Цифровой двигатель полный орган (или электроника ) управления (FADEC) представляет собой систему , состоящую из цифрового компьютера, называемый «электронный контроллер двигателя» (ЕЭС) или « блок управления двигателем » (ECU), и связанные с ним аксессуары , которые контролируют все аспекты характеристик авиационного двигателя. FADEC производятся как для поршневых, так и для реактивных двигателей . [1]
История
Цель любой системы управления двигателем - позволить двигателю работать с максимальной эффективностью в заданных условиях. Первоначально системы управления двигателем состояли из простых механических рычагов, физически связанных с двигателем. Перемещая эти рычаги, пилот или бортинженер могли контролировать расход топлива, выходную мощность и многие другие параметры двигателя. Блок управления механическим / гидравлическим двигателем Kommandogerät для поршневого авиационного радиального двигателя BMW 801 в Германии времен Второй мировой войны был лишь одним из ярких примеров этого на более поздних этапах разработки. [2] Это механическое управление двигателем постепенно заменялось сначала аналоговым электронным управлением двигателем, а затем цифровым управлением двигателем.
Аналоговое электронное управление изменяет электрический сигнал для передачи желаемых настроек двигателя. Система была очевидным улучшением по сравнению с механическим управлением, но имела свои недостатки, в том числе общие электронные шумовые помехи и проблемы с надежностью. Полноценное аналоговое управление использовалось в 1960-х годах и было введено в качестве компонента двигателя Rolls-Royce / Snecma Olympus 593 сверхзвукового транспортного самолета Concorde . [3] Однако на серийных самолетах наиболее критичным было управление воздухозаборником. [4]
Затем последовало цифровое электронное управление. В 1968 году Rolls-Royce и Elliott Automation совместно с National Gas Turbine Establishment работали над цифровой системой управления двигателем, которая отработала несколько сотен часов на Rolls-Royce Olympus Mk 320. [5] В 1970-х годах НАСА и Пратт и Уитни экспериментировали со своим первым экспериментальным FADEC, впервые летавшим на F-111, оснащенном сильно модифицированным левым двигателем Pratt & Whitney TF30 . Эксперименты привели к тому, что Pratt & Whitney F100 и Pratt & Whitney PW2000 стали первыми двигателями для военного и гражданского назначения, соответственно, оснащенными FADEC, а позже Pratt & Whitney PW4000 в качестве первого коммерческого двигателя с двойным FADEC. Первым в эксплуатации FADEC был двигатель Rolls-Royce Pegasus, разработанный для Harrier II компаниями Dowty and Smiths Industries Controls . [6]
Функция
Настоящие полноправные цифровые органы управления двигателем не имеют возможности ручного управления, передавая полную власть над рабочими параметрами двигателя в руки компьютера. Если происходит полный отказ FADEC, двигатель выходит из строя. Если двигатель управляется цифровым и электронным способом, но допускает ручное управление, он считается исключительно EEC или ECU . EEC, хотя и является компонентом FADEC, сам по себе не является FADEC. В одиночестве EEC принимает все решения до тех пор, пока пилот не пожелает вмешаться.
FADEC работает, получая несколько входных переменных текущего состояния полета, включая плотность воздуха , положение рычага дроссельной заслонки, температуру двигателя, давление в двигателе и многие другие параметры. Входные данные принимаются EEC и анализируются до 70 раз в секунду. Рабочие параметры двигателя, такие как расход топлива, положение лопаток статора, положение клапана стравливания воздуха и другие, вычисляются на основе этих данных и применяются соответствующим образом. FADEC также управляет запуском и перезапуском двигателя. Основная цель FADEC - обеспечить оптимальную эффективность двигателя для заданных условий полета.
FADEC не только обеспечивает эффективную работу двигателя, но и позволяет производителю программировать ограничения двигателя и получать отчеты о состоянии двигателя и техническом обслуживании. Например, чтобы избежать превышения определенной температуры двигателя, FADEC можно запрограммировать на автоматическое принятие необходимых мер без вмешательства пилота.
Безопасность
Поскольку работа двигателей в значительной степени зависит от автоматизации, безопасность вызывает серьезную озабоченность. Резервирование обеспечивается в виде двух или более отдельных, но идентичных цифровых каналов. Каждый канал может без ограничений обеспечивать все функции двигателя. FADEC также отслеживает различные данные, поступающие от подсистем двигателя и связанных систем самолета, обеспечивая отказоустойчивое управление двигателем.
Проблемы с управлением двигателем, одновременно вызывающие потерю тяги до трех двигателей, были названы причиной крушения самолета Airbus A400M в Севилье, Испания, 9 мая 2015 года . Директор по стратегии Airbus Марван Лахуд подтвердил 29 мая, что некорректно установленное программное обеспечение для управления двигателем привело к фатальной аварии. «Конструктивных дефектов [самолета] нет, но у нас есть серьезные проблемы с качеством окончательной сборки». [7]
Приложения
Типичный полет гражданского транспортного самолета может иллюстрировать функцию FADEC. Летный экипаж сначала вводит в систему управления полетом (FMS) данные полета, такие как ветровые условия, длина взлетно-посадочной полосы или крейсерская высота . FMS использует эти данные для расчета параметров мощности для различных фаз полета. При взлете летный экипаж переводит дроссельную заслонку на заранее заданное значение или выбирает автоматический взлет, если таковой имеется. Теперь FADEC применяют расчетную настройку взлетной тяги, посылая на двигатели электронный сигнал; нет прямой связи с открытым потоком топлива. Эту процедуру можно повторить для любого другого этапа полета. [ необходима цитата ]
В полете для поддержания эффективности постоянно вносятся небольшие изменения в работу. Максимальная тяга доступна для аварийных ситуаций, если дроссельная заслонка выдвинута на полную, но ограничения не могут быть превышены; у летного экипажа нет средств ручной отмены FADEC. [ необходима цитата ]
Преимущества
- Лучшая топливная эффективность
- Автоматическая защита двигателя от недопустимых операций
- Более безопасный, поскольку многоканальный компьютер FADEC обеспечивает резервирование в случае отказа
- Беззаботное обращение с двигателем с гарантированными настройками тяги
- Возможность использования однодвигательного типа для широких требований по тяговому усилию путем простого перепрограммирования FADEC.
- Обеспечивает полуавтоматический запуск двигателя
- Лучшая системная интеграция с системами двигателя и самолета
- Обеспечивает долгосрочный мониторинг и диагностику состояния двигателя.
- Количество внешних и внутренних параметров, используемых в процессах управления, увеличивается на порядок.
- Уменьшает количество параметров, которые должны контролировать летные экипажи
- Из-за большого количества контролируемых параметров FADEC делает возможными "отказоустойчивые системы" (где система может работать в пределах требуемой надежности и безопасности с определенными конфигурациями отказов)
- Снижает вес
Недостатки
- Полноценные цифровые органы управления двигателем не имеют возможности ручного управления, передавая полную власть над рабочими параметрами двигателя в руки компьютера. (смотрите примечание)
- Если происходит полный отказ FADEC, двигатель выходит из строя. (смотрите примечание)
- После полного отказа FADEC у пилотов нет ручного управления перезапуском двигателя, дроссельной заслонкой или другими функциями. (смотрите примечание)
- Риск возникновения единой точки отказа может быть уменьшен с помощью резервных FADEC (при условии, что отказ является случайным отказом оборудования, а не результатом ошибки конструкции или изготовления, которая может вызвать идентичные отказы во всех идентичных резервных компонентах). (смотрите примечание)
- Высокая сложность системы по сравнению с гидромеханическими, аналоговыми или ручными системами управления.
- Высокие усилия по разработке и проверке системы из-за сложности
- В то время как в кризисных ситуациях (например, при неизбежном контакте с землей) двигатель, не относящийся к FADEC, может производить тягу, значительно превышающую его номинальную, двигатель FADEC всегда будет работать в пределах своих возможностей. (смотрите примечание)
Примечание. Большинство современных авиационных двигателей, управляемых FADEC (особенно турбовальных), могут быть отключены и переведены в ручной режим, что эффективно устраняет большинство недостатков из этого списка. Пилоты должны хорошо знать, где находится их ручное управление, потому что непреднамеренное включение ручного режима может привести к превышению скорости двигателя.
Требования
- Технические процессы должны использоваться для проектирования, изготовления, установки и обслуживания датчиков, которые измеряют и сообщают параметры полета и двигателя самой системе управления.
- Формальные процессы системного проектирования часто используются при проектировании, внедрении и тестировании программного обеспечения, используемого в этих критически важных для безопасности системах управления. Это требование привело к разработке и использованию специализированного программного обеспечения, такого как инструменты системного проектирования на основе моделей (MBSE). Набор инструментов для разработки приложений SCADE (от Esterel Technologies ) (не путать с категорией приложений SCADA ) является примером инструмента MBSE и использовался как часть разработки систем FADEC.
Исследовать
НАСА проанализировало распределенную архитектуру FADEC, а не нынешнюю централизованную, особенно для вертолетов. Вероятными преимуществами распространения являются большая гибкость и более низкие затраты на жизненный цикл. [8]
Смотрите также
Рекомендации
- ^ «Глава 6: Авиационные системы» (PDF) . Справочник пилота по аэронавигационным знаниям . Федеральное управление гражданской авиации . 2008. С. 6–19. Архивировано из оригинального (PDF) 10 декабря 2013 года . Проверено 18 декабря 2013 .
- ^ Ганстон, Билл (1989). Всемирная энциклопедия авиационных двигателей . Кембридж, Великобритания: Patrick Stephens Ltd. стр. 26. ISBN 1-85260-163-9.
- ^ Пратт, Роджер В. (2000). Системы управления полетом: практические вопросы проектирования и внедрения . Институт инженеров-электриков. п. 12. ISBN 0852967667.
- ^ Оуэн, Кеннет (2001). Конкорд: История сверхзвукового пионера . Музей науки. п. 69. ISBN. 978-1-900747-42-4.
- ^ «1968 | 2110 | Летный архив» .
- ^ Gunston (1990) Avionics: история и технология авиационной электроники Патрик Stephens Ltd, Wellingborough Великобритании. [ требуется страница ] , ISBN 1-85260-133-7 .
- ^ Чиргвин, Ричард (31 мая 2015 г.). «Airbus подтверждает, что программное обеспечение сбило транспортный самолет A400M» . Регистр . Проверено 20 февраля 2016 .
- ^ «Распределенное управление двигателем» (PDF) . Nasa.gov .
- «Safran Electronics Canada: FADEC и EEC» . Архивировано из оригинала на 2013-01-15 . Проверено 30 апреля 2010 .
- "Hispano-Suiza: Цифровое управление двигателем" . Архивировано из оригинала на 2007-09-28 . Проверено 9 марта 2007 .
- Морен, Чак. Интервью со студентом. FADEC. Авиационный университет Эмбри-Риддла , Дейтона-Бич. 2007-03-13.
- Название 14 CFR: Федеральные авиационные правила . FAA . 2007-03-10.
Внешние ссылки
- Харриер летает на Пегасе с цифровым управлением - статья 1982 года вжурнале Flight International
- Двигатели с активным управлением Статья Flight International 1988 годао двигателях FADEC