1 引言 計算機特別是微型計算機已成為現(xiàn)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(zhàn)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(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；實時性強。 飛機應用的微機系統(tǒng)主要有兩種結(jié)構(gòu)形式：一是獨立單功能計算機，如導航計算機、大氣數(shù)據(jù)計算機等；二是分布式計算機系統(tǒng)，如飛行管理計算機系統(tǒng)。 根據(jù)各系統(tǒng)應用微機的情況，可按用途劃分為：數(shù)據(jù)處理微機；實時控制微機，如自動飛行控制系統(tǒng)（AFCS）、自動油門系統(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；飛機信息顯示微機；信息存儲/監(jiān)控式微機；人機交互管理用微機。 發(fā)動機是熱機的一種，它將燃料的化學能經(jīng)與氧氣化學反應釋放能量，再將熱能轉(zhuǎn)化為機械能。航空發(fā)動機經(jīng)歷了早期的活塞發(fā)動機到現(xiàn)代燃氣渦輪發(fā)動機的長足發(fā)展。現(xiàn)代發(fā)動機性能有了質(zhì)的飛躍，但結(jié)構(gòu)設計、操控與維護也變得非常復雜。故沿用經(jīng)典控制理論的控制設計方法已不能滿足對現(xiàn)代發(fā)動機的控制需要。 這就要求我們必須應用先進的現(xiàn)代控制理論，采取構(gòu)建數(shù)學模型的方法，處理日益復雜的控制參數(shù)。而計算機的發(fā)展和機載應用，使這一目標成為可能。 2 電子技術在發(fā)動機控制系統(tǒng)中的應用 由于發(fā)動機控制的自身需要和微電子技術的飛速發(fā)展，發(fā)動機控制已實現(xiàn)從傳統(tǒng)液壓式控制、機械式控制向數(shù)字電子控制的轉(zhuǎn)變，并經(jīng)歷了從單個部件到整體、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)廣泛應用與軍用和民用飛機。 2.1 發(fā)動機的數(shù)字電子控制 發(fā)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(fā)動機的調(diào)控也涉及諸多方面。一般飛機發(fā)動機的控制系統(tǒng)包括以下幾部分： 1、航空發(fā)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(fā)動機燃油控制系統(tǒng)。發(fā)動機燃油系統(tǒng)中的基本設置有：起動燃油系統(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)動機電子自動調(diào)節(jié)系統(tǒng)。機載計算機通過監(jiān)控裝置對發(fā)動機進行數(shù)據(jù)采樣、整量和校正，進而調(diào)節(jié)發(fā)動機控制器以實現(xiàn)飛機發(fā)動機的自適應控制。 現(xiàn)代飛機的發(fā)動機電子控制系統(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)動機的主要功能仍由液壓機械式控制器完成。發(fā)動機電子控制（EEC）主要作用是兩個方面即監(jiān)控和限制：保證精確的推力控制，同時確保其不超出發(fā)動機的工作限制。監(jiān)控控制只是依靠電子設備對傳統(tǒng)液壓機械式調(diào)節(jié)器進行實時監(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械式調(diào)節(jié)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(tǒng)失效后的備份控制機構(gòu)。 與液壓機械式調(diào)節(jié)器相比，全功能數(shù)字電子控制的計算能力強、精度高。其有以下幾個優(yōu)點：提高發(fā)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(shù)字電子控制易于實現(xiàn)發(fā)動機的狀態(tài)監(jiān)控，也易于實現(xiàn)發(fā)動機控制與飛機控制的一體化。 2.2 計算機對發(fā)動機的輔助監(jiān)控與維護 飛機采用數(shù)字電子控制不只在發(fā)動機控制上起作用。為順應飛機設備的電子化，現(xiàn)已實現(xiàn)了計算機對發(fā)動機的數(shù)字化輔助監(jiān)控與維護。 進行發(fā)動機的數(shù)字化控制后，便易于實施狀態(tài)監(jiān)控、故障診斷、信息顯示、系統(tǒng)自檢、時間存儲等功能，綜合形成飛機的推進管理系統(tǒng)。飛機推進管理系統(tǒng)對發(fā)動機不僅可以進行實時監(jiān)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(zhàn)時飛機的出勤率。這對空戰(zhàn)有著至關重要的影響。 2.3 現(xiàn)代飛機的綜合推進控制 發(fā)動機采用數(shù)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(chǎn)生。 所謂綜合推進控制，就是將發(fā)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(diào)節(jié)器進行的，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(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70年代開始研制的TF-30發(fā)動機（裝配F-111飛機）的綜合推進控制系統(tǒng)（IPCS）。經(jīng)過一體化設計與控制后，F(xiàn)-111飛機采用了獨特的進氣道設計，使得F-111獲得了優(yōu)秀的動力性能。F-111憑借其遠程、高速方面的出色表現(xiàn)而衍生發(fā)展出多種型號，至今仍是美國空軍的主力裝備。 從第三代戰(zhàn)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(fā)動機技術的進步仍在不斷發(fā)展之中。 3 發(fā)動機電子控制系統(tǒng)的未來發(fā)展 戰(zhàn)斗機的更新?lián)Q代可以說與動力系統(tǒng)的技術進步密切相關。從第二代戰(zhàn)斗機“高空高速”、第三代戰(zhàn)斗機“靈活機動、精確打擊”到第四代戰(zhàn)斗機“超音速巡航、具備良好隱身性”，設計思想與空戰(zhàn)理念的變更，使得戰(zhàn)斗機由亞音速突破了音速，又由超音速奔向高馬赫數(shù)飛行，推動發(fā)動機實現(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)字控制的技術革新。可以說，如果沒有發(fā)動機技術與先進電子控制技術的保障，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)動機與電子控制技術的創(chuàng)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(tǒng)的改進 現(xiàn)行發(fā)動機控制系統(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(tǒng)。因為控制系統(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)字數(shù)據(jù)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(zhí)行所要求的當?shù)毓δ堋槭箿厣凸淖钚。�將采用變速和變流量泵。 除了降低發(fā)動機控制系統(tǒng)的復雜性和重量之外，分布式控制系統(tǒng)的優(yōu)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(fā)動機安裝，而進一步降低重量，改善可靠性和控制系統(tǒng)的總重。 新型FADEC的實現(xiàn)，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(zhì)、高可靠性與增設容易的優(yōu)點。從美制MIL-1553B總線與俄ARINC-429總線的發(fā)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(tǒng)，需要掌握的關鍵技術有：分布式控制系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)和運行模式；余度多路傳輸光纖總線；多余度數(shù)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(fā)動機狀態(tài)監(jiān)視和管理系統(tǒng)。 3.2 發(fā)動機推力矢量控制系統(tǒng)的運用 推力矢量控制系統(tǒng)，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(tǒng)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(fā)現(xiàn)目標到消滅目標的時間間隔，以獲取制空戰(zhàn)斗優(yōu)勢。機敏性對近距格斗具有重要意義。二戰(zhàn)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(xiàn)代，美國空軍為選擇第三代主力輕型戰(zhàn)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(zhàn)斗中顯示出的優(yōu)秀瞬變機敏性起到了關鍵作用。 現(xiàn)代戰(zhàn)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(zhàn)機F-16的使用迎角只有25度、第四代戰(zhàn)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(tǒng)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(xiàn)象。隨使用迎角的增大，大迎角非定常空氣動力學的數(shù)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(xiàn)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(zhàn)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(xiàn)已成為新型戰(zhàn)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(fā)動機，并配套完善的推力矢量控制系統(tǒng)將會使飛機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敏性。 4 結(jié)束語 回首現(xiàn)代飛機的電子化進程，數(shù)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(fā)展和完善也必將使發(fā)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(fā)動機電子控制系統(tǒng)也將日趨成熟。而新型發(fā)動機技術的迅猛發(fā)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(fā)動機上的應用必將更加廣泛而深入，飛機發(fā)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(zhì)得到前所未有的提升。 參考文獻： ［1］許春生、馬乾綽編：《航空發(fā)動機電子控制》，中國民航出版社，1999。 ［2］許春生、馬乾綽編：《發(fā)動機電子控制系統(tǒng)》，國防工業(yè)出版社，1990.9。 |
