航空發(fā)動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)縱論

張玉寶

摘要：航空發(fā)動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)是發(fā)動(dòng)機(jī)的大腦和神經(jīng)系統(tǒng)，控制系統(tǒng)的優(yōu)劣直接關(guān)系到航空發(fā)動(dòng)機(jī)的性能和可靠性。隨著航空技術(shù)的發(fā)展，要求不斷地提高，控制系統(tǒng)也由最初活塞式發(fā)動(dòng)機(jī)改變螺旋槳槳距的轉(zhuǎn)速自動(dòng)調(diào)節(jié)器發(fā)展到燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速、溫度、油量、起動(dòng)、加速等控制系統(tǒng)，以及保證發(fā)動(dòng)機(jī)安全工作的防喘裝置，超溫、超轉(zhuǎn)限制器等。因此，控制系統(tǒng)對(duì)保證發(fā)動(dòng)機(jī)性能和安全都起著關(guān)鍵性的作用。

關(guān)鍵詞：航空;發(fā)動(dòng)機(jī);控制;系統(tǒng)

發(fā)動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)對(duì)于發(fā)動(dòng)機(jī)而言猶如人的大腦對(duì)人體各器官的控制作用，是發(fā)動(dòng)機(jī)的核心部件。航空發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力學(xué)控制技術(shù)的主要目的，是通過對(duì)支承結(jié)構(gòu)和質(zhì)量分布的合理分配，保障發(fā)動(dòng)機(jī)在全轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)無(wú)有害振動(dòng)。飛機(jī)要在不同的高度和速度下飛行，為了在飛行中保持發(fā)動(dòng)機(jī)的給定工作狀態(tài)，或者按照所要求的規(guī)律改變工作狀態(tài)，都必須對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行控制。所有這些只有依靠自動(dòng)控制系統(tǒng)來完成。目前，我國(guó)正在結(jié)合高性能軍用航空發(fā)動(dòng)機(jī)的型號(hào)研制工作，開發(fā)符合中國(guó)國(guó)情的航空發(fā)動(dòng)機(jī)數(shù)控系統(tǒng)，縮短與先進(jìn)國(guó)家的技術(shù)差距，推動(dòng)我國(guó)航空發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)的發(fā)展。

一、發(fā)動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)的基本要求

（一）穩(wěn)定性高。航空發(fā)動(dòng)機(jī)是一種高度復(fù)雜和精密的熱力機(jī)械，為航空器提供飛行所需動(dòng)力的發(fā)動(dòng)機(jī)。作為飛機(jī)的心臟，被譽(yù)為"工業(yè)之花"，它直接影響飛機(jī)的性能、可靠性及經(jīng)濟(jì)性，是一個(gè)國(guó)家科技、工業(yè)和國(guó)防實(shí)力的重要體現(xiàn)。航空發(fā)動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)能夠保障航空器的持續(xù)適航，技術(shù)具備強(qiáng)實(shí)時(shí)性、高穩(wěn)定性及小巧便攜等優(yōu)勢(shì)，能夠在降低監(jiān)測(cè)和診斷設(shè)備成本的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)機(jī)載化的航空發(fā)動(dòng)機(jī)監(jiān)測(cè)與診斷系統(tǒng)的良好運(yùn)行。。但是隨著系統(tǒng)規(guī)模和復(fù)雜程度的不斷提高，基于文檔的系統(tǒng)工程面臨的困難越來越突出，如信息表示不準(zhǔn)確造成歧義、難以從海量文檔中查找所需信息、無(wú)法與其他工程領(lǐng)域的設(shè)計(jì)相銜接（如軟件、機(jī)械、電子等）。于是基于模型的系統(tǒng)工程（MBSE）應(yīng)運(yùn)而生，這也是未來系統(tǒng)工程發(fā)展的必然趨勢(shì)。

（二）精度高。航空發(fā)動(dòng)機(jī)的工作環(huán)境復(fù)雜，工作溫度范圍大（環(huán)境溫度～2000 ℃），導(dǎo)致結(jié)構(gòu)工藝特征參數(shù)和結(jié)構(gòu)特征參數(shù)的變化范圍大，引起發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)振動(dòng)具有非線性時(shí)變特性。同時(shí)，轉(zhuǎn)靜件間隙、支承剛度、同心度、不平衡量分布等動(dòng)力學(xué)參數(shù)和氣動(dòng)流場(chǎng)氣動(dòng)力等，隨發(fā)動(dòng)機(jī)狀態(tài)和溫度場(chǎng)的變化而變化，造成各連接結(jié)構(gòu)部件振動(dòng)傳遞特性相差也較大。在保證發(fā)動(dòng)機(jī)可靠性的前提下，要求發(fā)動(dòng)機(jī)的“壽命長(zhǎng)”。這是發(fā)動(dòng)機(jī)經(jīng)濟(jì)性的另一項(xiàng)指標(biāo)。壽命長(zhǎng)，可以降低使用成本、節(jié)約原材料。此外，還兼顧應(yīng)急放油、消喘防喘、故障診斷及健康管理等功能。而航空發(fā)動(dòng)機(jī)的工作狀態(tài)變化范圍寬，環(huán)境條件變化大，這都給控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)帶來了苛刻的要求。隨著航空發(fā)動(dòng)機(jī)的不斷發(fā)展，航空發(fā)動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)也在不斷發(fā)展。在實(shí)際工程應(yīng)用中，從最初的簡(jiǎn)單機(jī)械控制系統(tǒng)，發(fā)展到目前可以實(shí)現(xiàn)綜合控制的全權(quán)限數(shù)字電子控制系統(tǒng)，同時(shí)又由集中式向分布式發(fā)展。

（三）體積小、重量輕。一般來講，確定發(fā)動(dòng)機(jī)個(gè)數(shù)的首要原則就是重量，輕型飛機(jī)或超輕型飛機(jī)由于起飛重量較小，多采用1～2臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)，而大型飛機(jī)則一般裝有2～4臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)，甚至更多。設(shè)計(jì)飛機(jī)的任何部件，都應(yīng)在滿足使用要求的前提下，盡量減輕其重量。對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)來說，就是要保證足夠大的功率而自重又很輕。衡量發(fā)動(dòng)機(jī)功率大、重量輕的標(biāo)準(zhǔn)是“功率重量比”。即發(fā)動(dòng)機(jī)所發(fā)出的功率與發(fā)動(dòng)機(jī)重量之比值。“功率重量比”越大，表示在有相同功率的情況下，發(fā)動(dòng)機(jī)越輕。發(fā)動(dòng)機(jī)是否省油，是飛機(jī)使用的重要經(jīng)濟(jì)指標(biāo)。評(píng)定發(fā)動(dòng)機(jī)的經(jīng)濟(jì)性，常用“燃油消耗率”作標(biāo)準(zhǔn)?！叭加拖穆省笔侵竼挝还β剩ㄒ慌ｎD或一馬力）在一小時(shí)內(nèi)所消耗油料的重量。燃油消耗率越小，說明發(fā)動(dòng)機(jī)越省油。例如，通過核心技術(shù)可以適當(dāng)減少零件數(shù)目，既減輕了重量又提高了推力，如此有利于提高推重比的整體葉盤自然也不是容易摘得的“明珠”。除了因?yàn)檩啽P和葉片成為一體，鎖緊裝置的減少也是重要原因。航空發(fā)動(dòng)機(jī)對(duì)可靠性的要求極為嚴(yán)苛，簡(jiǎn)化的轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)對(duì)提高可靠性有很大作用。

二、發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)控制技術(shù)分析

（一）全權(quán)限數(shù)字電子控制技術(shù)。發(fā)動(dòng)機(jī)研究和發(fā)展工作的特點(diǎn)是技術(shù)難度大、耗資多、周期長(zhǎng)，發(fā)動(dòng)機(jī)對(duì)飛機(jī)的性能以及飛機(jī)研制的成 敗和進(jìn)度有著決定性的影響，而且發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)具有良好的軍民兩用特性，對(duì)國(guó)防和國(guó)民經(jīng)濟(jì)有重要意義。隨著飛機(jī)、發(fā)動(dòng)機(jī)的發(fā)展，發(fā)動(dòng)機(jī)控制領(lǐng)域的研究成果層出不窮。其中，飛機(jī)-推進(jìn)系統(tǒng)控制一體化技術(shù)、全權(quán)限數(shù)字電子控制（FADEC）技術(shù)等無(wú)疑都代表著當(dāng)前發(fā)動(dòng)機(jī)控制技術(shù)的先進(jìn)水平。通過發(fā)動(dòng)機(jī)一體化設(shè)計(jì)，提供了一個(gè)覆蓋全生命周期的完整的、信息一致且可追溯的系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案，避免各組成部分間的設(shè)計(jì)沖突，降低風(fēng)險(xiǎn)。成熟型號(hào)的知識(shí)是以系統(tǒng)模型的形式表示和存儲(chǔ)的，便于捕獲、查詢、理解和重用，而且重用的級(jí)別可以大幅度提高。具有經(jīng)濟(jì)可承受性的全天候、遠(yuǎn)程、多用途的飛機(jī)設(shè)計(jì)需求，給發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)提出了新的要求，除了具有更高的推重比外，還要求發(fā)動(dòng)機(jī)既要有亞聲速巡航所需的低油耗和良好的巡航效率，又要有跨聲速加速以及超聲速?zèng)_刺所需的大推力。

（二）數(shù)字電子控制技術(shù)。飛機(jī)要在不同的高度和速度下飛行，為了在飛行中保持發(fā)動(dòng)機(jī)的給定工作狀態(tài)，或者按照所要求的規(guī)律改變工作狀態(tài)，都必須對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行控制。所有這些只有依靠自動(dòng)控制系統(tǒng)來完成。要想使航空發(fā)動(dòng)機(jī)獲得更大的推重比，就必須提高發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪前的進(jìn)口溫度，因此對(duì)航空發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室、渦輪葉片等熱端部件的抗高溫能力的要求相應(yīng)提高。航空發(fā)動(dòng)機(jī)被譽(yù)為工業(yè)皇冠上的明珠，有航空器“心臟”的美譽(yù)，目前，我國(guó)航空發(fā)動(dòng)機(jī)整體水平與美、英、俄三巨頭相比存在明顯落差，中國(guó)航空的“心臟病”問題一直是制約我國(guó)自主航空工業(yè)的瓶頸。發(fā)達(dá)國(guó)家都將發(fā)動(dòng)機(jī)數(shù)字電子控制技術(shù)作為航空技術(shù)中的重要內(nèi)容來發(fā)展，花費(fèi)巨資（占發(fā)動(dòng)機(jī)研制費(fèi)25%-34%）研究，以保證航空發(fā)動(dòng)機(jī)工作穩(wěn)定并充分發(fā)揮其性能潛力。在發(fā)動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)工程初期階段，系統(tǒng)產(chǎn)生的信息均以文檔形式描述和記錄。但是隨著系統(tǒng)規(guī)模和復(fù)雜程度的不斷提高，基于文檔的系統(tǒng)工程面臨的困難越來越突出，如信息表示不準(zhǔn)確造成歧義、難以從海量文檔中查找所需信息、無(wú)法與其他工程領(lǐng)域的設(shè)計(jì)相銜接（如軟件、機(jī)械、電子等）。隨著航空技術(shù)的發(fā)展，以航空渦輪起動(dòng)機(jī)為代表的機(jī)載輔助動(dòng)力系統(tǒng)除了要起動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)外，還要承擔(dān)為飛機(jī)上的機(jī)載設(shè)備和座艙提供電源、氣源、液壓源以及應(yīng)急能源等。

三、結(jié)束語(yǔ)

航空工業(yè)是一個(gè)國(guó)家軍用和民用技術(shù)的核心產(chǎn)業(yè)之一，具有用途廣泛，科技含量高，產(chǎn)業(yè)鏈長(zhǎng)，回報(bào)率高的特點(diǎn)，受到了各個(gè)大國(guó)的巨大的重視，而航空發(fā)動(dòng)機(jī)則是航空產(chǎn)品最特殊的一種，被稱為王冠上的珍寶，航空發(fā)動(dòng)機(jī)需要做到輕重量，高推力，低油耗，高可靠，容易維修，長(zhǎng)壽命等要求，開發(fā)制造難度為所有航空部件之最。如今，航空發(fā)動(dòng)機(jī)是制約我國(guó)航空產(chǎn)業(yè)發(fā)展的瓶頸，在強(qiáng)軍目標(biāo)引領(lǐng)下我軍將加速補(bǔ)齊動(dòng)力短板。航空發(fā)動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)的發(fā)展是一個(gè)由單變量控制發(fā)展到多變量控制、由機(jī)械液壓式控制發(fā)展到數(shù)字式電子控制、由獨(dú)立控制發(fā)展到飛發(fā)綜合控制、由集中式控制發(fā)展到分布式控制的過程。

參考文獻(xiàn)：

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