Полноценное цифровое управление двигателем (или электроника ) ( FADEC ) представляет собой систему, состоящую из цифрового компьютера, называемого «электронным контроллером двигателя» (EEC) или « блоком управления двигателем » (ECU), и связанных с ним аксессуаров, которые управляют всеми аспектами работы двигателя самолета. FADEC были разработаны как для поршневых, так и для реактивных двигателей . [1]
Цель любой системы управления двигателем — обеспечить максимальную эффективность двигателя при заданных условиях. Первоначально системы управления двигателем состояли из простых механических связей, физически соединенных с двигателем. Перемещая эти рычаги, пилот или бортинженер могли управлять расходом топлива, выходной мощностью и многими другими параметрами двигателя. Механико-гидравлический блок управления двигателем Kommandogerät для немецкого поршневого авиационного радиального двигателя BMW 801 времен Второй мировой войны был лишь одним из ярких примеров этого на более поздних стадиях его 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, включая общие помехи от электронных шумов и проблемы с надежностью. Полное аналоговое управление использовалось в 1960-х годах и было представлено как компонент двигателя Rolls-Royce/Snecma Olympus 593 сверхзвукового транспортного самолета Concorde . [3] Однако более критически важным управлением впускным отверстием было цифровое на серийном самолете. [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 NASA и Pratt and Whitney экспериментировали со своей первой экспериментальной FADEC, впервые запущенной 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 позднее Pratt & Whitney PW4000 стал первым коммерческим двигателем с «двойным FADEC». Первым FADEC, находящимся в эксплуатации, был двигатель Rolls-Royce Pegasus, разработанный для Harrier II компаниями Dowty и Smiths Industries Controls . [6]
Настоящие полнофункциональные цифровые элементы управления двигателем не имеют формы ручного управления или ручного управления, что дает полную власть 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. Когда он стоит отдельно, EEC принимает все решения, пока пилот не захочет вмешаться. Термин FADEC часто неправильно используется для частичного цифрового управления двигателем, например, тех, которые управляют только электронным способом 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 запроса рычага мощности, температуру двигателя, давление двигателя 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 отбора воздуха и другие, вычисляются из этих данных и применяются по мере необходимости. FADEC также управляет запуском и повторным запуском 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 и техническом обслуживании двигателя. Например, чтобы избежать превышения определенной температуры двигателя, FADEC можно запрограммировать на автоматическое принятие необходимых мер без вмешательства пилота.
Поскольку работа двигателей зависит от автоматизации, безопасность является большой проблемой. Резервирование обеспечивается в виде двух или 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 вызвавшие потерю тяги на трех двигателях, были названы причиной крушения самолета Airbus A400M в Севилье, Испания, 9 мая 2015 года . Главный стратегический директор Airbus Марван Лахуд подтвердил 29 мая, что неправильно установленное программное обеспечение управления двигателем стало причиной фатальной катастрофы. «Нет никаких структурных дефектов [у самолета], но у нас есть серьезная проблема с качеством при окончательной сборке». [7]
Типичный полет гражданского транспортного самолета может проиллюстрировать функцию FADEC. Сначала летный экипаж вводит данные о полете, такие как ветровые условия, длина взлетно-посадочной полосы или высота крейсерского полета, в систему управления полетом (FMS). FMS использует эти данные для расчета настроек мощности для различных фаз полета. При взлете летный экипаж переводит рычаг мощности на заданную настройку или выбирает взлет с автоматической тягой, если это возможно. Теперь FADEC применяют расчетную настройку взлетной тяги, отправляя электронный сигнал двигателям; нет прямой связи с открытым потоком топлива. Эту процедуру можно повторить для любой другой фазы полета. [ необходима цитата ]
В полете постоянно вносятся небольшие изменения в работу для поддержания эффективности. Максимальная тяга доступна в аварийных ситуациях, если рычаг мощности выдвинут на полную мощность, но ограничения не могут быть превышены; у летного экипажа нет возможности вручную переопределить FADEC. [ необходима цитата ]
Примечание: большинство современных авиационных двигателей с FADEC-управлением (особенно турбовальных) можно переопределить и перевести в ручной режим, что эффективно устраняет большинство недостатков в этом списке. Пилоты должны быть очень внимательны к тому, где находится их ручное управление, поскольку непреднамеренное включение ручного режима может привести к превышению скорости двигателя. [ противоречиво ]
NASA проанализировало распределенную архитектуру FADEC, а не текущую централизованную, особенно для вертолетов . Большая гибкость и более низкие затраты на жизненный цикл являются вероятными преимуществами распределения. [8]