航空发动机“大脑”进化简史

好小子

航空发动机控制系统就像人的大脑，负责接收各个传感器信号，进行计算处理，再控制执行机构（发动机）进行操作，它控制着发动机的启动、运行、调节等一系列活动。航空发动机的工作过程是极其复杂的气动热力过程，随着飞行条件和发动机工作状态的变化，发动机特性将发生极大的变化甚至可能出现不稳定的工作情况，如压气机喘振、燃烧室熄火、加力燃烧室振荡等。在飞行包线内，发动机能否稳定可靠地工作并使其性能得到充分发挥，不仅取决于发动机的尖端设计、制造工艺和材料，还离不开“大脑”的控制。航空发动机控制系统是影响飞机和航空发动机研制水平的关键因素之一。
航空发动机控制系统是一个多变量、时变、非线性、多功能的复杂系统，通过对发动机转速、可调导叶角度、喷口面积、排气温度等被控对象的控制，实现对发动机工作状态及性能的调节，满足飞机的飞行需求，此外还兼顾应急放油、消喘防喘、故障诊断及健康管理等功能。航空发动机的工作状态变化范围宽（包含滑跑、起飞、爬高、平飞、加速飞行、减速飞行、下滑以及各种机动飞行），环境条件变化大，例如高空低速飞行、强气流冲击、武器发射等情况都给控制系统的设计带来了苛刻的要求。要保证发动机的高性能稳定工作，航空发动机控制系统设计必须兼顾性能要求、可靠性要求、可维护性要求和重量要求。
要达到性能要求，首先，控制系统设计必须保证系统在任何环境条件下以及受到任何形式的干扰作用时都具有良好的稳定性；其次要具备良好的动态性能，这意味着系统响应要快、超调小、振荡少，由一种工作状态到另一种工作状态的过渡态控制，过渡时间要短，并且平稳可靠；第三，系统必须要有足够高的控制精度。例如，在保持发动机其他参数不变时，发动机转速降低1%，推力将减小3%，对于最大推力为49kN的发动机，便相当于减小了1.47kN的推力，失之毫厘差之千里，因此，精度对发动机稳态性能的充分发挥和工作安全可靠尤为重要。
可靠性是指系统及组成系统的元件和部件的功能在规定的时间内工作的稳定程度，也就是在规定的时间内，系统、元件、部件是否处于良好的工作状态，任何一个系统如果不具有可靠性或可靠性很差都是无法使用的。特别是在航空航天领域内，极其微小的故障也会带来灾难性的后果。美国“挑战者”号航天飞机空中爆炸，欧洲“阿利亚娜”号火箭发射失败，以及世界各国飞机的飞行事故都说明了系统可靠性的重要。只有成功地解决了可靠性问题，才能避免事故的发生。
不具备良好的可维护性实际上是降低了产品的使用寿命，增加了维护成本，对于昂贵的发动机，经济损失是巨大的。因此，可维护性也是航空发动机控制系统设计的重要要求之一，控制系统设计时必须考虑到在外场使用时便于检查，在返修时便于分解，便于对有故障零部件和老化零部件的更换，便于重新安装与调试。发动机状态监控与故障诊断实际上是对维护性的重大发展。
推重比是发动机最重要的性能指标，而作为航空发动机的一部分，控制系统的重量自然是越轻越好，因此，控制系统设计时应选择性能好的轻质元器件和材料，同时，控制系统结构也应尽可能简单。
航空发动机控制系统的研制需要经过方案拟定、航空发动机数学模型研究、控制软件研究、硬件设计、控制系统仿真试验、台架试验、高空台试验、飞行试验等各个阶段的研究，最后才能对所设计的控制系统进行评估。其中每一阶段都需要进行大量的工作。在可靠性要求的实现方面必须经过可靠性设计、元部件可靠性试验及系统可靠性试验等。总之，这是一项庞大的系统工程，涉及许多研究机构、从事各方面工作的研究人员以及他们协调一致的工作，从开始研制到投入使用往往需要几年，乃至十几年的时间。
随着航空发动机的不断发展，航空发动机控制系统也在不断发展。从20世纪40年代喷气式发动机诞生开始，发动机控制系统历经70多年的发展历程，从控制方法和理论上，由基于经典控制理论的单变量控制系统发展到基于现代控制理论的多变量控制系统。在实际的工程应用中，从最初的简单机械控制系统，发展到目前可以实现综合控制的全权限数字电子控制系统，同时又由集中式向分布式发展。从控制方式角度，可将发动机控制系统大致划分为四个阶段——机械液压控制系统、“机械液压+模拟电子”控制系统、全权限数字电子控制系统、综合控制系统等四个阶段。
20世纪40年代到60年代末，航空发动机主要采用机械液压控制系统，主要由燃油泵、机械计算装置、机械执行机构等构成，其功能从最初的单变量控制发展到能够实现转速、导叶角度、喷口面积等多变量控制。机械液压控制系统具有工作可靠、抗干扰能力强等优点，但也存在结构复杂、机械加工精度要求高、体积及重量大、无法实现复杂运算功能等缺点， 随着对发动机控制系统功能需求的提高，机械液压控制系统的不足逐渐凸显。
机械液压式控制器在实现航空发动机单变量控制中具有一定的优越性。但是，现代航空发动机要求控制更多的参数（变量），以提高其性能，若仍利用机械液压式控制器实现多变量控制，其结构将十分复杂，并且无法实现多回路解耦控制，也无法实现现代控制理论中各种复杂的控制方法。20世纪70年代开始，模拟电子技术被引入航空发动机控制领域，用模拟电子控制器代替原有的机械液压计算装置，这一阶段多采用“机械液压+模拟电子”混合控制，以提高系统的工作可靠性。由于数字电子技术更具优势，欧美等国同时也开展了数控技术的研究，最终决定将数控制技术作为主要发展方向，于是模拟电子控制技术仅仅成为了一个过渡阶段。
20世纪70年代初，欧美等国便已开始发展发动机数字电子控制技术。经过30多年的发展，由最初的单通道带机械液压备份的数字电子控制系统发展为FADEC（Full Authority Digital Engine Control）全权限数字电子控制系统。全权限数字电子控制系统主要由数字电子控制器、燃油泵、机械液压执行机构、发动机载传感器等组成，数字电子控制器通过传感器采集转速、温度、压力等发动机参数，以及燃油计量活门开度、导向叶片角度、喷口面积等控制变量，控制软件实现发动机控制规律，机械液压装置仅作为控制系统的执行机构。全权限数字电子控制系统具有体积小、重量轻，能够实现复杂控制规律等优点，是目前欧美等国军、民用航空发动机基本配置。
随着数字电子控制技术的不断成熟，双通道全权限数字电子控制系统已经成为国际主流航空发动机的标准配置，具备多通道设计、系统自检测功能、自适应控制、发动机健康管理、控制系统故障重构、高性能计算及数据存储、传感器自我诊断等能力，系统可靠性、安全性进一步提高，同时可实现发动机、飞机综合控制，提升飞机性能，降低发动机油耗。
全权限数字电子控制是航空发动机控制技术发展的必然趋势，世界航空技术强国通过几十年的发展，已经取得了长足进步，开发出了技术先进、安全可靠的产品，并朝着分布式控制、飞发综合控制等方向发展。目前，我国正在结合高性能军用航空发动机的型号研制工作，开发符合中国国情的航空发动机数控系统，缩短与先进国家的技术差距，推动我国航空发动机技术的发展。
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