浅析航空发动机的数字电子控制技术

宋涵　杜紫岩

摘 要：航空发动机越来越高的性能要求和复杂的结构，就要求先进的控制技术与之相匹配。伴随机载设备的电子化、综合化，实现航空发动机的电子控制已成为必然要求。如今，电子控制技术已经能实现对飞机的有效操控，创造更完善可靠的发动机电子控制系统也是下一代航空发动机研发的关键，也就是下一代战斗机研制成功的关键。

关键词：航空发动机；电子控制；机载设备

航空发动机经历了早期的活塞发动机到现代燃气涡轮发动机的长足发展，现代发动机性能有了质的飞跃。但是发动机的结构设计、操控与维护也变得日益复杂。所以沿用经典控制理论的控制设计方法已不能满足对现代发动机的控制需要。因此我们必须应用先进的现代控制理论，采取构建数学模型的方法，处理日益复杂的控制参数。而计算机和机载电子设备的发展与应用，使这一目标成为可能。由于发动机控制的自身需要和微电子技术的飞速发展，发动机控制已实现从传统液压式控制、机械式控制向数字电子控制的转变，并历了从单个部件到整体、从模拟式到数字式、从有限功能到全面功能的发展过程。

1 发动机的数字电子控制应用

现代飞机的发动机数字电子控制系统大体可分为监控控制（EEC）和全功能电子控制（FADEC）两大类。

监控控制是指发动机的主要功能仍由液压机械式控制器完成。发动机电子控制主要作用是两个方面即监控和限制：保证精确的推力控制，同时确保其不超出发动机的工作，限制。监控控制只是依靠电子设备对传统液压机械式调节器进行实时监控，可以看作是向全功能电子控制转变的过渡阶段。全功能电子控制则是将过去由液压机械式调节器完成的控制功能完全由机载计算机完成。配备的液压机械式装置只保留作为电子控制系统失效后的备份控制机构。与液压机械式调节器相比，全功能数字电子控制的计算能力强、精度高。其有以下几个优点：提高发动机性能：降低燃油消耗量；减轻驾驶员的工作负荷；提高控制可靠性：降低成本。

以CFMI公司已研制成功并投入使用的新一代发动机CFM56系列发动机为例， CFM56-5B和CFM56-7B发动机都采用了FADEC控制系统。FADEC作为CMF56-7B发动机的主操作系统，FADEC控制着整个发动机的工作，并实时响应来自于飞机的各种动态指令，同时向飞机提供各类包括发动机状态监控、维修报告以及故障分析的信息。对于带有FADEC系统的发动机，其起动过程主要由FADEC中的电子控制器EEC来控制。FADEC通过EEC的A、B两个通道来和飞机上的计算机进行交流。EEC在通电以及检测过程中进行主动/备用通道的选择。自检系统检测并隔离故障，根据故障判定通道的可用状态，同时传输维修数据到飞机。主动和备用通道的选择是依据于通道的可使用状态，每个通道可以判定自己的可使用状态，可使用状态最佳的通道将被选作主通道。

数字电子控制易于實现发动机的状态监控，也易于实现发动机控制与飞机控制的一体化。

2 发动机的推力矢量控制系统应用

推力矢量控制系统是指发动机推力通过喷管或尾喷流的偏转产生的推力分量来替代原飞机的操纵面或增强飞机的操纵功能，对飞机飞行进行实时控制的技术，也就是运用空气动力学，通过对推进装置与飞机气动布局的有效改变，完成飞行器的推力矢量化。具有矢量化动力系统的飞行器将具有超高性能的机动性和敏感性。

推力矢量技术能让发动机推力的一部分变成操纵力，代替或部分代替操纵面，从而大大减少了雷达反射面积；不管迎角多大和飞行速度多低，飞机都可利用这部分操纵力进行操纵，这就增加了飞机的可操纵性。由于直接产生操纵力，并且量值和方向易变，也就增加了飞机的敏捷性，因而可适当地减小或去掉垂尾，也能替代其他一些操纵面。这对降低飞机的可探测性是有利的，也能使飞机的阻力减小，结构重减轻。因此，使用推力矢量技术是解决设计矛盾的最佳选择。许多年来，美、俄等国作了大量的飞行试验，证明了利用推力矢量技术的确能达到预定的目的。

现代战斗机为提高机敏性，提高对目标的击毁率，必须扩大使用迎角。例如第三代战机F—16的使用迎角只有25度、第四代战斗机F一22则已扩至60度、试验机x一31甚至达到70度。可用迎角的大幅提高要求设计者从传统设计方法所依赖的线性空气动力学范畴进入到非线性空气动力学范畴。大迎角还常伴随分离、非定常等现象。随使用迎角的增大，大迎角非定常空气动力学的数学建模已成为有效进行设计而迫切需要解决的问题。这要求我们不仅从理论上、物力上进行研究，更重要的是从工程控制上找到办法实现大迎角飞行。

推力矢量控制技术正好解决了这一难题。矢量推力技术不仅可以扩大战斗机的使用迎角范围，还可使推力直接参与飞行控制，从而大大提高飞机的过失速机敏性。矢量推力技术现已成为新型战斗机设计中的重要技术，如F一22、X一31、Su-30MKI、Su-35、Su一37等均不同程度的采用此项技术。

3 发动机综合推进控制应用

采用数字电子控制后，性能有了很大提高，直接导致飞机综合推进控制的产生。

所谓综合推进控制，就是将发动机主燃烧室、加力燃烧室、尾喷口以及超音速飞机的进气道进行一体化控制。以往，这些部分的控制是由各自的调节器进行的，如主燃料调节器、加力燃料调节器、尾喷口控制器。实施一体化综合推进控制，就将进气道控制融入了飞机的整体推进控制，推进系统各装置之间能更好地协调和匹配工作。

例如美国上世纪70年代开始研制的TF一30发动机（装配F-111飞机）的综合推进控制系统（IPCS）。经过～体化设计与控制后，F-111飞机采用了独特的进气道设计，使得F-111获得了优秀的动力性能。F一11l凭借其远程、高速方面的出色表现而衍生发展出多种型号，至今仍是美国空军的主力装备。

从第三代战斗机起，综合推进控制成为飞机提升性能的必备选择，并且随着计算机和发动机技术的进步仍在不断发展之中。

4 结语

回首现代飞机的电子化进程，数字电子控制由低到高、由单-N综合的每个过程都对飞机有很大影响，其进一步发展和完善也必将使发动机控制达到更高更新的水平。随着飞机上驾驶、火控、导航等方面电子控制技术的不断进步，发动机电子控制系统也将日趋成熟。而新型发动机技术的迅猛发展也需要更先进的控制理论与控制技术的支持。

总而言之，航空电子技术在飞机发动机上的应用必将更加广泛而深入，飞机发动机电子控制技术的进步将会使飞机的飞行控制与飞行品质得到前所未有的提升。

参考文献

[1]宋静波.飞机构造基础.航空工业出版社，2011

[2]盛乐山. 现代航空动力装置控制（修订版）.航空工业出版社.2009.7

[3]樊思齐. 航空发动机控制. 西北工业大学出版社，2008

[4]孙建国. 现代航空动力装置控制. 航空工业出版社，2009

作者简介

宋涵（1996-），西北工业大学 动力与能源学院，自动化专业。