听说四代机,FADEC系统与航空发动机更配噢!

FADEC系统可以从发动机上的传感器中获取数据,对发动机进行一系列的复杂控制,如改变喷口面积、监控发动机状态、诊断故障等等。
FADEC系统可以从发动机上的传感器中获取数据,对发动机进行一系列的复杂控制,如改变喷口面积、监控发动机状态、诊断故障等等。

航空发动机的全权限数字电子控制系统(Full Authority Digital Engine Control,简称FADEC),是指挥发动机的“大脑”。FADEC系统可以从发动机上的传感器中获取数据,对发动机进行一系列的复杂控制,如改变喷口面积、监控发动机状态、诊断故障等等。

FADEC系统不仅能够大大提高飞机的飞行性能,而且减轻了发动机的重量,是目前欧美军、民用航空发动机的标配。

FADEC系统是发动机的“大脑”

 

1 FADEC系统的基本体系结构

航空发动机FADEC系统包括数字电子控制器、电子式传感器和电控式执行机构。

数字电子控制器是核心,一般采取互为热备份的双通道冗余结构,每个通道一般包括信号调理模块、输入接口电路、处理器模块、输出接口电路、驱动电路和通信电路等,此外设置一个独立保护及通道切换管理模块,用于控制系统重构和超转限制保护。

电子式传感器包括感受发动机工作状态的转速传感器,各载面的温度、压力传感器,以及执行机构的位置传感器等。

电控式执行机构包括各种电液伺服阀、力矩马达、电磁阀等,用于控制燃油流量、喷口面积、导叶角度、放气活门开度等。

FADEC系统的基本体系结构

 

2 FADEC系统的发展历程

从历史上看,航空发动机系统发展可以划分为四个阶段:初始或起步阶段,成长阶段,电子化阶段和综合化阶段。

FADEC系统发展可以追溯到航空发动机发展的第三阶段和第四阶段。

航空发动机控制系统的发展阶段:以美国和俄罗斯主流战斗机为例

 

(1)初始或起步阶段:最初阶段发动机控制的计算装置主要是机械装置(齿轮、连杆和凸轮);

(2)成长阶段:成长阶段对燃油流量控制的计算装置主要是机械液压式的。机械液压控制系统是使用基于开环控制或单输入单输出(SISO)闭环反馈控制等经典控制理论,采用由凸轮和机械液压装置组成的机械液压控制器即可成功地对发动机进行控制。

(3)电子化阶段:随着电子计算机科学技术及其应用研究的飞速发展,推动了航空发动机电子化阶段来临,该阶段的标志是“全权限数字式电子控制系统(Full Authority Digital Electronic control,简称FADEC)”的使用,它使发动机的控制技术、控制精度和控制范围达到了新的高度。

典型涡轴发动机 FADEC系统构成

 

在FADEC控制中,发动机电子控制器EEC(或ECU)是它的核心,FADEC系统是管理发动机控制的所有控制装置的总称。所有的控制由计算机进行,然后通过电液伺服机构输出液压机械装置及各个活门、作动器等。因此,液压机械装置成为了执行机构。

全功能(或者称为全权限)数字电子控制FADEC

 

(4)综合化阶段:综合化阶段的标志是实行“智能分布式控制系统”,它采用智能传感器和执行机构,这些智能传感器和执行机构本身带有补偿器或控制器,并通过一条有余度的高速数据总线与飞行控制器相连。

3 FADEC系统实时仿真平台技术

通常 FADEC 系统和发动机的研制过程是并行推进的,在实际用于真实发动机控制之前,如何有效开展FADEC 系统的设计和验证工作是一个迫切需要解决的问题。MBD 设计理念及实时仿真技术为 FADEC 系统的设计和验证提供了一个有效的途径。FADEC 系统的开发过程是一种系统工程,其研制过程符合系统工程的基本方法,即从上至下的技术分解以及从下而上的逐级综合和验证过程,如图所示的“V”形体系结构。

FADEC系统的研制流程

 

在 FADEC 系统开发的每一个阶段都需要进行全面的测试。

首先是电子控制器的硬件与软件的综合和验证,即电子控制器 HIL 实时仿真;

第二步是电子控制器与液压机械系统及传感器的综合和试验验证,称为半物理实时仿真。

FADEC系统研制流程中的实时仿真环节

 

4 新一代战机中FADEC系统的重要性

FADEC对新一代战机来说极其重要。三代机或许还能用老的发动机控制系统凑合,但是三代半和四代机却需要“飞-火-推”一体的控制系统。新的99M1(AL-31FM1)发动机于2006年完成了国家测试,采用了KPπ-99U数字电子控制系统,并使启动机具备了3500米以上的高原启动性能。量产的99M1发动机被批量运用在歼-10B/C战斗机上,在许多歼-20原型机的照片中,我们也可以看到99M1型发动机的身影。

99M1发动机上的FADEC部件

 

米-17直升机是苏联米尔设计局所设计的米-8直升机改良型。高海拔与炎热气候(如在阿富汗)使用的直升机换装了 Isotov TV3-117VM发动机,达到2070轴马力。出口给某些国家用于高原使用的型号换装了克里莫夫TV3-117发动机的VK-2500版本,依靠具有FADEC系统的发动机来控制。

具有FADEC系统的米-17直升机

 

萨博2000(Saab 2000)是一款以萨博340为基础的涡桨飞机,拥有更高的载客量、速度、航程和更先进的航电。驾驶舱采用六个罗克韦尔·柯林斯Pro Line 4EFIS显示器,以全权数位发动机控制系统(FADEC系统)管理发动机,采用两个4,152马力的艾莉森公司的GMA 2100发动机,配置六片扇叶,发动机位置远离客舱,甚至有一个系统能有效减低客舱的噪音。

萨博2000涡桨飞机采用FADEC系统管理发动机

 

普惠PW4000在JT9D的基础上使用了技术更先进的材料,应用了全权限数位发动机控制系统(FADEC系统),增强了燃料效率和可靠性。

一台在史蒂文·乌德沃尔哈齐中心展出的普惠PW4098发动机

 

而为了让我国下一代战机在国产发动机完善之前拥有FADEC系统和“飞-火-推”一体化的能力,中国对航空发动机的采购实行了“两条腿”走路的方法。在此之前FWS-10发动机已经配备在歼-11B战斗机上面,而此次歼-10C配备的FWS-10B,与FWS-10相比,它增加了发动机推力,换装了FADEC系统,战术技术指标进一步增强,国产战斗机正在逐渐摆脱对进口发动机的依赖。

珠海航展上装备FADEC系统发动机的歼击机系列

 

F- 22正是运用其CIP主计算机实现“飞-火-推”一体,才获得了强大的超机动性能。第三代双余度FADEC不仅让F-22的F119发动机获得了极高的可靠性,而且在任何情况下,其矢量推力都能够起作用,实现了超机动从此之后,包括歼-11后续型号和歼-16等战机,都将获得一颗智能的“中国心”,同时还有14吨级的澎湃动力,振奋人心!

我国在航空发动机控制领域成果频出,FADEC系统在我国的运用与研发,更是起到了不可磨灭的作用。FADEC系统技术作为发动机的新型控制技术,有效地提高了发动机的控制性能,改善了发动机的操纵性与可靠性,使我国航空事业的发展如火如荼。

作者:航空制造网

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