民用飛機自動推力功能淺析

姜毓琦

【摘 要】民用飛機自動推力功能是提高燃油經(jīng)濟性重要技術(shù)之一。本文研究了自動推力系統(tǒng)的基本原理及與其他系統(tǒng)之間的關(guān)聯(lián)，同時介紹自動推力功能的關(guān)鍵技術(shù)—自動油門工作基本原理和邏輯。

【關(guān)鍵詞】民用飛機；自動推力；自動油門

0 引言

20 世紀80 年代之后，先進控制理論與優(yōu)化技術(shù)、帶推力矢量的綜合飛行/推進控制技術(shù)等又逐漸成為新的研究熱點，這些領(lǐng)域的研究成果不僅成就了民航飛行器的眾多新功能，還帶來了飛機性能的大幅提升。當代民用飛機在追求高性能、高安全性的同時，對燃油經(jīng)濟性也提出了更高的要求。自動推力功能便是解決該問題的一條重要途徑。自動推力功能是基于飛行航跡優(yōu)化而產(chǎn)生的，目前該技術(shù)已在民用飛機上得到廣泛應(yīng)用。本文將介紹民用飛機自動推力系統(tǒng)基本原理及其關(guān)鍵技術(shù)。

1 自動推力功能架構(gòu)

民用飛機推力等級通常包括起飛、復(fù)飛、爬升、巡航、最大連續(xù)等推力。自動推力功能根據(jù)最優(yōu)指標下的推力性能模型與算法，在飛機從起飛到著陸整個過程中自動執(zhí)行推力功能。自動推力主要由自動油門（AT）完成，自動油門根據(jù)飛行模式、飛行管理系統(tǒng)（FMS）輸入的推力等級和發(fā)動機狀態(tài)信息選擇相應(yīng)的推力等級。

自動推力功能基本架構(gòu)如圖1所示，包括發(fā)動機控制系統(tǒng)、飛行管理系統(tǒng)、自動油門和仲裁系統(tǒng)組成。發(fā)動機控制系統(tǒng)由FADEC（全權(quán)限數(shù)字電子控制系統(tǒng)）控制，其接收油門桿的推力指令控制發(fā)動機的推力。自動油門系統(tǒng)由駐留軟件完成其功能，AT根據(jù)當前飛行模式及傳感器等數(shù)據(jù)，計算出合理的油門桿角度信號反饋給油門桿，F(xiàn)ADEC根據(jù)油門桿角度計算出相應(yīng)推力值驅(qū)動發(fā)動機轉(zhuǎn)速。FMS由控制顯示裝置和飛行管理應(yīng)用軟件組成，在控制顯示裝置可輸入目標推力值。

推力模式仲裁系統(tǒng)由相應(yīng)飛機軟件實現(xiàn)，系統(tǒng)接收發(fā)動機控制系統(tǒng)、自動油門和飛行管理系統(tǒng)全部的推力等級請求，結(jié)合飛行階段和發(fā)動機性能等飛機數(shù)據(jù)，決策選擇出合理的推力模式反饋給各個系統(tǒng)，以此完成自動推力功能閉環(huán)控制。

2 自動推力關(guān)鍵技術(shù)

自動推力功能主要由自動油門完成，其關(guān)鍵技術(shù)是自動油門控制技術(shù)。民用飛機通常將自動油門集成在自動飛行控制或飛行控制計算機中。

2.1 自動油門基本工作邏輯

自動油門控制系統(tǒng)包括自動油門計算機軟件和油門桿裝置。自動油門通斷開關(guān)布置在飛行控制板上，按壓按鈕可接通或斷開自動油門功能。

自動油門提供指令給每個油門控制組件上獨立的伺服馬達來定位兩個推力手柄，實現(xiàn)對推力的控制。自動油門提供從起飛、爬升、巡航、下降、進近和復(fù)飛過程的推力控制。自動油門接受來自于飛行導(dǎo)引（FG）、發(fā)動機指示與機組告警系統(tǒng)（EICAS）、電子飛行儀表系統(tǒng)（EFIS）、FADEC和其它傳感器的輸入數(shù)據(jù)，然后經(jīng)過計算，為相應(yīng)的FG工作模式提供自動推力控制指令，并將該控制指令發(fā)送到油門控制組件內(nèi)的自動油門伺服馬達。最后發(fā)動機控制系統(tǒng)根據(jù)油門桿角度值驅(qū)動發(fā)動機達到相應(yīng)N1值。

現(xiàn)代民用飛機，自動油門功能是實現(xiàn)自動飛行能力重要功能之一。自動油門功能可自動調(diào)整油門桿角度，可合理利用發(fā)動機性能，從而降低油耗。并且可極大減少飛行員操作負擔，更好地保證安全。

2.2 自動油門工作模式

自動油門提供油門指令保持空速或推力。在地面自動油門處于待命狀態(tài)，一旦選擇起飛模式便處于工作狀態(tài)。自動油門與飛行導(dǎo)引和飛行管理系統(tǒng)交聯(lián)。自動油門工作模式通常分為空速控制模式和推力控制模式。

自動油門在空速模式下，控制油門保持一個給定的空速（IAS）/馬赫數(shù)（MACH）。如果某一個飛行導(dǎo)引模式，如高度捕獲、高度保持、垂直速度、進近或FMS垂直路徑角等模式處于工作狀態(tài)或隨后被選擇，自動油門自動地保持所選擇的空速。空速的基準值由駕駛員通過FMS或者通過飛行控制板上的SPEED旋鈕選擇。當速度的基準值改變時，自動油門就獲得了新的選擇速度。基準值可以是IAS或MACH。如果沒有選擇飛行導(dǎo)引模式，自動油門提供基本的空速保持控制模式以跟蹤空速的基準值。

自動油門在推力控制模式下，油門推進或回收到特定的推力標定值。如果某一個飛行導(dǎo)引模式，如起飛、飛行高度層改變或復(fù)飛等模式處于工作狀態(tài)，自動油門根據(jù)所處的飛行階段自動地控制推力到發(fā)動機的某個標定值。

2.3 自動油門系統(tǒng)接口

自動油門控制系統(tǒng)與油門桿組件、飛行導(dǎo)引、發(fā)動機指示與機組告警系統(tǒng)、電子飛行儀表系統(tǒng)、發(fā)動機控制系統(tǒng)均有數(shù)據(jù)傳輸接口。安裝在中央操縱臺上的油門桿內(nèi)綜合有自動油門伺服馬達，自動油門應(yīng)用軟件傳遞指令給自動油門伺服馬達驅(qū)動油門桿，油門桿的位置信號會傳送到FADEC，同時自動油門系統(tǒng)也會通過數(shù)據(jù)總線接收來自FADEC的發(fā)動機信息。飛行控制板提供自動油門伺服馬達接通控制信號。同樣FMS根據(jù)飛行計劃或當前的飛機狀態(tài)和飛行模式提供給自動油門工作模式指令。

3 結(jié)論

民用飛機自動推力功能是根據(jù)飛機不同飛行階段以及不同飛行狀態(tài)，計算飛機的推力并進行自動調(diào)節(jié)，同時結(jié)合發(fā)動機的壽命、燃油經(jīng)濟性等需求優(yōu)化發(fā)動機推力。自動推力關(guān)鍵技術(shù)是自動油門控制系統(tǒng)，自動油門控制率的設(shè)計水平直接影響民用飛機燃油經(jīng)濟性，在未來飛機設(shè)計研發(fā)中具有很大提升空間和創(chuàng)新性。

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