ФАДЕК
Полноправное двигателем (или электроникой ) цифровое управление ( FADEC ) — это система, состоящая из цифрового компьютера, называемого «электронным контроллером двигателя» (EEC) или « блоком управления двигателем » (ECU), и связанных с ним аксессуаров, которые контролируют все аспекты. характеристик авиационных двигателей. FADEC производятся как для поршневых, так и для реактивных двигателей . [1]
История
[ редактировать ]Целью любой системы управления двигателем является обеспечение максимальной эффективности работы двигателя в заданных условиях. Первоначально системы управления двигателем состояли из простых механических связей, физически соединенных с двигателем. Перемещая эти рычаги, пилот или бортинженер мог контролировать расход топлива, выходную мощность и многие другие параметры двигателя. для Механический/гидравлический блок управления двигателем Kommandogerät немецкого поршневого авиационного радиального двигателя BMW 801 времен Второй мировой войны был лишь одним ярким примером этого на более поздних стадиях разработки. [2] Это механическое управление двигателем постепенно было заменено сначала аналоговым электронным управлением двигателем, а затем и цифровым управлением двигателем.
Аналоговое электронное управление изменяет электрический сигнал для передачи желаемых настроек двигателя. Система представляла собой явное улучшение по сравнению с механическим управлением, но имела свои недостатки, в том числе общие электронные шумовые помехи и проблемы с надежностью. Полное аналоговое управление было использовано в 1960-х годах и внедрено в качестве компонента двигателя Rolls-Royce/Snecma Olympus 593 сверхзвукового транспортного самолета Concorde . [3] Однако на серийных самолетах наиболее важным впускным устройством было цифровое управление. [4]
Затем последовало цифровое электронное управление. В 1968 году компании Rolls-Royce и Elliott Automation совместно с National Gas Turbine Estate работали над цифровой системой управления двигателем, отработавшей 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 полетевшим 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 военными и гражданскими двигателями соответственно, оснащенными FADEC, а позже Pratt & Whitney PW4000 стал первым коммерческим двигателем с «двойным FADEC». Первым FADEC, находящимся на вооружении, был двигатель Rolls-Royce Pegasus, разработанный для Harrier II компаниями Dowty и Smiths Industries Controls . [6]
Функция
[ редактировать ] |
Настоящие цифровые органы управления двигателем с полным контролем не имеют ни ручного управления, ни ручного управления, что передает полный контроль над всеми 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 EEC или ECU . EEC, хотя и является компонентом FADEC, сам по себе не является FADEC. В одиночку EEC принимает все решения до тех пор, пока пилот не захочет вмешаться. Термин FADEC часто неправильно используется для обозначения частичного цифрового управления двигателем, например, управления только электронным управлением подачей топлива и зажиганием. Поршневой двигатель с турбонаддувом потребует цифрового управления всем потоком всасываемого воздуха, чтобы соответствовать определению FADEC.
FADEC работает, получая несколько входных переменных текущих условий полета, включая плотность воздуха , положение рычага мощности, 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, рассчитываются на основе этих данных и применяются соответствующим образом. FADEC также контролирует запуск и повторный запуск двигателя. Основная цель FADEC — обеспечить оптимальную эффективность двигателя для заданных условий полета.
FADEC не только обеспечивает эффективную работу двигателя, но также позволяет производителю программировать ограничения двигателя и получать отчеты о состоянии и техническом обслуживании двигателя. Например, чтобы избежать превышения определенной температуры двигателя, FADEC можно запрограммировать на автоматическое принятие необходимых мер без вмешательства пилота.
Безопасность
[ редактировать ]Поскольку работа двигателей зависит от автоматизации, безопасность вызывает серьезную озабоченность. Резервирование обеспечивается в виде двух и более отдельных, но идентичных цифровых каналов. Каждый канал может обеспечивать все функции двигателя без ограничений. FADEC также отслеживает различные данные, поступающие от подсистем двигателя и связанных с ним систем самолета, обеспечивая отказоустойчивое управление двигателем.
Проблемы с управлением двигателем, одновременно вызывающие потерю тяги 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 причиной фатальной катастрофы стала неправильно установленная программа управления двигателем. «Конструктивных дефектов [самолета] нет, но у нас есть серьезная проблема с качеством окончательной сборки». [7]
Приложения
[ редактировать ] |
Типичный полет гражданского транспортного самолета может проиллюстрировать функцию FADEC. Летный экипаж сначала вводит данные полета, такие как ветровые условия, длина взлетно-посадочной полосы или крейсерская высота, в систему управления полетом (FMS). FMS использует эти данные для расчета настроек мощности для разных этапов полета. При взлете летный экипаж переводит рычаг мощности в заданное положение или выбирает взлет с автоматическим дросселем, если таковой имеется. Теперь FADEC применяет расчетную настройку взлетной тяги, отправляя электронный сигнал двигателям; прямой связи с открытием потока топлива нет. Эту процедуру можно повторить для любого другого этапа полета. [ нужна ссылка ]
В полете постоянно вносятся небольшие изменения в работу для поддержания эффективности. Максимальная тяга доступна в аварийных ситуациях, если рычаг мощности выдвинут до упора, но ограничения не могут быть превышены; летный экипаж не имеет возможности вручную отключить FADEC. [ нужна ссылка ]
Преимущества
[ редактировать ] |
- Автоматическая защита двигателя от недопустимых операций
- Безопаснее, поскольку многоканальный компьютер FADEC обеспечивает резервирование в случае сбоя.
- Беззаботное обращение с двигателем, гарантированные тяги настройки
- Возможность использовать один тип двигателя для широких требований к тяге путем простого перепрограммирования FADEC.
- Обеспечивает полуавтоматический запуск двигателя.
- Обеспечивает управление на высоких оборотах холостого хода, подходящее для прогрева поршневого двигателя.
- Улучшенная интеграция систем с двигателями и системами самолета.
- Может обеспечить долгосрочный мониторинг и диагностику состояния двигателя.
- Количество внешних и внутренних параметров, используемых в процессах управления, увеличивается на порядок.
- Уменьшает количество параметров, контролируемых летными экипажами.
- Благодаря большому количеству контролируемых параметров FADEC обеспечивает создание «отказоустойчивых систем» (где система может работать в пределах требуемых ограничений надежности и безопасности с определенными конфигурациями неисправностей).
Недостатки
[ редактировать ] |
- Полноправное цифровое управление двигателем не имеет возможности ручного управления, что передает полный контроль над рабочими параметрами двигателя в руки компьютера. (см. примечание)
- Если происходит полный отказ FADEC, двигатель выходит из строя. (см. примечание)
- В случае полного отказа FADEC у пилотов нет ручного управления перезапуском двигателя, дроссельной заслонкой или другими функциями. (см. примечание)
- Риск единой точки отказа можно снизить с помощью резервных FADEC (при условии, что отказ является случайным отказом оборудования, а не результатом проектной или производственной ошибки, которая может вызвать одинаковые отказы во всех идентичных резервных компонентах). (см. примечание)
- Высокая сложность системы по сравнению с гидромеханическими, аналоговыми или ручными системами управления.
- Большие затраты на разработку и проверку системы из-за сложности
- В то время как в кризисной ситуации (например, при неизбежном контакте с землей) двигатель без FADEC может развивать тягу, значительно превышающую его номинальную, двигатель FADEC всегда будет работать в своих пределах. (см. примечание)
Примечание. Большинство современных авиационных двигателей, управляемых FADEC (особенно турбовальных), можно отключить и перевести в ручной режим, что эффективно устраняет большинство недостатков из этого списка. Пилотам следует хорошо знать, где находится их ручное управление, поскольку непреднамеренное включение ручного режима может привести к превышению скорости двигателя. [ противоречивый ]
Требования
[ редактировать ] |
- Инженерные процессы должны использоваться для проектирования, производства, установки и обслуживания датчиков, которые измеряют и сообщают параметры полета и двигателя в саму систему 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 разработки приложений SCADE (от Ansys ) (не путать с категорией приложений SCADA ) является примером инструмента MBSE и использовался как часть разработки систем FADEC.
Исследовать
[ редактировать ]НАСА проанализировало распределенную архитектуру FADEC, а не нынешнюю централизованную, особенно для вертолетов . Большая гибкость и более низкие затраты жизненного цикла, вероятно, являются преимуществами распределения. [8]
См. также
[ редактировать ]Ссылки
[ редактировать ]- ^ «Глава 6: Авиационные системы» (PDF) . Справочник пилота по авиационным знаниям . Федеральное управление гражданской авиации . 2008. стр. 6–19. Архивировано из оригинала (PDF) 10 декабря 2013 г. Проверено 18 декабря 2013 г.
- ^ Ганстон, Билл (1989). Всемирная энциклопедия авиационных двигателей . Кембридж, Великобритания: Патрик Стивенс Лтд., с. 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 пионера сверхзвуковых технологий . Музей науки. п. 69. ИСБН 978-1-900747-42-4 .
- ^ «1968 | 2110 | Архив полётов» .
- ^ Ганстон (1990) Авионика: история и технологии авиационной электроники Патрик Стивенс Лтд., Веллингборо, Великобритания. [ нужна страница ] , ISBN 1-85260-133-7 .
- ^ Чиргвин, Ричард (31 мая 2015 г.). «Airbus подтверждает, что программное обеспечение сбило транспортный самолет А400М» . Регистр . Проверено 20 февраля 2016 г.
- ^ «Распределенное управление двигателем» (PDF) . НАСА.gov . Архивировано из оригинала (PDF) 22 декабря 2016 г.
- «Safran Electronics Canada: FADEC и EEC» . Архивировано из оригинала 15 января 2013 г. Проверено 30 апреля 2010 г.
- «Hispano-Suiza: цифровое управление двигателем» . Архивировано из оригинала 28 сентября 2007 г. Проверено 9 марта 2007 г.
- Морен, Чак. Интервью со студентом. ФАДЕК. Университет аэронавтики Эмбри-Риддл , Дейтона-Бич. 13 марта 2007 г.
- Раздел 14 CFR: Федеральные авиационные правила . ФАА . 10 марта 2007 г.
Внешние ссылки
[ редактировать ]- Харриер летает на Пегасе с цифровым управлением - статья 1982 года в Flight International . журнале
- Двигатели с активным управлением: 1988 года статья Flight International о двигателях FADEC.