航空小知识

发动机电控就是这么厉害

扔到火里烧,拿出来放到冰里,再从楼上扔下去,接上线就能用

时间:2018年08月27日 10:20   来源:大飞机报
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  从20世纪70年代开始,跟随着电子工业蓬勃发展,航电系统也在高速发展而且整合程度越来越高,也越来越复杂。但是,你知道吗,即便这样,飞机上的电脑运算能力可能还不如一部iPhone。

 

  复杂系统降低飞行员工作压力

  现代飞机的航电系统包括了很多子系统,例如通讯系统,导航系统,电传飞控系统,发动机电控系统,气象雷达,飞行任务管理系统,防撞系统等等。

  在这么多复杂的子系统中,其中最重要的一部分就是电传飞控系统(Fly-by-wire)。

  此前,在不同的飞行高度和速度下,同样的操作会产生非常不同的飞行姿态改变。而安装了电传飞控系统的飞机因为能够将飞行员的操作与飞行控制舵面之间的机械连接断开了,极大地降低了飞行自动化的难度,所以也保证了不管在什么飞行状态,飞行员一样的操作就会产生一样的飞行姿态改变,这同时也极大降低了飞行员的工作压力。例如在盘旋的时候,机载电脑可以算出最优的尾翼舵面角度,干净的进入一个盘旋弧线,降低了飞行阻力。

  在机载电脑中,也有保护程序,它可以保证飞机一直在飞行包线内飞行,而且正常状态下会忽略飞行员极端的操作,例如刚刚起飞就向上拉到底,如果没有这套保护程序,飞机便会失速坠毁。

  其次配合气象雷达,飞控可以算出气流对飞行姿态的影响,用舵面操作来提前补偿,降低甚至消除颠簸。

  因为电传飞控无与伦比的优点,越来越多的飞机开始配置它。

  除了电传飞控以外,还有一个极其重要的电子系统:发动机电控,它最新的版本名字叫全权限电子发动机控制FADEC(Fullauthority Digital Engine Control)。

  FADEC会根据不同的飞行状态和推力需求来调整发动机工况,比如喷油量和压气机定子角度以及部分型号可以在有些工况下对外壳吹冷却气降温。这提高了发动机的寿命,降低了磨损。

  此外FADEC可以储存发动机数据,显示它的健康状况。

  这其实是非常困难的,因为发动机磨损消耗最严重的地方在于高温高压区域,也就是燃烧室和高压涡轮,而这个部位的高温高压给实时测量造成了很大困难,无法长时间可靠的测量数据。所以工程师会将一款发动机的各部位在地面测试台和控制测试台工作特性摸透,然后做个虚拟发动机在FADEC里和真发动机一起运行,然后用一些比较容易测量的数据例如轴转数、进气压力、排气温度来修正虚拟发动机。对发动机的控制命令也同时给真发动机和虚拟发动机。而虚拟发动机的所有数据都是随时随意读取的不需要测量。

  一台商用航发和一台军用航发的FADEC系统大致功能一样,接收从飞行员或者自动飞行系统来的命令调整推力,控制压气机定子角度(绝大多数可以超音速飞行用的发动机还可以通过收敛片调收敛扩张超音速尾喷的几何结构),控制燃油系统,发动机工况显示,以及点火。

  值得一提的是,有一种发动机型号的FADEC是通过燃油来冷却的,因为高空燃油温度比较低,可以有效为FADEC降温,只要还有燃油就可以为其降温,而当燃油耗尽,也就没有必要再控制发动机了。

 

  复杂工况对系统稳定性要求极高

  不仅航电系统功能这么复杂,而且它的工况也同样复杂,因此对系统稳定性健壮性要求极高。想象一下,战斗机在战场上机动躲避导弹,突然飞控电脑宕机重启了,或者载着几百个人的客机刚从机场起飞,飞控宕机了,后果都将不堪设想。

  而战斗机的FADEC更是要健壮到扔到火里烧,然后拿出来放到冰里,再从楼上扔下去,接上线就能用,要经历各种振动测试,而个人电脑在这种振动下5秒钟都活不过。

  其次航电系统还要经历电磁兼容性测试,系统之间不能互相影响。

 

  运算性够用就行

  相较于航电运算性能,其稳定性、安全性和健壮性都更为重要,对于运算性能,飞机上够用就行。

  航电对于飞机的安全性至关重要,这也是为什么当一个型号换了航电单元以后也就失去了适航证,需要再走一遍取证过程的原因。而重新走一遍取证过程,这需要巨量的资金和精力投入,所以在一个型号几十年的生产过程中核心航电系统变化也很小。

  同时,因为一个飞机型号在设计时很有可能选的航电系统是当时的成熟技术,而不是当时最新技术,所以拿当时的成熟技术再加几十年,和几十年后最新的手机电脑运算性能当然是差远了。

  而这又催生了一个生意,在这款飞机生产的后半程,可能很多航电系统供应商已经不生产了,而飞机生产又不能停,因此就有一些人在早期时囤积了很多套系统,等供应商停产以后再以极高价钱卖给飞机制造商。他们可是赚了不少钱。

  原始的航电系统是每一个子系统输出一个数据要个别分给所有需要这个数据的系统,例如静压力数据需要发空速计算单元和飞行高度计算单元等等。

  而现代航电系统进行了模块化改造使用LRU(Line Replaceable Unit)单元,每个单元会把数据输出到数据总线中,再从数据总线中读取自己需要数据。而在LRU在闲置时可以利用自己的运算能力来分担别的LRU的运算任务。

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