航空电子技术在飞机发动机中的应用与发展

1 引言

　　计算机特别是微型计算机已成为现代航空航天工程最重要的技术装备之一。机载计算机的应用使作战飞机高度电子化，提升了飞机整体操控性。一般机载计算机具体有以下特点：能在恶劣的环境下工作（高过载、大温差等）；体积小、重量轻、功耗低；工作可靠、性能稳定；实时性强。

　　飞机应用的微机系统主要有两种结构形式：一是独立单功能计算机，如导航计算机、大气数据计算机等；二是分布式计算机系统，如飞行管理计算机系统。

　　根据各系统应用微机的情况，可按用途划分为：数据处理微机；实时控制微机，如自动飞行控制系统（AFCS）、自动油门系统（A/T）、环境控制系统（ECS）及数字式防滑刹车系统等；飞机信息显示微机；信息存储/监控式微机；人机交互管理用微机。

　　发动机是热机的一种，它将燃料的化学能经与氧气化学反应释放能量，再将热能转化为机械能。航空发动机经历了早期的活塞发动机到现代燃气涡轮发动机的长足发展。现代发动机性能有了质的飞跃，但结构设计、操控与维护也变得非常复杂。故沿用经典控制理论的控制设计方法已不能满足对现代发动机的控制需要。

　　这就要求我们必须应用先进的现代控制理论，采取构建数学模型的方法，处理日益复杂的控制参数。而计算机的发展和机载应用，使这一目标成为可能。

2 电子技术在发动机控制系统中的应用

　　由于发动机控制的自身需要和微电子技术的飞速发展，发动机控制已实现从传统液压式控制、机械式控制向数字电子控制的转变，并经历了从单个部件到整体、从模拟式到数字式、从有限功能到全面功能的发展过程。

　　新型全功能数字电子控制已经广泛应用与军用和民用飞机。

　　2.1 发动机的数字电子控制

　　发动机包含诸多元件，是一个复杂而较脆弱的高维护设备。因而对发动机的调控也涉及诸多方面。一般飞机发动机的控制系统包括以下几部分：

　　1、航空发动机上液压机械装置（燃油泵、计量活门和各类作动器等）、敏感元件和放大元件的控制部分。

　　2、发动机燃油控制系统。发动机燃油系统中的基本设置有：起动燃油系统、主燃油系统、加力燃油系统、漏油系统和放油系统。其中对主燃油系统与加力燃油系统的调节与控制最为重要。

　　3、发动机电子自动调节系统。机载计算机通过监控装置对发动机进行数据采样、整量和校正，进而调节发动机控制器以实现飞机发动机的自适应控制。

　　现代飞机的发动机电子控制系统大体可分为监控控制和全功能电子控制两大类。

　　监控控制是指发动机的主要功能仍由液压机械式控制器完成。发动机电子控制（EEC）主要作用是两个方面即监控和限制：保证精确的推力控制，同时确保其不超出发动机的工作限制。监控控制只是依靠电子设备对传统液压机械式调节器进行实时监控，可以看作是向全功能电子控制转变的过渡阶段。全功能电子控制（FADEC）则是将过去由液压机械式调节器完成的计算机功能完全由机载计算机完成。配备的液压机械式装置只保留作为电子控制系统失效后的备份控制机构。

　　与液压机械式调节器相比，全功能数字电子控制的计算能力强、精度高。其有以下几个优点：提高发动机性能；降低燃油消耗量；减轻驾驶员的工作负荷；提高控制可靠性；降低成本。

　　数字电子控制易于实现发动机的状态监控，也易于实现发动机控制与飞机控制的一体化。

　　2.2 计算机对发动机的辅助监控与维护

　　飞机采用数字电子控制不只在发动机控制上起作用。为顺应飞机设备的电子化，现已实现了计算机对发动机的数字化辅助监控与维护。

　　进行发动机的数字化控制后，便易于实施状态监控、故障诊断、信息显示、系统自检、时间存储等功能，综合形成飞机的推进管理系统。飞机推进管理系统对发动机不仅可以进行实时监控，还可以实施计算机辅助查障及维护。这便大大缩短飞机在地面上的维护和检修时间，能够提高战时飞机的出勤率。这对空战有着至关重要的影响。

　　2.3 现代飞机的综合推进控制

　　发动机采用数字电子控制后，性能有了很大提高，直接导致飞机综合推进控制的产生。

　　所谓综合推进控制，就是将发动机主燃烧室、加力燃烧室、尾喷口以及超音速飞机的进气道进行一体化控制。以往，这些部分的控制是由各自的调节器进行的，如主燃料调节器、加力燃料调节器、尾喷口控制器。

　　实施一体化综合推进控制，就将进气道控制融入了飞机的整体推进控制，推进系统各装置之间能更好地协调和匹配工作。

　　例如美国上世纪70年代开始研制的TF-30发动机（装配F-111飞机）的综合推进控制系统（IPCS）。经过一体化设计与控制后，F-111飞机采用了独特的进气道设计，使得F-111获得了优秀的动力性能。F-111凭借其远程、高速方面的出色表现而衍生发展出多种型号，至今仍是美国空军的主力装备。

　　从第三代战斗机起，综合推进控制成为飞机提升性能的必备选择，并且随着计算机和发动机技术的进步仍在不断发展之中。

3 发动机电子控制系统的未来发展

　　战斗机的更新换代可以说与动力系统的技术进步密切相关。从第二代战斗机“高空高速”、第三代战斗机“灵活机动、精确打击”到第四代战斗机“超音速巡航、具备良好隐身性”，设计思想与空战理念的变更，使得战斗机由亚音速突破了音速，又由超音速奔向高马赫数飞行，推动发动机实现了由活塞发展至涡轮，由开加力破音速提高到不开加力进行超音速巡航，由液压控制转变成全功能数字控制的技术革新。可以说，如果没有发动机技术与先进电子控制技术的保障，现代空战史将是另一番景象。

　　而随着新军事变革的深入发展，发动机与电子控制技术的创新与进步将给新一代飞机带来更大的变革。

　　3.1 全功能电子控制（FADEC）系统的改进

　　现行发动机控制系统是集中式余度全功能电子控制（以下简称FADEC）。集中执行余度管理、控制规律的计算处理以及输入输出信号的滤波和处理。未来的FADEC将采用分布式控制系统。因为控制系统中引线和接头是最重的部分。与集中式的FADEC 相比，分布式控制系统的引线数、接头数和重量分别由2214KG、112KG 和134KG减少到320KG、80KG 和50KG。

　　在分布式控制系统中，灵巧装置通过一条余度的高速数字数据总线和FADEC通信。灵巧装置可以是一个传感器，或一个作动器，或是兼有传感和作动功能的装置。每个灵巧装置有自己的处理元件，可以执行所要求的当地功能。为使温升和功耗最小，还将采用变速和变流量泵。

　　除了降低发动机控制系统的复杂性和重量之外，分布式控制系统的优点还有：

　　1、由于采用通用模块和标准接口，缩短了研制周期和降低了成本（估计约60%）；

　　2、通过对每个灵巧装置进行自检和诊断，降低了维修成本；

　　3、采用新的元件级技术，对中央处理计算机的改动很小甚至无需改动，设计和升级的灵活性大；

　　4、FADEC可以远离发动机安装，而进一步降低重量，改善可靠性和控制系统的总重。

　　新型FADEC的实现，需要总线技术与材料科学的鼎力支持。新型航空电子总线具有轻质、高可靠性与增设容易的优点。从美制MIL-1553B总线与俄ARINC-429总线的发展来看，为适应信息化条件需要，航空电子总线在此基础上将会有更大的飞跃。因而FADEC还会有更先进的改进。

　　研制分布式控制系统，需要掌握的关键技术有：分布式控制系统的总体结构和运行模式；余度多路传输光纤总线；多余度数字处理机和并行处理技术；耐高温的灵巧传感器和作动器；重量轻的变速、变流量电动燃油泵；发动机状态监视和管理系统。

　　3.2 发动机推力矢量控制系统的运用

　　推力矢量控制系统，就是运用空气动力学，通过对推进装置与飞机气动布局的有效改变，完成飞行器的推力矢量化。具有矢量化动力系统的飞行器将具有超高性能的机动性和敏感性。

　　机敏性可以看作是飞机由一种机动到另一种机动的能力，意义在于尽量减小从发现目标到消灭目标的时间间隔，以获取制空战斗优势。机敏性对近距格斗具有重要意义。二战中，美军Spitfire飞机败于德军FW-190飞机的主要原因就是其瞬变滚动机敏性劣于后者。现代，美国空军为选择第三代主力轻型战斗机而对YF-16与YF-17进行的测试中，也正是YF-16在模拟空中格斗战斗中显示出的优秀瞬变机敏性起到了关键作用。

　　现代战斗机为提高机敏性，提高对目标的击毁率，必须扩大使用迎角。例如第三代战机F-16的使用迎角只有25度、第四代战斗机F-22则已扩至60度、试验机X-31甚至达到70度。可用迎角的大幅提高要求设计者从传统设计方法所依赖的线性空气动力学范畴进入到非线性空气动力学范畴。大迎角还常伴随分离、非定常等现象。随使用迎角的增大，大迎角非定常空气动力学的数学建模已成为有效进行设计而迫切需要解决的问题。这要求我们不仅从理论上、物力进行上研究，更重要的是从工程控制上找到办法实现大迎角飞行。

　　推力矢量控制技术正解决了这一难题。矢量推力技术不仅可以扩大战斗机的使用迎角范围，而且可使推力直接参与飞行控制，从而大大提高飞机的过失速机敏性及隐形能力。矢量推力技术现已成为新型战斗机设计中的重要技术，如F-22、X-31、Su-30MKI、Su-35、Su-37等均不同程度的采用此项技术。

　　研制新型多向矢量发动机，并配套完善的推力矢量控制系统将会使飞机在大迎角飞行条件下拥有稳定的飞行性能，取得飞行器前所未有的制空机敏性。

4 结束语

　　回首现代飞机的电子化进程，数字电子控制由低到高、由单一到综合的每个过程都对飞机有很大影响，其进一步发展和完善也必将使发动机控制达到更高更新的水平。

　　随着飞机上驾驶、火控、导航等方面电子控制技术的不断进步，发动机电子控制系统也将日趋成熟。而新型发动机技术的迅猛发展也需要更先进的控制理论与控制技术的支持。

　　总而言之，航空电子技术在飞机发动机上的应用必将更加广泛而深入，飞机发动机电子控制技术的进步将会使飞机的飞行控制与飞行品质得到前所未有的提升。

参考文献：

［1］许春生、马乾绰编：《航空发动机电子控制》，中国民航出版社，1999。

［2］许春生、马乾绰编：《发动机电子控制系统》，国防工业出版社，1990.9。