航空電子技術在飛機發動機中的應用與發展

1 引言

　　計算機特別是微型計算機已成為現代航空航天工程最重要的技術裝備之一。機載計算機的應用使作戰飛機高度電子化，提升了飛機整體操控性。一般機載計算機具體有以下特點：能在惡劣的環境下工作（高過載、大溫差等）；體積小、重量輕、功耗低；工作可靠、性能穩定；實時性強。

　　飛機應用的微機系統主要有兩種結構形式：一是獨立單功能計算機，如導航計算機、大氣數據計算機等；二是分布式計算機系統，如飛行管理計算機系統。

　　根據各系統應用微機的情況，可按用途劃分為：數據處理微機；實時控制微機，如自動飛行控制系統（AFCS）、自動油門系統（A/T）、環境控制系統（ECS）及數字式防滑剎車系統等；飛機信息顯示微機；信息存儲/監控式微機；人機交互管理用微機。

　　發動機是熱機的一種，它將燃料的化學能經與氧氣化學反應釋放能量，再將熱能轉化為機械能。航空發動機經歷了早期的活塞發動機到現代燃氣渦輪發動機的長足發展。現代發動機性能有了質的飛躍，但結構設計、操控與維護也變得非常復雜。故沿用經典控制理論的控制設計方法已不能滿足對現代發動機的控制需要。

　　這就要求我們必須應用先進的現代控制理論，采取構建數學模型的方法，處理日益復雜的控制參數。而計算機的發展和機載應用，使這一目標成為可能。

2 電子技術在發動機控制系統中的應用

　　由于發動機控制的自身需要和微電子技術的飛速發展，發動機控制已實現從傳統液壓式控制、機械式控制向數字電子控制的轉變，并經歷了從單個部件到整體、從模擬式到數字式、從有限功能到全面功能的發展過程。

　　新型全功能數字電子控制已經廣泛應用與軍用和民用飛機。

　　2.1 發動機的數字電子控制

　　發動機包含諸多元件，是一個復雜而較脆弱的高維護設備。因而對發動機的調控也涉及諸多方面。一般飛機發動機的控制系統包括以下幾部分：

　　1、航空發動機上液壓機械裝置（燃油泵、計量活門和各類作動器等）、敏感元件和放大元件的控制部分。

　　2、發動機燃油控制系統。發動機燃油系統中的基本設置有：起動燃油系統、主燃油系統、加力燃油系統、漏油系統和放油系統。其中對主燃油系統與加力燃油系統的調節與控制最為重要。

　　3、發動機電子自動調節系統。機載計算機通過監控裝置對發動機進行數據采樣、整量和校正，進而調節發動機控制器以實現飛機發動機的自適應控制。

　　現代飛機的發動機電子控制系統大體可分為監控控制和全功能電子控制兩大類。

　　監控控制是指發動機的主要功能仍由液壓機械式控制器完成。發動機電子控制（EEC）主要作用是兩個方面即監控和限制：保證精確的推力控制，同時確保其不超出發動機的工作限制。監控控制只是依靠電子設備對傳統液壓機械式調節器進行實時監控，可以看作是向全功能電子控制轉變的過渡階段。全功能電子控制（FADEC）則是將過去由液壓機械式調節器完成的計算機功能完全由機載計算機完成。配備的液壓機械式裝置只保留作為電子控制系統失效后的備份控制機構。

　　與液壓機械式調節器相比，全功能數字電子控制的計算能力強、精度高。其有以下幾個優點：提高發動機性能；降低燃油消耗量；減輕駕駛員的工作負荷；提高控制可靠性；降低成本。

　　數字電子控制易于實現發動機的狀態監控，也易于實現發動機控制與飛機控制的一體化。

　　2.2 計算機對發動機的輔助監控與維護

　　飛機采用數字電子控制不只在發動機控制上起作用。為順應飛機設備的電子化，現已實現了計算機對發動機的數字化輔助監控與維護。

　　進行發動機的數字化控制后，便易于實施狀態監控、故障診斷、信息顯示、系統自檢、時間存儲等功能，綜合形成飛機的推進管理系統。飛機推進管理系統對發動機不僅可以進行實時監控，還可以實施計算機輔助查障及維護。這便大大縮短飛機在地面上的維護和檢修時間，能夠提高戰時飛機的出勤率。這對空戰有著至關重要的影響。

　　2.3 現代飛機的綜合推進控制

　　發動機采用數字電子控制后，性能有了很大提高，直接導致飛機綜合推進控制的產生。

　　所謂綜合推進控制，就是將發動機主燃燒室、加力燃燒室、尾噴口以及超音速飛機的進氣道進行一體化控制。以往，這些部分的控制是由各自的調節器進行的，如主燃料調節器、加力燃料調節器、尾噴口控制器。

　　實施一體化綜合推進控制，就將進氣道控制融入了飛機的整體推進控制，推進系統各裝置之間能更好地協調和匹配工作。

　　例如美國上世紀70年代開始研制的TF-30發動機（裝配F-111飛機）的綜合推進控制系統（IPCS）。經過一體化設計與控制后，F-111飛機采用了獨特的進氣道設計，使得F-111獲得了優秀的動力性能。F-111憑借其遠程、高速方面的出色表現而衍生發展出多種型號，至今仍是美國空軍的主力裝備。

　　從第三代戰斗機起，綜合推進控制成為飛機提升性能的必備選擇，并且隨著計算機和發動機技術的進步仍在不斷發展之中。

3 發動機電子控制系統的未來發展

　　戰斗機的更新換代可以說與動力系統的技術進步密切相關。從第二代戰斗機“高空高速”、第三代戰斗機“靈活機動、精確打擊”到第四代戰斗機“超音速巡航、具備良好隱身性”，設計思想與空戰理念的變更，使得戰斗機由亞音速突破了音速，又由超音速奔向高馬赫數飛行，推動發動機實現了由活塞發展至渦輪，由開加力破音速提高到不開加力進行超音速巡航，由液壓控制轉變成全功能數字控制的技術革新。可以說，如果沒有發動機技術與先進電子控制技術的保障，現代空戰史將是另一番景象。

　　而隨著新軍事變革的深入發展，發動機與電子控制技術的創新與進步將給新一代飛機帶來更大的變革。

　　3.1 全功能電子控制（FADEC）系統的改進

　　現行發動機控制系統是集中式余度全功能電子控制（以下簡稱FADEC）。集中執行余度管理、控制規律的計算處理以及輸入輸出信號的濾波和處理。未來的FADEC將采用分布式控制系統。因為控制系統中引線和接頭是最重的部分。與集中式的FADEC 相比，分布式控制系統的引線數、接頭數和重量分別由2214KG、112KG 和134KG減少到320KG、80KG 和50KG。

　　在分布式控制系統中，靈巧裝置通過一條余度的高速數字數據總線和FADEC通信。靈巧裝置可以是一個傳感器，或一個作動器，或是兼有傳感和作動功能的裝置。每個靈巧裝置有自己的處理元件，可以執行所要求的當地功能。為使溫升和功耗最小，還將采用變速和變流量泵。

　　除了降低發動機控制系統的復雜性和重量之外，分布式控制系統的優點還有：

　　1、由于采用通用模塊和標準接口，縮短了研制周期和降低了成本（估計約60%）；

　　2、通過對每個靈巧裝置進行自檢和診斷，降低了維修成本；

　　3、采用新的元件級技術，對中央處理計算機的改動很小甚至無需改動，設計和升級的靈活性大；

　　4、FADEC可以遠離發動機安裝，而進一步降低重量，改善可靠性和控制系統的總重。

　　新型FADEC的實現，需要總線技術與材料科學的鼎力支持。新型航空電子總線具有輕質、高可靠性與增設容易的優點。從美制MIL-1553B總線與俄ARINC-429總線的發展來看，為適應信息化條件需要，航空電子總線在此基礎上將會有更大的飛躍。因而FADEC還會有更先進的改進。

　　研制分布式控制系統，需要掌握的關鍵技術有：分布式控制系統的總體結構和運行模式；余度多路傳輸光纖總線；多余度數字處理機和并行處理技術；耐高溫的靈巧傳感器和作動器；重量輕的變速、變流量電動燃油泵；發動機狀態監視和管理系統。

　　3.2 發動機推力矢量控制系統的運用

　　推力矢量控制系統，就是運用空氣動力學，通過對推進裝置與飛機氣動布局的有效改變，完成飛行器的推力矢量化。具有矢量化動力系統的飛行器將具有超高性能的機動性和敏感性。

　　機敏性可以看作是飛機由一種機動到另一種機動的能力，意義在于盡量減小從發現目標到消滅目標的時間間隔，以獲取制空戰斗優勢。機敏性對近距格斗具有重要意義。二戰中，美軍Spitfire飛機敗于德軍FW-190飛機的主要原因就是其瞬變滾動機敏性劣于后者。現代，美國空軍為選擇第三代主力輕型戰斗機而對YF-16與YF-17進行的測試中，也正是YF-16在模擬空中格斗戰斗中顯示出的優秀瞬變機敏性起到了關鍵作用。

　　現代戰斗機為提高機敏性，提高對目標的擊毀率，必須擴大使用迎角。例如第三代戰機F-16的使用迎角只有25度、第四代戰斗機F-22則已擴至60度、試驗機X-31甚至達到70度。可用迎角的大幅提高要求設計者從傳統設計方法所依賴的線性空氣動力學范疇進入到非線性空氣動力學范疇。大迎角還常伴隨分離、非定常等現象。隨使用迎角的增大，大迎角非定常空氣動力學的數學建模已成為有效進行設計而迫切需要解決的問題。這要求我們不僅從理論上、物力進行上研究，更重要的是從工程控制上找到辦法實現大迎角飛行。

　　推力矢量控制技術正解決了這一難題。矢量推力技術不僅可以擴大戰斗機的使用迎角范圍，而且可使推力直接參與飛行控制，從而大大提高飛機的過失速機敏性及隱形能力。矢量推力技術現已成為新型戰斗機設計中的重要技術，如F-22、X-31、Su-30MKI、Su-35、Su-37等均不同程度的采用此項技術。

　　研制新型多向矢量發動機，并配套完善的推力矢量控制系統將會使飛機在大迎角飛行條件下擁有穩定的飛行性能，取得飛行器前所未有的制空機敏性。

4 結束語

　　回首現代飛機的電子化進程，數字電子控制由低到高、由單一到綜合的每個過程都對飛機有很大影響，其進一步發展和完善也必將使發動機控制達到更高更新的水平。

　　隨著飛機上駕駛、火控、導航等方面電子控制技術的不斷進步，發動機電子控制系統也將日趨成熟。而新型發動機技術的迅猛發展也需要更先進的控制理論與控制技術的支持。

　　總而言之，航空電子技術在飛機發動機上的應用必將更加廣泛而深入，飛機發動機電子控制技術的進步將會使飛機的飛行控制與飛行品質得到前所未有的提升。

參考文獻：

［1］許春生、馬乾綽編：《航空發動機電子控制》，中國民航出版社，1999。

［2］許春生、馬乾綽編：《發動機電子控制系統》，國防工業出版社，1990.9。