Введение

Компьютер, используемый для управления двигателем в авиакосмической технике. Система полного цифрового управления двигателем (FADEC) представляет собой систему, состоящую из цифрового компьютера, называемого "электронным контроллером двигателя" (EEC) или "блоком управления двигателем" (ECU), и связанных с ним компонентов, которые управляют всеми аспектами работы авиационного двигателя. FADEC разрабатывались как для поршневых, так и для реактивных двигателей.

История

Цель любой системы управления двигателем – обеспечить максимальную эффективность работы двигателя в заданных условиях. Изначально системы управления двигателем состояли из простых механических связей, физически соединенных с двигателем. Перемещая эти рычаги, пилот или инженер-полетчик мог управлять подачей топлива, мощностью и многими другими параметрами двигателя. Механический/гидравлический блок управления двигателем Kommandogerät для немецкого поршневого авиационного радиального двигателя BMW 801 времен Второй мировой войны был лишь одним из примеров этого на более поздних этапах развития. Этот механический контроль двигателя постепенно заменялся сначала аналоговым электронным управлением, а затем – цифровым управлением. Аналоговое электронное управление изменяет электрический сигнал для передачи требуемых настроек двигателя. Система была очевидным улучшением по сравнению с механическим управлением, но имела свои недостатки, включая распространенные электронные помехи и проблемы с надежностью. В 1960-х годах было применено аналоговое управление с полной ответственностью, и оно было внедрено в качестве компонента двигателя Rolls Royce/Snecma Olympus 593 сверхзвукового транспортного самолета Concorde. Однако более критичное управление воздухозаборником было цифровым на серийных самолетах. Затем последовало цифровое электронное управление. В 1968 году компании Rolls Royce и Elliott Automation совместно с Национальным центром газотурбинных установок работали над цифровой системой управления двигателем, которая отработала несколько сотен часов на двигателе Rolls Royce Olympus Mk 320. В 1970-х годах NASA и Pratt & Whitney экспериментировали со своим первым экспериментальным FADEC, который впервые был испытан на F-111, оснащенном сильно модифицированным левым двигателем Pratt & Whitney TF30. Эти 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 – первым коммерческим двигателем с "двойным" FADEC. Первым FADEC, поступившим в эксплуатацию, стал двигатель Rolls Royce Pegasus, разработанный для Harrier II компаниями Dowty и Smiths Industries Controls.

Функция

Истинные цифровые системы управления двигателем с полным авторитетом не имеют никакой формы ручного переопределения или ручного управления, передавая полный контроль над всеми рабочими параметрами двигателя компьютеру. В случае полного отказа FADEC двигатель останавливается. Если двигатель управляется цифровым и электронным способом, но допускает ручное вмешательство, он считается EEC или ECU. EEC, хотя и является компонентом FADEC, сам по себе не является FADEC. В автономном режиме EEC принимает все решения до тех пор, пока пилот не решит вмешаться. Термин FADEC часто неправильно используется для обозначения систем частичного цифрового управления двигателем, например, тех, которые электронно управляют только подачей топлива и зажиганием. Для соответствия определению FADEC турбопоршневому двигателю требуется цифровое управление всем потоком воздуха на впуске. FADEC функционирует, получая множество входных данных о текущих условиях полета, включая плотность воздуха, положение запроса мощности, температуры двигателя, давление в двигателе и многие другие параметры. EEC получает эти данные и анализирует их до 70 раз в секунду. На основе этих данных вычисляются рабочие параметры двигателя, такие как расход топлива, положение статора, положение клапана сброса воздуха и другие, и применяются соответствующим образом. FADEC также управляет запуском и перезапуском двигателя. Основная задача FADEC – обеспечить оптимальную эффективность двигателя в заданных условиях полета. FADEC не только обеспечивает эффективную работу двигателя, но и позволяет производителю программировать ограничения двигателя и получать отчеты о его состоянии и техническом обслуживании. Например, чтобы избежать превышения определенной температуры двигателя, FADEC может быть запрограммирован на автоматическое принятие необходимых мер без вмешательства пилота.

Безопасность

Поскольку работа двигателей основана на автоматизации, безопасность вызывает серьезные опасения. Резервирование обеспечивается за счет двух или более отдельных, но идентичных цифровых каналов. Каждый канал способен выполнять все функции двигателя без ограничений. FADEC также контролирует множество данных, поступающих от подсистем двигателя и связанных с ними систем самолета, обеспечивая отказоустойчивое управление. Проблемы с управлением двигателем, одновременно приводящие к потере тяги на до трех двигателях, были названы причиной крушения самолета Airbus A400M в Севилье, Испания, 9 мая 2015 года. Главный операционный директор Airbus Марван Лахуд 29 мая подтвердил, что причиной трагического крушения стала неправильно установленная программа управления двигателем. "Конструктивных дефектов [в самолете] нет, но у нас есть серьезная проблема с качеством на этапе окончательной сборки."

Приложения

Типичный полет гражданского транспортного самолета может проиллюстрировать работу системы FADEC. Пилоты сначала вводят данные о полете, такие как условия ветра, длина взлетно-посадочной полосы или эшелон крейсерского полета, в систему управления полетом (FMS). FMS использует эти данные для расчета режимов работы двигателей на различных этапах полета. При взлете пилоты переводят рычаг управления двигателем в заранее установленное положение или используют автоматический режим тяги, если он доступен. FADEC теперь реализует рассчитанную тягу для взлета, отправляя электронный сигнал на двигатели; прямой механической связи с регулировкой подачи топлива нет. Эта процедура может быть повторена на любом этапе полета. В полете постоянно вносятся небольшие корректировки для поддержания эффективности. Максимальная тяга доступна в аварийных ситуациях при полном отклонении рычага управления двигателем, однако установленные ограничения не могут быть превышены; пилоты не имеют возможности вручную отменить работу FADEC.

Требования

Для проектирования, изготовления, монтажа и обслуживания датчиков, измеряющих и передающих параметры полета и работы двигателя в систему управления, необходимо применять инженерные процессы. Формальные процессы системной инженерии часто используются при проектировании, реализации и тестировании программного обеспечения, применяемого в этих системах управления, критичных для безопасности. Это требование привело к разработке и использованию специализированного программного обеспечения, такого как инструменты системной инженерии, основанной на моделировании (MBSE). Платформа разработки приложений SCADE (от Ansys) (не следует путать с категорией приложений SCADA) является примером инструмента MBSE и применялась при разработке систем FADEC.

Исследования

НАСА проанализировало распределенную архитектуру FADEC вместо существующей централизованной, специально для вертолетов. Распределенная архитектура, вероятно, обеспечит большую гибкость и снизит затраты жизненного цикла.