1 引言

　　計(jì)算機(jī)特別是微型計(jì)算機(jī)已成為現(xiàn)代航空航天工程最重要的技術(shù)裝備之一。機(jī)載計(jì)算機(jī)的應(yīng)用使作戰(zhàn)飛機(jī)高度電子化，提升了飛機(jī)整體操控性。一般機(jī)載計(jì)算機(jī)具體有以下特點(diǎn)：能在惡劣的環(huán)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(wěn)定；實(shí)時(shí)性強(qiáng)。

　　飛機(jī)應(yīng)用的微機(jī)系統(tǒng)主要有兩種結(jié)構(gòu)形式：一是獨(dú)立單功能計(jì)算機(jī)，如導(dǎo)航計(jì)算機(jī)、大氣數(shù)據(jù)計(jì)算機(jī)等；二是分布式計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，如飛行管理計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。

　　根據(jù)各系統(tǒng)應(yīng)用微機(jī)的情況，可按用途劃分為：數(shù)據(jù)處理微機(jī)；實(shí)時(shí)控制微機(jī)，如自動(dòng)飛行控制系統(tǒng)（AFCS）、自動(dòng)油門系統(tǒng)（A/T）、環(huán)境控制系統(tǒng)（ECS）及數(shù)字式防滑剎車系統(tǒng)等；飛機(jī)信息顯示微機(jī)；信息存儲(chǔ)/監(jiān)控式微機(jī)；人機(jī)交互管理用微機(jī)。

　　發(fā)動(dòng)機(jī)是熱機(jī)的一種，它將燃料的化學(xué)能經(jīng)與氧氣化學(xué)反應(yīng)釋放能量，再將熱能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能。航空發(fā)動(dòng)機(jī)經(jīng)歷了早期的活塞發(fā)動(dòng)機(jī)到現(xiàn)代燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)的長足發(fā)展。現(xiàn)代發(fā)動(dòng)機(jī)性能有了質(zhì)的飛躍，但結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、操控與維護(hù)也變得非常復(fù)雜。故沿用經(jīng)典控制理論的控制設(shè)計(jì)方法已不能滿足對(duì)現(xiàn)代發(fā)動(dòng)機(jī)的控制需要。

　　這就要求我們必須應(yīng)用先進(jìn)的現(xiàn)代控制理論，采取構(gòu)建數(shù)學(xué)模型的方法，處理日益復(fù)雜的控制參數(shù)。而計(jì)算機(jī)的發(fā)展和機(jī)載應(yīng)用，使這一目標(biāo)成為可能。

2 電子技術(shù)在發(fā)動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)中的應(yīng)用

　　由于發(fā)動(dòng)機(jī)控制的自身需要和微電子技術(shù)的飛速發(fā)展，發(fā)動(dòng)機(jī)控制已實(shí)現(xiàn)從傳統(tǒng)液壓式控制、機(jī)械式控制向數(shù)字電子控制的轉(zhuǎn)變，并經(jīng)歷了從單個(gè)部件到整體、從模擬式到數(shù)字式、從有限功能到全面功能的發(fā)展過程。

　　新型全功能數(shù)字電子控制已經(jīng)廣泛應(yīng)用與軍用和民用飛機(jī)。

　　2.1 發(fā)動(dòng)機(jī)的數(shù)字電子控制

　　發(fā)動(dòng)機(jī)包含諸多元件，是一個(gè)復(fù)雜而較脆弱的高維護(hù)設(shè)備。因而對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的調(diào)控也涉及諸多方面。一般飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)的控制系統(tǒng)包括以下幾部分：

　　1、航空發(fā)動(dòng)機(jī)上液壓機(jī)械裝置（燃油泵、計(jì)量活門和各類作動(dòng)器等）、敏感元件和放大元件的控制部分。

　　2、發(fā)動(dòng)機(jī)燃油控制系統(tǒng)。發(fā)動(dòng)機(jī)燃油系統(tǒng)中的基本設(shè)置有：起動(dòng)燃油系統(tǒng)、主燃油系統(tǒng)、加力燃油系統(tǒng)、漏油系統(tǒng)和放油系統(tǒng)。其中對(duì)主燃油系統(tǒng)與加力燃油系統(tǒng)的調(diào)節(jié)與控制最為重要。

　　3、發(fā)動(dòng)機(jī)電子自動(dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)。機(jī)載計(jì)算機(jī)通過監(jiān)控裝置對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)采樣、整量和校正，進(jìn)而調(diào)節(jié)發(fā)動(dòng)機(jī)控制器以實(shí)現(xiàn)飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)的自適應(yīng)控制。

　　現(xiàn)代飛機(jī)的發(fā)動(dòng)機(jī)電子控制系統(tǒng)大體可分為監(jiān)控控制和全功能電子控制兩大類。

　　監(jiān)控控制是指發(fā)動(dòng)機(jī)的主要功能仍由液壓機(jī)械式控制器完成。發(fā)動(dòng)機(jī)電子控制（EEC）主要作用是兩個(gè)方面即監(jiān)控和限制：保證精確的推力控制，同時(shí)確保其不超出發(fā)動(dòng)機(jī)的工作限制。監(jiān)控控制只是依靠電子設(shè)備對(duì)傳統(tǒng)液壓機(jī)械式調(diào)節(jié)器進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，可以看作是向全功能電子控制轉(zhuǎn)變的過渡階段。全功能電子控制（FADEC）則是將過去由液壓機(jī)械式調(diào)節(jié)器完成的計(jì)算機(jī)功能完全由機(jī)載計(jì)算機(jī)完成。配備的液壓機(jī)械式裝置只保留作為電子控制系統(tǒng)失效后的備份控制機(jī)構(gòu)。

　　與液壓機(jī)械式調(diào)節(jié)器相比，全功能數(shù)字電子控制的計(jì)算能力強(qiáng)、精度高。其有以下幾個(gè)優(yōu)點(diǎn)：提高發(fā)動(dòng)機(jī)性能；降低燃油消耗量；減輕駕駛員的工作負(fù)荷；提高控制可靠性；降低成本。

　　數(shù)字電子控制易于實(shí)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)的狀態(tài)監(jiān)控，也易于實(shí)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)控制與飛機(jī)控制的一體化。

　　2.2 計(jì)算機(jī)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的輔助監(jiān)控與維護(hù)

　　飛機(jī)采用數(shù)字電子控制不只在發(fā)動(dòng)機(jī)控制上起作用。為順應(yīng)飛機(jī)設(shè)備的電子化，現(xiàn)已實(shí)現(xiàn)了計(jì)算機(jī)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的數(shù)字化輔助監(jiān)控與維護(hù)。

　　進(jìn)行發(fā)動(dòng)機(jī)的數(shù)字化控制后，便易于實(shí)施狀態(tài)監(jiān)控、故障診斷、信息顯示、系統(tǒng)自檢、時(shí)間存儲(chǔ)等功能，綜合形成飛機(jī)的推進(jìn)管理系統(tǒng)。飛機(jī)推進(jìn)管理系統(tǒng)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)不僅可以進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，還可以實(shí)施計(jì)算機(jī)輔助查障及維護(hù)。這便大大縮短飛機(jī)在地面上的維護(hù)和檢修時(shí)間，能夠提高戰(zhàn)時(shí)飛機(jī)的出勤率。這對(duì)空戰(zhàn)有著至關(guān)重要的影響。

　　2.3 現(xiàn)代飛機(jī)的綜合推進(jìn)控制

　　發(fā)動(dòng)機(jī)采用數(shù)字電子控制后，性能有了很大提高，直接導(dǎo)致飛機(jī)綜合推進(jìn)控制的產(chǎn)生。

　　所謂綜合推進(jìn)控制，就是將發(fā)動(dòng)機(jī)主燃燒室、加力燃燒室、尾噴口以及超音速飛機(jī)的進(jìn)氣道進(jìn)行一體化控制。以往，這些部分的控制是由各自的調(diào)節(jié)器進(jìn)行的，如主燃料調(diào)節(jié)器、加力燃料調(diào)節(jié)器、尾噴口控制器。

　　實(shí)施一體化綜合推進(jìn)控制，就將進(jìn)氣道控制融入了飛機(jī)的整體推進(jìn)控制，推進(jìn)系統(tǒng)各裝置之間能更好地協(xié)調(diào)和匹配工作。

　　例如美國上世紀(jì)70年代開始研制的TF-30發(fā)動(dòng)機(jī)（裝配F-111飛機(jī)）的綜合推進(jìn)控制系統(tǒng)（IPCS）。經(jīng)過一體化設(shè)計(jì)與控制后，F(xiàn)-111飛機(jī)采用了獨(dú)特的進(jìn)氣道設(shè)計(jì)，使得F-111獲得了優(yōu)秀的動(dòng)力性能。F-111憑借其遠(yuǎn)程、高速方面的出色表現(xiàn)而衍生發(fā)展出多種型號(hào)，至今仍是美國空軍的主力裝備。

　　從第三代戰(zhàn)斗機(jī)起，綜合推進(jìn)控制成為飛機(jī)提升性能的必備選擇，并且隨著計(jì)算機(jī)和發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)的進(jìn)步仍在不斷發(fā)展之中。

3 發(fā)動(dòng)機(jī)電子控制系統(tǒng)的未來發(fā)展

　　戰(zhàn)斗機(jī)的更新?lián)Q代可以說與動(dòng)力系統(tǒng)的技術(shù)進(jìn)步密切相關(guān)。從第二代戰(zhàn)斗機(jī)“高空高速”、第三代戰(zhàn)斗機(jī)“靈活機(jī)動(dòng)、精確打擊”到第四代戰(zhàn)斗機(jī)“超音速巡航、具備良好隱身性”，設(shè)計(jì)思想與空戰(zhàn)理念的變更，使得戰(zhàn)斗機(jī)由亞音速突破了音速，又由超音速奔向高馬赫數(shù)飛行，推動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)現(xiàn)了由活塞發(fā)展至渦輪，由開加力破音速提高到不開加力進(jìn)行超音速巡航，由液壓控制轉(zhuǎn)變成全功能數(shù)字控制的技術(shù)革新。可以說，如果沒有發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)與先進(jìn)電子控制技術(shù)的保障，現(xiàn)代空戰(zhàn)史將是另一番景象。

　　而隨著新軍事變革的深入發(fā)展，發(fā)動(dòng)機(jī)與電子控制技術(shù)的創(chuàng)新與進(jìn)步將給新一代飛機(jī)帶來更大的變革。

　　3.1 全功能電子控制（FADEC）系統(tǒng)的改進(jìn)

　　現(xiàn)行發(fā)動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)是集中式余度全功能電子控制（以下簡稱FADEC）。集中執(zhí)行余度管理、控制規(guī)律的計(jì)算處理以及輸入輸出信號(hào)的濾波和處理。未來的FADEC將采用分布式控制系統(tǒng)。因?yàn)榭刂葡到y(tǒng)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(tǒng)的引線數(shù)、接頭數(shù)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(tǒng)中，靈巧裝置通過一條余度的高速數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)總線和FADEC通信。靈巧裝置可以是一個(gè)傳感器，或一個(gè)作動(dòng)器，或是兼有傳感和作動(dòng)功能的裝置。每個(gè)靈巧裝置有自己的處理元件，可以執(zhí)行所要求的當(dāng)?shù)毓δ堋�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(fā)動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)的復(fù)雜性和重量之外，分布式控制系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)還有：

　　1、由于采用通用模塊和標(biāo)準(zhǔn)接口，縮短了研制周期和降低了成本（估計(jì)約60%）；

　　2、通過對(duì)每個(gè)靈巧裝置進(jìn)行自檢和診斷，降低了維修成本；

　　3、采用新的元件級(jí)技術(shù)，對(duì)中央處理計(jì)算機(jī)的改動(dòng)很小甚至無需改動(dòng)，設(shè)計(jì)和升級(jí)的靈活性大；

　　4、FADEC可以遠(yuǎn)離發(fā)動(dòng)機(jī)安裝，而進(jìn)一步降低重量，改善可靠性和控制系統(tǒng)的總重。

　　新型FADEC的實(shí)現(xiàn)，需要總線技術(shù)與材料科學(xué)的鼎力支持。新型航空電子總線具有輕質(zhì)、高可靠性與增設(shè)容易的優(yōu)點(diǎn)。從美制MIL-1553B總線與俄ARINC-429總線的發(fā)展來看，為適應(yīng)信息化條件需要，航空電子總線在此基礎(chǔ)上將會(huì)有更大的飛躍。因而FADEC還會(huì)有更先進(jìn)的改進(jìn)。

　　研制分布式控制系統(tǒng)，需要掌握的關(guān)鍵技術(shù)有：分布式控制系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)和運(yùn)行模式；余度多路傳輸光纖總線；多余度數(shù)字處理機(jī)和并行處理技術(shù)；耐高溫的靈巧傳感器和作動(dòng)器；重量輕的變速、變流量電動(dòng)燃油泵；發(fā)動(dòng)機(jī)狀態(tài)監(jiān)視和管理系統(tǒng)。

　　3.2 發(fā)動(dòng)機(jī)推力矢量控制系統(tǒng)的運(yùn)用

　　推力矢量控制系統(tǒng)，就是運(yùn)用空氣動(dòng)力學(xué)，通過對(duì)推進(jìn)裝置與飛機(jī)氣動(dòng)布局的有效改變，完成飛行器的推力矢量化。具有矢量化動(dòng)力系統(tǒng)的飛行器將具有超高性能的機(jī)動(dòng)性和敏感性。

　　機(jī)敏性可以看作是飛機(jī)由一種機(jī)動(dòng)到另一種機(jī)動(dòng)的能力，意義在于盡量減小從發(fā)現(xiàn)目標(biāo)到消滅目標(biāo)的時(shí)間間隔，以獲取制空戰(zhàn)斗優(yōu)勢(shì)。機(jī)敏性對(duì)近距格斗具有重要意義。二戰(zhàn)中，美軍Spitfire飛機(jī)敗于德軍FW-190飛機(jī)的主要原因就是其瞬變滾動(dòng)機(jī)敏性劣于后者。現(xiàn)代，美國空軍為選擇第三代主力輕型戰(zhàn)斗機(jī)而對(duì)YF-16與YF-17進(jìn)行的測試中，也正是YF-16在模擬空中格斗戰(zhàn)斗中顯示出的優(yōu)秀瞬變機(jī)敏性起到了關(guān)鍵作用。

　　現(xiàn)代戰(zhàn)斗機(jī)為提高機(jī)敏性，提高對(duì)目標(biāo)的擊毀率，必須擴(kuò)大使用迎角。例如第三代戰(zhàn)機(jī)F-16的使用迎角只有25度、第四代戰(zhàn)斗機(jī)F-22則已擴(kuò)至60度、試驗(yàn)機(jī)X-31甚至達(dá)到70度。可用迎角的大幅提高要求設(shè)計(jì)者從傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法所依賴的線性空氣動(dòng)力學(xué)范疇進(jìn)入到非線性空氣動(dòng)力學(xué)范疇。大迎角還常伴隨分離、非定常等現(xiàn)象。隨使用迎角的增大，大迎角非定常空氣動(dòng)力學(xué)的數(shù)學(xué)建模已成為有效進(jìn)行設(shè)計(jì)而迫切需要解決的問題。這要求我們不僅從理論上、物力進(jìn)行上研究，更重要的是從工程控制上找到辦法實(shí)現(xiàn)大迎角飛行。

　　推力矢量控制技術(shù)正解決了這一難題。矢量推力技術(shù)不僅可以擴(kuò)大戰(zhàn)斗機(jī)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(jī)的過失速機(jī)敏性及隱形能力。矢量推力技術(shù)現(xiàn)已成為新型戰(zhàn)斗機(jī)設(shè)計(jì)中的重要技術(shù)，如F-22、X-31、Su-30MKI、Su-35、Su-37等均不同程度的采用此項(xiàng)技術(shù)。

　　研制新型多向矢量發(fā)動(dòng)機(jī)，并配套完善的推力矢量控制系統(tǒng)將會(huì)使飛機(jī)在大迎角飛行條件下?lián)碛蟹�(wěn)定的飛行性能，取得飛行器前所未有的制空機(jī)敏性。

4 結(jié)束語

　　回首現(xiàn)代飛機(jī)的電子化進(jìn)程，數(shù)字電子控制由低到高、由單一到綜合的每個(gè)過程都對(duì)飛機(jī)有很大影響，其進(jìn)一步發(fā)展和完善也必將使發(fā)動(dòng)機(jī)控制達(dá)到更高更新的水平。

　　隨著飛機(jī)上駕駛、火控、導(dǎo)航等方面電子控制技術(shù)的不斷進(jìn)步，發(fā)動(dòng)機(jī)電子控制系統(tǒng)也將日趨成熟。而新型發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)的迅猛發(fā)展也需要更先進(jìn)的控制理論與控制技術(shù)的支持。

　　總而言之，航空電子技術(shù)在飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)上的應(yīng)用必將更加廣泛而深入，飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)電子控制技術(shù)的進(jìn)步將會(huì)使飛機(jī)的飛行控制與飛行品質(zhì)得到前所未有的提升。

參考文獻(xiàn)：

［1］許春生、馬乾綽編：《航空發(fā)動(dòng)機(jī)電子控制》，中國民航出版社，1999。

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