三种航空发动机控制系统的多方位对比分析

孙俊刚

【摘 要】航空发动机是飞机的心脏，航空发动机控制系统就好比大脑，控制着心脏的正常运转。随着时代的进步和科学技术的发展，航空发动机控制系统经历了由液压机械式控制系统到监控型电子控制系统再到FADEC系统的转变。本文从功能角度、系统可靠性、系统维护性等多个方面对三种航空发动机控制系统进行对比分析。

【关键字】航空发动机控制系统;液压机械;FADEC;可靠性

中图分类号： V233.7 文献标识码： A文章编号： 2095-2457（2019）01-0030-003

0 引言

自从1903年人类历史上的第一架飞机“飞行者”1号诞生以来，经过百余年的发展，飞机无论是从外形、载重量、安全性、技术性等各个方面都取得了巨大的跨越式发展。民航客机中的空客A380的最大起飞重量已达到575吨之重，这么大的起飞重量完全靠飞机的发动机的动力来进行提供。

发动机作为飞机的心脏为飞机提供前进的动力，而动力来自于发动机通过进气道、压气机、燃烧室、涡轮及尾喷管共同工作提供的推力。但是这些部分的工作参数是无法通过自身进行调节的，需要外界进行控制。比如飞机在起飞和着陆时需要对燃油流量等参数进行控制，当发动机喘振时则需要对可调放气活门和可调静子叶片进行控制。显然，要完成这些复杂的工作，人工操作是不可能的，必须采用智能调控系统进行控制，这就是航空发动机的控制系统。

在早期的飞机中，因为技术所限，飞机飞行高度不是太高、飞行速度不是太快，对飞机所采用的发动机的要求也不是太高。因而早期飞机发动机结构和功能较为简单，并不需要发动机控制系统。但是随着发动机结构的复杂性和功能的多样性提高，发动机控制系统也就应运而生。而发动机控制系统也随着技术的革新和发展而衍生出了不同类型的控制系统。

1 发动机控制系统的发展

总体来说，为了适应高性能和高精度的要求，发动机控制技术经过了从传统的液压机械式控制向数字电子控制的转变阶段，并且经历了从单个部件到整体、从模拟式到数字式、从有限功能到全权控制的发展过程。发动机控制系统的发展主要分为以下三个阶段：液压机械式控制系统、监控型电子控制系统和全权限数字电子控制系统，如图1所示。

其中，液压机械式控制系统由液压机械式调节器、启动机械式调节器和燃油控制器等组成。监控型电子控制系统在原有的液压机械式控制器基础上，再增加一个发动机电子控制器，两者共同工作实施对发动机的控制。FADEC是当今发动机研究的主要方向。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。在FADEC控制中，发动机电子控制器EEC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。

2 航空发动机控制系统的多方位对比分析

本文将从结构功能、系统可靠性、系统维护性等多个角度对三种航空发动机控制系统进行综合分析。

2.1 从结构功能方面分析

在早期的航空发动机控制中，主调节器只有一个控制变量——燃油，通过手动操纵油门开环控制发动机的转速。后来液压机械装置发展成功能完备的液压机械式调节器，它引入了发动机转速、进口温度和压气机后的压力等参数，利用杠杆、三维凸轮等复杂的计算机构来实现发动机的控制规律。概括地说，就是控制系统中所需的逻辑判断和控制运算以及指令的执行全部用液压机械装置（杠杆、凸轮、弹簧等零件）来实现。俄罗斯的苏-27飞机所用的AA-310发动机主燃油控制系统将这种纯液压机械式控制系统从设计观念上演绎到了极致。

由于发动机控制参数的增加和电子技术的发展，在液压机械式控制系统的基础上增加了模拟电子调节器，从而产生了监控型电子控制系统。它的发动机控制主要功能仍有液压机械式控制器完成，如轉速控制及启动、加速、减速控制等。发动机电子控制（EEC）的作用主要是监控和限制，保证精确地推力控制，同时不要超出发动机的工作限制。CFM56-3发动机、JT9D-7R4发动机采用的都是监控型电子控制系统。

随着电子计算机技术的迅猛发展，FADEC系统应运而生。FADEC系统全称为全权限数字电子控制系统，它包括发动机电子控制器（EEC）、液压机械装置（HMU）、传感器、作动器、活门等。其中，EEC是它的核心，所有的控制计算均有EEC进行，然后通过电液伺服机构输出控制液压机械装置及各个活门、作动器等，因此液压机械装置是它的执行机构。

表1是对三种航空发动机控制系统的控制计算部分、执行机构部分以及控制参数的对比分析。可以看出，液压机械组件从最初的控制计算和执行功能逐渐演变为执行机构，而且FADEC系统的控制参数也是远远大于另外两种控制系统。

2.2 从系统可靠性方面分析

传统的液压机械式控制系统，其组件如凸轮、弹簧、活门、作动筒等基本都为机械组件，且工作环境较为恶劣，没有备份组件。因此，一旦某一组件或某多个组件出现可靠性问题，对整个系统的影响都是非常之大，严重的可能完全发挥不了作用。

对于监控型电子控制系统，由于模拟电子调节器EEC具有微调功能，能够保持精确的推力控制及工作参数不超限，因此它的控制可靠性要高于液压机械式控制。但是又正是因为其引入了模拟电子线路，需要考虑电子干扰的问题。

与纯液压机械式控制系统相比，FADEC系统中的HMU组件数量大大减少，从而降低了部件之间的耦合和系统综合故障率，提高了系统可靠性。作为控制核心的EEC，其采用的是双通道余度技术，电子控制器的模块信号通过缓冲器相连，当模块发生故障时可以相互隔离，电源系统采用专用的交流发电机电源和飞机电源备份供电，大大提高了系统可靠性。因此，在系统可靠性上，FADEC系统要远远优于液压机械式控制系统和监控型电子控制系统。

2.3 从系统维护性方面分析

液压机械式控制系统和监控型电子控制系统都是以液压机械装置为全部或主要控制计算组件，其系统维护排故流程基本相同。但是由于同一故障引起的因素较多，要找出合理办法排故有一点难度。飞机生产厂家在维护手册中对故障进行了分类，并且根据排故难易程度和概率提出了故障树的概念。当其出现故障需要进行排故时，往往需要参考故障树，且可能由于故障描述不准确、同时出现多个故障、故障树本身不完善等问题导致并不能排除故障。因此，要排除故障，就需要维修人员进行试车，通过多次的测试来找到故障来源，从而耗费大量的人力、物力及时间。

而对于FADEC系统而言就相对简单的多。由于FADEC系统的核心部件是控制计算机，它不仅能够完成对发动机的控制，还监测控制系统的输入、输出及计算机自身的工作状态，并将监测到的异常信息存储到自身的存储器或者将信息发送到飞机系统进行告警或存储，以便机组根据告警信息采取必要的及时措施。飞机回到地面后，维护人员通过查阅FADEC系统可获得相关故障的详细信息，然后根据检查结果进行排故，从而节省了大部分的时间和精力。图2所示即为FADEC系统的故障查询方法流程图。

3 结论

随着时代的进步和科学技术的发展，航空发动机控制系统也经历了由液压机械式控制系统、监控型电子控制系统向FADEC系统过渡的阶段。通过对这三种系统在结构功能、系统可靠性以及系统排故等方面的对比分析，可以看出，FADEC系统比它的前者有了巨大的进步和优势。未来，FADEC系统仍有很大的发展空间，它将朝着高速数据总线、智能执行机构、智能传感器、多余度数字控制、先进的分布式控制软件等方向发展。

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