中國發展航空發動機FADEC技術的途徑

任士彬，孟慶明

（北京航空航天大學能源與動力工程學院,北京100191）

1 引言

20世紀70年代初，英國開始研制數字式電子控制(FADEC)系統。繼而，美國等國家也紛紛進入，美國后來居上，一直處于比較領先的地位。

20世紀80年代初，中國才真正展開高性能推進系統數字控制的研究,現在已初步掌握了各項關鍵技術，但總體來說，尚處于技術突破階段。

本文重點闡述了中國發展FADEC技術的途徑。

2 世界發展趨勢和中國薄弱環節

2.1 發展趨勢

航空發動機控制正處于從傳統的液壓機械式控制向數字電子控制的轉變階段，并且經歷了從單個部件到整體、從模擬式到數字式、從有限功能到全權控制的發展過程。可以預測，無論在軍用機上，還是在民用機、直升機乃至航機陸用裝置上，今后將越來越多地采用發動機電子控制系統，尤其是全權限數字電子控制系統，將使航空發動機控制技術達到更新、更高的水平。

FADEC將繼續在系統硬件可靠性、先進的故障檢測技術、準確一致的維護信息和新的控制規律等方面發展。可能會采用纖維光纜進行數據通信，同時還可能會使用光電的FADEC加上發動機穩定性的主動控制、一體的起動機/發電機、電磁作動器、分布控制電子部件、一體的環境控制系統、穩定性引氣和放氣、按需要控制的燃油泵、電磁轉子軸承、閉環主動間隙控制等，使發動機效率更高，并簡化外部部件、減輕質量、延長使用壽命。

航空發動機控制系統發展及其趨勢如圖1所示。

2.2 薄弱環節

在FADEC系統研制方面，中國主要需解決4個方面的問題：提高系統可靠性；改善系統性能；減輕系統質量；降低系統成本。

目前,最重要也是最薄弱的環節是FADEC系統的可靠性問題，而其最突出的問題反映在3個方面，即控制應用軟件開發、電/液轉換裝置研究和工程實踐經驗積累。

2.2.1 控制應用軟件開發

軟件已發展為FADEC系統的“靈魂”有5個標準用來明確軟件程序：軟件質量評定方法,軟件開發標準,軟件結果管理方法,方法及工具的使用；文件編制標準及模型文檔。

為了提高FADEC系統軟件的可靠性，必須建立1支穩定的事業心強的軟件開發隊伍；編制嚴格的軟件開發質量管理規范；建立軟件安全評測的權威認證體系；加強針對分系統、系統的軟/硬件綜合相容性試驗研究。

2.2.2 電/液轉換裝置研究

電/液轉換裝置是影響FADEC系統可靠性的最關鍵部件之一。在中國，多采用電液伺服閥，這種用于燃油做工質的射流管式的伺服閥還處于研制階段，技術不夠成熟，以之作為電液轉換裝置具有很大風險，應當進行專題試驗研究。

2.2.3 工程實踐經驗積累中國FADEC系統研究人員缺乏相應的工程實踐經驗。FADEC系統研究的是工程技術問題，不是純理論問題，不能完全在實驗室解決。系統和發動機是否匹配以及與飛機是否相容，只有通過發動機臺架試車、高空臺試驗、飛行驗證試驗才能得到確認。在試車和試飛過程中，如果存在1個焊點虛焊或者某1條管路出問題，都可能造成該項目失敗。

3 中國發展FADEC系統途徑

按照FADEC系統的發展規律，中國應掌握的FADEC核心技術主要為以下方面。

3.1 制定系統設計流程

（1）制定航空發動機FADEC系統技術要求方面的任務書；

（2）進行FADEC系統總體方案設計；

（3）進行工程設計；

（4）進行有效性驗證和綜合試驗。

3.2 制定系統鑒定驗收主要項目規范與標準

FADEC系統鑒定驗收的主要項目規范與標準應該由主管部門制定。如在美國為美國聯邦宇航局（FAA）。

FAA所制定的分為5部分：

（1）FADEC系統描述和定義；

（2）飛機電液掉電或數據丟失；

（3）FADEC系統部件的故障；

（4）包括雷擊在內的環境限制；

（5）軟件驗證/認可和關鍵級別。中國應參照。

3.3 制定系統可靠性設計要求和相應措施

系統可靠性是制約FADEC系統發展的最關鍵因素，評定的指標包括：

（1）FADEC系統故障導致發動機故障的允許概率小于10-7；

（2）FADEC系統故障導致任務中斷的概率小于10-3；

（3）設計持續飛行時間為2 h；

（4）FADEC系統故障導致發動機損壞的允許概率小于（實際上不允許引起發動機損壞的故障發生—作者注）；

（5）平均無故障時間（MTBF），民機的為30000～40000 h，軍機的為1000～2000 h。

3.4 加強系統可靠性試驗和有效性綜合試驗

3.4.1 系統可靠性試驗

因涉及到飛行安全，系統可靠性試驗極其重要。本文僅強調2個方面。

第1方面：雷擊試驗。包括以下方面：（1）管腳注射試驗：驗證FADEC系統中單個元件接頭承受雷擊的能力；（2）系統承受能力試驗：驗證FADEC系統承受內部脈沖狀態同時施加到所有相連接電纜上的能力；（3）系統錯亂試驗：驗證FADEC系統同步施加內部脈沖狀態的并發沖擊特征的能力；（4）多突發試驗：驗證伴隨偶然雷擊所帶來的前脈沖附加相位的出現FADEC系統承受重復低頻噪聲的能力；（5）接地試驗：驗證FADEC系統承受高電壓的能力；（6）電纜誘發試驗：驗證FADEC系統承受通過飛機/發動機接口施加的雷擊誘發的瞬態響應的能力。

這些試驗可接受的標準是：線路或部件不得有明顯的跳火或燃燒，不得有造成不能維持正常功能的故障；在進行特定試驗后，能自動恢復原來的給定值；FADEC系統允許有持續幾毫秒的對發動機推力變化小于±1%的瞬態響應。

第2方面：電磁干擾試驗。在美國，FAA允許的鑒定試驗是對FADEC全系統進行破壞性環境試驗，而不僅做電子控制器的電磁干擾試驗。需要強調，美國聯邦宇航局在對FADEC系統進行鑒定試驗時，必須做1項破壞性環境試驗。FADEC系統應具有抗電磁干擾和免受雷擊影響的能力。

3.4.2 有效性綜合試驗

有效性綜合試驗即半物理模擬試驗。要求在進行發動機試車試驗前，首先在FADEC系統半物理模擬臺上進行試驗，以保證在發動機試車臺上所用的時間最有效。

在半物理模擬臺上要做的試驗包括以下方面：

（1）FADEC系統元部件及其功能評價；

（2）全飛行包線內發動機控制能力評價；

（3）FADEC系統故障模式、故障影響分析和單點故障有效性檢驗；

（4）對發動機實時仿真模型和FADEC構成的組合發動機特性系統有動態推力相應作出評價。

為使半物理模擬試驗具有足夠的可信度，要求在試驗中，必須有一定保真度的發動機實時熱力學仿真模型；必須有高精度的物理效應轉換裝置；必須有運算速度極高的仿真計算機；必須有時間常數極小的數字伺服電機。

3.5 設計、測試驗證與校核FADEC系統控制軟件

控制軟件是FADEC系統的“靈魂”。隱藏的軟件錯誤雖然不是系統硬件故障，但它會使發動機出現不可預料的異常情況。美國已把RTCA/DO－178A作為FADEC系統軟件發展和設計的指南，FADEC系統軟件被認為是關鍵的TYDE1軟件。

為提高控制軟件可靠性，必須進行測試驗證與校核，同時，要對雙通道主/次型的FADEC系統的各通道采用不同軟件，從而避免由軟件錯誤導致的“共同性”故障。

中國應制定FADEC系統軟件開發設計規范和鑒定驗收標準。為此，應當引進歐洲4國的EJ200發動機FADEC系統的軟件開發工具—EJ200 SDE，它包括：Epos—核心的設計文件編制工具；Lifespan—執行所有文件機軟件結構控制的工具；Ada編輯系統—具有程序調試、語法編輯、源代碼分析和執行代碼分析功能的Ada編輯器及反編輯器；Testbed—在軟件測試階段中使用的1組軟件分析工具；Emulator—具有硬件缺陷探索、軟件測試、時間測定量度及綜合的Hp64000UX開發系統；Test Harness—能使軟件測試環境完整并提供自動單元測試的1組工具。

3.6 研制供油系統和電/液轉換裝置

（1）大流量高壓力主燃油泵（齒輪泵）；

（2）大流量加力油泵（離心泵、汽心泵等）；

（3）各種電/液轉換器。

對于FADEC系統，液壓執行機構處于極其重要的地位。對其不作具體闡述。

3.7 建立與驗證發動機模型

研究了30多年發動機建模問題，投入了不少的力量和經費，同時又開展了對外合作，引進了實時仿真模型，但發動機模型問題89仍然沒有解決好。應當把現有的發動機模型集中起來進行研究，組織專門的人力進行驗證。然后，建立發動機模型庫，以實現資源共享。

3.8 開展控制模態與控制先進算法研究

迄今為止，在高性能發動機上所采用的控制模態并沒有重大變化，都是基于經典的自動控制理論，所采用的算法還多是PID算法。未來的航空發動機將采用先進的控制模態，這種模態將自動調整發動機的工作點，以使整個飛行包線內的性能最佳。它應具有3個方面的功能，即故障適應和重構、故障診斷和狀態監視、模態自適應最佳化。

3.9 開展推力矢量飛行/推進綜合控制技術研究

推力矢量飛行/推進綜合控制技術研究是非常重要的研究方向。中國已經開展的研究只是停留在計算機仿真和研究報告上。應當向工程實踐跨出一步。

4 結束語

中國航空發動機FADEC技術的發展方向是明確的，目前的薄弱環節和關鍵技術是清晰的，只要全行業共同努力，扎實工作，就一定能夠研制出具有自主知識產權、安全可靠運行的高性能FADEC系統。

[1] 628研究所編譯.飛機推進系統數字式電子控制技術（第一集～第七集）[M].中國航空工業總公司第六二八研究所,1998.

[2] 張紹基.軍用航空發動機燃油與控制系統的研究與發展，航空發動機[J]，2000(3).

[3] 孟慶明.現代航空發動機控制系統發展趨勢綜述，北航學術報告[J]，BH-B4415.