(fā)動(dòng)機(jī)控制技術(shù)作為新型的控制技術(shù)，在其作用下，促進(jìn)了發(fā)動(dòng)機(jī)控制性能的提高，同時(shí)也保證了其可靠性、操縱性的增強(qiáng)。

為了適應(yīng)社會(huì)發(fā)展的需求，本文介紹FADEC的概念及優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)結(jié)合其發(fā)展所面對(duì)的要求與挑戰(zhàn)，重點(diǎn)探討了其發(fā)展趨勢(shì)，相信，在現(xiàn)代技術(shù)支持下，我國(guó)航空事業(yè)發(fā)展成效將更加顯著。

參考文獻(xiàn)：

[1] 姚華，王國(guó)祥.航空發(fā)動(dòng)機(jī)全權(quán)限數(shù)控系統(tǒng)研究和試飛驗(yàn)證[J].航空動(dòng)力學(xué)報(bào)，2015，02：247-253.

[2] 張紹基.航空發(fā)動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)的研發(fā)與展望[J].航空動(dòng)力學(xué)報(bào)，2014，03：375-382.

[3] 王林林.航空發(fā)動(dòng)機(jī)全權(quán)限數(shù)字電子控制系統(tǒng)研究[J].科技經(jīng)濟(jì)市場(chǎng)，2014，12：10.

[4] 高昆.航空發(fā)動(dòng)機(jī)全權(quán)限數(shù)字電子控制系統(tǒng)概述[J].數(shù)字技術(shù)與應(yīng)用，2015，06：28.

[5] 王兢.軍用發(fā)動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)技術(shù)分析及改進(jìn)研究[J].國(guó)防科技，2014，03：36-39+46.

[6] 佘云峰，楊坤，王偎蘄.全權(quán)限數(shù)字電子發(fā)動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)閃電防護(hù)符合性驗(yàn)證流程研究[J].民用飛機(jī)設(shè)計(jì)與研究，2013，S2：73.