未来航空发动机控制技术的发展趋势.pdf

1、AERONAUTICAL SCIENCE & TECHNOLOGY首席讲坛 Forum12012/6 航空科学技术0 引 言发 动 机 控 制 系 统 从 20世 纪 40年 代简 单 的 机 械 液 压 燃 油 控 制 系 统 ， 经 历 初始 阶 段 、 成 长 阶 段 、 电 子 阶 段 、 综 合 阶 段等 4个 过 程 ， 现 已 发 展 到 用 于 所 有 燃 气涡 轮 发 动 机 的 全 权 限 数 字 电 子 控 制 系统 (FADEC)， 各 发 展 阶 段 特 征 如 表 1所示 。 FADEC从 20世 纪 70年 代 开 始 ， 已 发展到第三代。今 后 ， 世 界 航

2、 空 发 动 机 技 术 将 呈加 速 发 展 的 态 势 ， 将 向 高 推 重 比 、 高 速度 、 宽 使 用 范 围 、 高 可 靠 性 和 适 用 性 、 低油 耗 、 低 噪 声 、 低 污 染 、 低 成 本 的 方 向 发未来航空发动机控制技术的发展趋势导 读:发动机控制系统在航空发动机系统中占有非常重要的地位，其性能的优劣直接影响到发动机及飞机的性能。本文针对未来航空发动机发展对控制系统的要求，分析了航空发动机控制技术的发展趋势。关键词： 航空发动机；主动系统；智能控制；分布式控制Keywords： aircraft engine； active control； intel

3、ligent engine control； distributed control姚华/中航工业动控所Development Trend of Aircraft Engine Control Technology展 。 为 了 不 断 满 足 发 动 机 发 展 的 需 求 ，未 来 控 制 系 统 的 发 展 目 标 是 提 高 性 能 、减 轻 重 量 ， 耐 恶 劣 环 境 、 提 高 可 靠 性 和维 护 性 ， 因 此 控 制 系 统 将 向 综 合 化 和 智能 化 方 向 发 展 。 未 来 的 发 动 机 控 制 系 统将 超 出 推 进 控 制 的 范 畴 ， 而 成 为

4、一 种 用于 平 衡 推 进 控 制 要 求 、 配 电 和 管 理 要 求以 及 状 态 监 视 系 统 的 发 动 机 管 理 系 统 。1 未 来 航 空 发 动 机 控 制 系 统 面临的要求和挑战发 动 机 控 制 系 统 的 目 标 是 在 整 个飞 行 包 线 内 提 供 可 靠 和 稳 定 的 工 作 ， 但随 着 飞 机 对 推 进 系 统 提 出 了 更 多 其 他的 要 求 ， 要 实 现 可 靠 而 稳 定 的 控 制 正 变得越来越困难。未 来 军 用 飞 机 的 任 务 要 求 将 会更 高 ， 例 如 ， 要 完 成 远 距 离 高 速 低 空 突防 、 拦 截

5、、 攻 击 、 格 斗 、 空 中 加 油 和 电 子对 抗 等 任 务 ， 将 使 飞 机 各 子 系 统 的 复杂 性 不 断 增 加 。 未 来 的 民 用 飞 机 发 动机 要 求 能 以 低 的 成 本 提 供 超 低 的 污 染和 高 的 效 率 ， 同 时 能 保 持 目 前 的 可 靠性 和 适 用 性 水 平 。 为 了 满 足 上 述 要 求 ，航 空 发 动 机 将 设 计 得 更 加 复 杂 ， 可 调节 的 部 位 越 来 越 多 ， 发 动 机 输 入 和 输出 参 数 的 数 量 在 不 断 增 加 ， 控 制 变 量将 从 10 12个 增 至 20多 个 ，

6、要 求 控 制器 有 更 强 的 计 算 能 力 、 逻 辑 功 能 和 更高 的 控 制 精 度 。高 强 度 的 飞 行 任 务 要 求 和 高 性 能的 发 动 机 必 将 导 致 控 制 系 统 工 作 环 境的 进 一 步 恶 化 。 持 续 的 高 超 声 速 飞 行 和更 高 的 发 动 机 工 作 温 度 使 发 动 机 控 制系 统 的 工 作 温 度 达 到 650 ， 飞 机 结 构大 量 采 用 的 复 合 材 料 也 使 控 制 系 统 的电 子 辐 射 和 核 辐 射 环 境 日 益 加 剧 。 因此 ， 未 来 航 空 发 动 机 控 制 系 统 的 发 展 面临

7、巨大的挑战和更高的要求。表1 发动机控制发展过程起步阶段 成熟阶段 电子化阶段 集成化阶段1950年以前 19501969年 19701989年 1990至今 液压机械的主燃油控制电子加力燃烧室控制电子监控控制机械液压控制器备份统一的燃油控制第一代F ADEC第二代F ADEC第三代F ADEC故障代码记录机载发动机诊断系统AERONAUTICAL SCIENCE & TECHNOLOGY2首席讲坛 Forum2012/6 航空科学技术制 失 速 现 象 的 产 生 和 发 展 ， 从 而 达 到 控制 失 速 的 目 的 ， 使 压 气 机 始 终 处 在 最 佳的 状 态 ， 从 而 提

8、高 级 压 比 和 发 动 机 的 性能 （图2） 。2） 主动间隙控制近 年 来 ， 随 着 现 代 飞 机 对 高 机 动 性能 、 高 可 靠 性 能 要 求 的 不 断 提 高 ， 人 们 对发 动 机 的 性 能 及 效 率 的 利 用 要 求 也 明显 提 高 。 为 了 提 高 发 动 机 的 性 能 ， 人 们 试图 挖 掘 其 更 大 的 潜 力 ， 其 中 之 一 就 是 要尽 可 能 地 减 小 叶 尖 间 隙 。 叶 尖 间 隙 是 指发 动 机 转 子 叶 片 和 机 匣 的 距 离 ， 它 对 发2 未 来 航 空 发 动 机 控 制 技 术 的发展趋势未 来 ，

9、航 空 发 动 机 控 制 系 统 将 向 主动 控 制 、 智 能 控 制 、 分 布 控 制 和 减 轻 控制 系 统 重 量 的 方 向 发 展 ， 将 发 展 机 载 实时 的 发 动 机 模 型 ， 采 用 先 进 的 控 制 逻 辑和 设 计 方 法 ， 并 且 发 动 机 状 态 监 视 系 统将 与 发 动 机 控 制 系 统 实 现 更 好 的 融 合 。通 过 采 用 电 动 的 燃 油 泵 、 作 动 器 系 统 和先 进 的 电 子 硬 件 ， 提 高 FADEC系 统 硬件 的 可 靠 性 ； 通 过 采 用 先 进 的 控 制 逻 辑和 设 计 方 法 ， 与 其

10、他 机 载 系 统 （ 进 气 道控 制 系 统 、 飞 控 系 统 、 火 控 系 统 等 ） 相 综合 ， 获 得 更 好 的 系 统 性 能 和 提 高 控 制 品质 ； 同 时 ， 控 制 系 统 的 寿 命 将 提 高 ， 以 降低 系 统 的 研 制 和 使 用 成 本 。 图 1给 出 了未 来 航 空 发 动 机 控 制 技 术 的 重 点 发 展领域。 下面简单介绍其中部分技术。2.1主动控制压 气 机 、 燃 烧 室 、 间 隙 和 振 动 的 主动 控 制 可 提 高 发 动 机 的 性 能 、 耐 久 性 和生 存 性 。 主 动 控 制 技 术 可 使 高 载 荷 的

11、 涡轮 机 械 达 到 更 高 的 推 重 比 ； 提 高 高 涵 道比 和 部 件 效 率 ， 最 后 减 少 耗 油 率 ； 减 少 / 消 除 设 计 的 反 复 ， 增 强 核 心 机 的 多 用途 ， 降 低 发 展 和 生 产 成 本 ； 主 动 控 制 技术 还 提 供 部 件 状 态 的 诊 断 /监 视 信 息 ，避免了失效， 从而降低维修成本。1） 主动稳定控制压 气 机 的 气 动 稳 定 性 直 接 制 约 了燃 气 涡 轮 发 动 机 的 稳 定 工 作 范 围 。 传 统的 失 速 控 制 方 法 为 被 动 控 制 ， 其 核 心 思想 是 保 证 发 动 机 的

12、 工 作 点 有 足 够 的 喘振 裕 度 。 但 在 工 程 应 用 中 无 法 准 确 测 量发 动 机 的 稳 定 裕 度 ， 也 无 法 采 用 模 型 准确 估 算 出 喘 振 裕 度 ， 因 为 发 动 机 进 气 场畸 变 、 发 动 机 老 化 及 制 造 偏 差 等 因 素 都会 使 喘 振 边 界 更 加 靠 近 发 动 机 工 作 点 。这 就 使 得 设 计 的 喘 振 裕 度 在 大 多 数 情况 下 无 疑 是 过 于 保 守 的 ， 极 大 地 牺 牲 了发 动 机 推 力 、 效 率 及 飞 机 的 机 动 性 能 。主 动 稳 定 性 控 制 是 通 过 预

13、先 探 测 即 将发 生 的 喘 振 与 失 速 ， 即 在 刚 出 现 失 速 征兆 时 就 采 取 措 施 ， 如 在 失 速 先 兆 发 生 的初 期 向 流 场 中 主 动 加 入 反 相 扰 动 或 调整 放 气 量 、 燃 油 流 量 和 导 叶 角 度 等 ， 抑 f#e 6 f tU f 9 f 6 r 6 2 f2bq f x f f X$ f ftU:MtUF1 / U 6 gx96 W56 9 - U U9 1 $qq r7/ /3 f + fPHM9 f图1 航空发动机控制技术的重点发展领域图2 主动控制示意图主动控制稳定区间主动控制喘振边界主动控制稳态工作点无主动控制

14、喘振边界无主动控制稳态工作点恒转速线压气机流量性能改善压气机压比AERONAUTICAL SCIENCE & TECHNOLOGY首席讲坛 Forum32012/6 航空科学技术动 机 的 性 能 有 很 大 的 影 响 。 叶 尖 间 隙 过大 会 使 发 动 机 的 性 能 降 低 ， 而 间 隙 过 小 ，又 很 可 能 会 引 起 叶 尖 与 机 匣 的 碰 撞 或摩 擦 ， 严 重 危 害 发 动 机 的 安 全 ， 甚 至 导 致严 重 的 事 故 。 叶 尖 间 隙 对 压 气 机 效 率 、 涡轮 效 率 、 发 动 机 功 率 和 油 耗 影 响 极 大 。 因此 ， 叶 尖

15、 间 隙 主 动 控 制 及 动 态 测 量 与 监控 是 改 善 发 动 机 性 能 的 关 键 技 术 之 一 ，研 究 并 解 决 这 一 难 点 对 航 空 发 动 机 性 能的 提 高 具 有 极 其 重 要 的 意 义 。主 动 叶 尖 间 隙 控 制 技 术 的 执 行 机构 目 前 主 要 有 3种 ： 主 动 热 控 制 、 主 动机 械 和 主 动 气 （ 气 压 ） 控 制 。 热 控 制 通 过低 温 气 流 对 机 匣 外 表 面 进 行 冷 却 ， 这 股冷 气 可 以 是 大 气 或 压 气 机 的 引 气 。 机 械式 主 要 是 通 过 特 殊 装 置 ， 改

16、 变 机 匣 的 变形， 从而达到控制叶尖间隙的目的。主 动 叶 尖 间 隙 控 制 技 术 从 控 制 回路 来 说 又 可 以 分 为 闭 环 叶 尖 间 隙 主 动控 制 和 开 环 叶 尖 间 隙 主 动 控 制 。 其 中 ，闭 环 叶 尖 间 隙 控 制 利 用 先 进 间 隙 传 感器 ， 测 出 某 工 况 的 间 隙 值 ， 用 反 馈 控 制回 路 控 制 间 隙 的 最 佳 值 ； 开 环 叶 尖 间 隙主 动 控 制 通 过 找 出 叶 尖 间 隙 变 化 的 准确 规 律 ， 当 发 动 机 工 况 改 变 时 ， 用 机 载计 算 机 算 出 此 时 间 隙 大 小

17、 ， 及 时 调 整 外部 所 需 空 气 量 ， 进 行 最 佳 间 隙 的 控 制 。图 3所 示 为 在 不 同 的 发 动 机 工 作 条 件下 ， 在 没 有 叶 尖 间 隙 控 制 时 和 有 主 动 间隙 控 制 系 统 时 典 型 的 高 压 涡 轮 叶 尖 间2.2 智能控制未 来 的 发 动 机 控 制 将 向 智 能 推 进控 制 的 方 向 发 展 。 智 能 控 制 是 将 人 工 智能 的 方 法 引 进 发 动 机 控 制 系 统 ， 模 拟 人的 智 能 活 动 进 行 控 制 与 信 息 传 递 过 程的 控 制 规 律 ， 其 核 心 是 控 制 决 策 ，

18、 采 用灵 活 机 动 的 方 式 迫 使 控 制 向 期 望 的 目标 逼 近 。 智 能 推 进 控 制 系 统 包 括 智 能 自修 复 控 制 技 术 、 损 伤 自 适 应 修 复 控 制 技术 、 延 寿 控 制 技 术 、 自 主 推 进 系 统 技 术等多个方面， 分别介绍如下。1） 智能推进系统技术这 种 技 术 是 在 早 期 的 性 能 寻 优 控制 （ PSC） 与 智 能 发 动 机 控 制 技 术 （ IEC）的 基 础 上 发 展 而 来 ， 其 核 心 思 想 是 针 对发 动 机 对 象 的 非 线 性 或 智 能 预 测 控 制 ，其 内 容 包 括 稳 态

19、 性 能 控 制 （ 如 巡 航 时 最小 油 耗 控 制 ） 与 动 态 性 能 延 寿 控 制（ 如 机 动 飞 行 大 推 力 需 求 ， 起 飞 时 最 小涡 轮 前 温 度 需 求 ） 两 类 ， 这 种 控 制 技 术必 须 以 机 载 实 时 模 型 为 基 础 ， 即 该 项 技术 为 模 型 基 控 制 。 目 前 ， 用 于 故 障 诊 断或 预 测 控 制 的 机 载 实 时 模 型 可 为 神 经网 络 或 其 他 的 智 能 非 线 性 实 现 映 射 结构， 图5是智能推进控制系统结构原理。2） 智能自修复控制技术这 种 控 制 技 术 可 通 过 在 线 故 障

20、诊断 使 得 具 有 双 发 结 构 飞 机 推 力 输 出 始终 保 持 一 致 ， 从 而 可 以 消 除 双 发 由 于 制造 公 差 或 使 用 期 退 化 造 成 的 性 能 差 异隙的变化。3） 主 动 燃 烧 控 制随 着 航 空 运 输 业 的 飞 速 发 展 和 人们 环 保 意 识 的 不 断 增 强 ， 飞 机 产 生 的噪 声 和 污 染 对 人 类 和 环 境 产 生 的 影 响越 来 越 受 到 关 注 。 所 以 主 动 燃 烧 控 制（ ACC） 已 经 成 为 提 高 燃 烧 室 性 能 、 降低 排 气 污 染 的 关 键 技 术 之 一 ， 通 过 快速

21、改 变 燃 烧 的 输 入 实 现 对 燃 烧 行 为 的调 节 。 例 如 ， 它 可 以 定 时 地 喷 入 燃 油 ，而 不 是 根 据 需 要 被 动 地 对 流 场 进 行 空间 结 构 的 改 变 。 由 于 定 时 调 节 比 被 动控 制 的 几 何 改 变 更 简 单 ， 因 此 ACC有更 好 的 灵 活 性 ， 可 改 善 发 动 机 的 性 能 ，提 高 燃 烧 的 效 率 、 降 低 耗 油 率 和 减 少形 状 因 子 （ 出 口 平 面 温 度 剖 面 ） ， 同 时可 降 低 污 染 排 放 、 扩 大 工 作 包 线 并 减少 燃 烧 室 的 体 积 。 图

22、4所 示 为 一 种 典 型的 主 动 燃 烧 控 制 的 实 验 装 置 。 进 入 燃烧 室 的 流 速 是 固 定 不 变 的 ， 4个 自 动 的喷 射 器 用 作 执 行 机 构 来 周 期 性 地 喷 入空 气 /燃 油 团 到 燃 烧 室 中 ， 产 生 与 不 稳定 压 力 振 荡 相 位 相 反 周 期 性 的 附 加 放热 。 除 了 一 个 压 力 传 感 器 ， 还 使 用 一 个光 电 倍 增 器 作 传 感 器 来 测 量 自 由 基 的火 焰 辐 射 。 控 制 器 控 制 二 次 燃 油 喷 射的 相 位 延 迟 和 流 速 。 该 研 究 表 明 ， 一 个合

23、 适 相 位 的 3%附 加 燃 油 将 减 小 压 力 谱幅 值 达 12dB， 声 波 能 量 处 在 0 400Hz范 围 内 ， 减 小 了 18%。图3 高压涡轮叶尖间隙在飞行过程中的变化 图4 主动燃烧控制的实验装置半径冷转慢车爬升 巡航起飞下滑 飞行阶段转子主动间隙控制下的机匣无主动间隙控制下的机匣叶尖间隙的变化喷嘴塞燃油喷嘴火焰稳定器气流压力变换器延时发生器直流偏置控制AERONAUTICAL SCIENCE & TECHNOLOGY4首席讲坛 Forum2012/6 航空科学技术对 飞 控 的 消 极 影 响 。 智 能 自 修 复 控 制 中必 然 会 采 用 发 动 机

24、系 统 不 可 测 退 化 或推 力 等 性 能 参 数 的 实 时 估 计 ， 因 此 可 行的 方 案 仍 然 要 采 用 神 经 网 络 、 支 持 向 量机 等 非 线 性 智 能 动 静 态 映 射 技 术 。 此 种控 制 方 案 也 是 基 于 机 载 模 型 的 模 型 基控 制 方 案 ， 同 时 机 载 模 型 必 须 具 有 故 障诊 断 与 自 适 应 能 力 ， 以 适 应 双 发 制 造 公差及使用期内退化所造成的性能差异。在 发 动 机 受 到 损 伤 的 情 况 下 ， 能 够通 过 此 控 制 技 术 判 定 受 损 发 动 机 运 行状 况 ， 并 能 采

25、用 推 进 系 统 自 适 应 修 复 控制 ， 确 保 飞 机 的 安 全 降 落 等 。 由 于 发 动机 受 损 的 判 断 十 分 复 杂 ， 采 用 智 能 决 策技术是一种可行方案。3） 延寿控制技术传 统 的 发 动 机 控 制 以 性 能 最 大化 为 目 的 ， 而 延 寿 控 制 （ Life Extending Control） 旨 在 设 计 出 一 种 一 方 面 提 供可 接 受 的 发 动 机 响 应 ， 另 一 方 面 又 可 以使 零 部 件 的 损 耗 降 到 最 低 的 控 制 系 统 。从 本 质 上 讲 ， 延 寿 控 制 为 多 目 标 控 制 ，即

26、 在 满 足 系 统 动 静 态 性 能 指 标 前 提 下 ，充 分 考 虑 发 动 机 的 寿 命 、 安 全 等 效 能 指标 ， 如 在 发 动 机 由 慢 车 到 全 加 力 过 渡 态过 程 中 ， 在 快 速 提 高 发 动 机 推 力 同 时 ，保 证 涡 轮 前 温 度 上 升 平 缓 ， 通 过 略 微 降低 过 渡 过 程 中 的 峰 值 温 度 ， 就 能 增 加 重要 零 部 件 的 寿 命 ， 显 而 易 见 ， 此 种 控 制思 路 把 闭 环 系 统 短 时 指 标 与 长 效 指 标相 结 合 ， 图 6是 一 种 延 寿 控制 方 案 。 由 于 推 进 系

27、 统 本身 的 多 维 、 非 线 性 以 及 工作 条 件 的 复 杂 多 变 性 ， 所采 用 的 多 目 标 控 制 必 然 要采 用 非 线 性 控 制 方 法 ， 而就 目 前 控 制 理 论 发 展 水 平而 言 ， 非 线 性 控 制 最 可 行的 实 现 途 径 就 是 智 能 处 理方 法 （ 如 模 糊 控 制 、 神 经 网络控制等） 。2.3 分布式控制目 前 的 发 动 机 控 制 系 统 都 采 用 集中式F ADEC结构。 控制系统复杂性的增加 导 致 FADEC要 完 成 的 功 能 爆 炸 性 的增 长 ， FADEC的 重 量 、 外 形 尺 寸 都 大 大

28、增 加 ， 使 得 FADEC中 的 软 件 庞 大 而 复杂 ， 软 件 的 可 靠 性 下 降 。 另 外 ， 在 集 中 式控 制 系 统 中 ， 传 感 器 、 饲 服 装 置 、 执 行 机构 相 距 很 远 ， 都 用 双 绞 线 或 三 绞 线 连 接到 控 制 器 ， 因 此 ， 导 线 、 连 接 器 和 接 头 的图5 智能推进控制系统结构智能发动机控制监视器稳定裕度部件估值选择优化稳定裕度估值器性能优化模型部件估值综合参数发动机反馈控制要求发动机反馈快速反应最大寿命故障冗余多变量控制减少特征性能寻优损伤容限卡尔曼滤波器，发动机预测模型，传感器FDIA. f | + + +

29、 + + + + | f f M MM 8图6 延寿控制AERONAUTICAL SCIENCE & TECHNOLOGY首席讲坛 Forum52012/6 航空科学技术重 量 占 很 大 比 例 。 当 前 控 制 系 统 约 占 发动 机 总 重 量 和 总 成 本 15% 20%， 进 一步 增 加 控 制 能 力 使 得 控 制 系 统 占 整 个发 动 机 重 量 的 比 例 越 来 越 大 ， 将 导 致 发动 机 的 控 制 系 统 在 研 制 、 维 护 和 后 勤 保障方面的高成本。未 来 控 制 系 统 将 是 高 度 分 布 式 控制 系 统 ， 它 由 FADEC和 多

30、 个 智 能 装 置组 成 ， 中 央 处 理 器 和 各 智 能 传 感 器 、 智能 执 行 机 构 组 成 了 一 个 局 域 网 。 中 央 处理 器 与 智 能 传 感 器 、 智 能 执 行 机 构 之间 通 过 数 据 总 线 进 行 通 信 ， 而 不 是 集 中FADEC的中央处理器、 执行机构之间的点 对 点 连 接 ， 图 7是 集 中 控 制 系 统 与 分布 式 控 制 系 统 的 结 构 对 比 。采 用 分 布 式 控 制 系 统 可 以 使 控 制器 体 积 减 少 50%， 从 而 减 轻 重 量 并 提 高发 动 机 的 推 重 比 ， 通 过 采 用 智

31、能 传 感 器和 智 能 执 行 机 构 来 提 高 传 感 器 系 统 精度 并 获 取 更 多 系 统 信 息 ， 通 过 适 应 系 统退 化 影 响 及 故 障 隔 离 来 增 加 系 统 可 用性 ， 通 过 功 能 模 块 化 和 标 准 化 来 创 建 发动 机 标 准 组 件 和 通 用 测 试 平 台 ， 从 而 减少 设 计 、 生 产 、 装 配 和 试 验 成 本 ， 减 少 定期 维 修 次 数 ， 备 件 减 少 ， 退 化 减 弱 和 训练 减 少 ， 缩 短 发 动 机 寿 命 周 期 费 用 。 采用 一 系 列 功 能 组 件 ， 通 用 接 口 、 系 统

32、 实现 与 系 统 功 能 相 分 离 的 方 法 ， 减 少 发 动机控制系统设计周期。分 布 式 控 制 系 统 涉 及 到 许 多 关 键技 术 ， 包 括 分 布 式 总 线 、 智 能 传 感 器 、 智能 作 动 器 、 微 电 子 机 械 等 ， 但 最 主 要 的是 高 温 电 子 技 术 ， 由 于 智 能 部 件 安 装 在航 空 发 动 机 恶 劣 环 境 中 ， 分 布 式 控 制 系统 的 全 面 应 用 有 待 于 高 温 电 子 技 术 的突破。2.4 先进的部件技术1） 部件的减重技术目 前 ， 发 动 机 控 制 系 统 的 重 量 大约 占 发 动 机 重

33、量 的 15% 20%左 右 ， 因此 ， 要 减 轻 发 动 机 的 重 量 ， 提 高 发 动 机推 重 比 ， 减 轻 发 动 机 控 制 系 统 的 重 量 是重 要 的 途 径 之 一 。 控 制 系 统 的 减 重 对 象是 油 泵 和 变 速 箱 、 作 动 器 、 计 量 部 件 、 导管 、 电 气 配 线 、 电 连 接 器 和 外 罩 。 方 法 是用 重 量 轻 、 强 度 高 的 复 合 材 料 部 件 取 代金 属 材 料 的 部 件 ， 用 热 塑 性 材 料 制 造 电连 接 器 和 外 罩 、 用 光 纤 电 缆 替 代 金 属 导线 、 改 进 封 装 和

34、大 量 采 用 超 大 规 模 集 成电 路 减 轻 中 央 处 理 器 的 重 量 ， 采 用 电 动泵 和 电 作 动 器 减 少 机 械 传 动 件 和 金 属导 管 ； 采 用 先 进 的 机 械 部 件 设 计 技 术 减轻重量。减 轻 燃 油 泵 重 量 的 主 要 途 径 是 采用 复 合 材 料 ， 如 泵 的 壳 体 （ 进 出 口 机 匣和 安 装 边 ） 、 扩 压 器 环 和 叶 轮 等 元 件 。 可能 使 用 的 复 合 材 料 包 括 ： 耐 高 温 、 强 度好 的 高 环 氧 树 脂 ； 集 抗 化 学 腐 蚀 、 耐 高温 和 耐 火 等 优 点 于 一 身

35、 的 热 固 材 料 聚酰 亚 胺 ； 耐 高 温 热 塑 性 材 料 聚 醚 酮 等 。燃 油 泵 采 用 复 合 材 料 后 取 得 的 减 重 效果明显。国 外 正 在 研 究 采 用 先 进 轻 质 材 料和 先 进 系 统 （ 分 布 式 、 光 纤 、 电 驱 动 泵 ）大 幅 度 减 轻 控 制 系 统 的 重 量 和 体 积 ， 最终目标是使系统重量减少50%。2） 电动燃油泵和电力作动器由 于 传 统 的 机 械 驱 动 燃 油 泵 供 油量 都 大 于 需 油 量 ， 多 余 的 燃 油 必 须 通 过旁 路 通 道 放 回 进 油 口 ， 功 率 损 失 很 大 ，影 响

36、 了 发 动 机 的 性 能 ， 而 且 燃 油 温 升 很高 。 燃 油 泵 可 根 据 发 动 机 的 需 要 调 整 转速 ， 提 供 发 动 机 所 需 的 燃 油 量 而 无 需 燃油 的 流 回 ， 这 样 可 达 到 简 化 热 管 理 问题 ， 并 减 轻 了 系 统 的 重 量 ， 降 低 了 系 统的 复 杂 性 ， 使 供 油 量 和 需 油 量 基 本 平衡 ， 提 高 了 燃 油 泵 的 效 率 。 目 前 ， 国 外 已在 发 动 机 上 验 证 了 这 项 技 术 。 燃 油 泵 中的 一 个 双 通 道 电 子 控 制 器 通 过 数 据 总线 获 取 燃 油

37、流 量 的 需 求 信 息 ， 然 后 调 节燃 油 阀 的 位 置 到 所 要 求 的 燃 油 量 。 未 来的 燃 油 泵 将 向 一 体 化 的 燃 油 泵 、 变 排 量燃油泵的方向发展。传 统 航 空 发 动 机 所 采 用 的 液 压 作动 器 始 终 存 在 泄 漏 的 问 题 ， 因 此 当 作动 器 的 性 能 下 降 时 ， 总 是 难 以 判 断 是 不是 由 泄 漏 造 成 的 。 采 用 电 力 作 动 器 则 很容 易 进 行 故 障 识 别 ， 因 为 发 电 机 和 功 率电 子 设 备 都 传 递 自 己 的 信 号 。 此 外 ， 传统 液 压 机 械 作

38、动 器 的 拆 除 非 常 麻 烦 ， 非常 耗 时 ， 需 要 有 经 验 的 维 修 人 员 执 行 操作 ， 并 需 要 地 面 保 障 设 备 的 支 持 。 而 电力 作 动 器 的 拆 除 非 常 简 单 ， 只 需 断 开 电路， 拧下与作动器连接的螺栓即可。电 力 作 动 器 的 发 展 目 标 是 取 代 液压 作 动 器 ， 电 力 作 动 器 的 好 处 是 改 善可 靠 性 和 维 护 性 ， 最 终 可 减 少 寿 命 期 成本 。 电 动 燃 油 泵 和 电 力 作 动 器 都 是 多 电图7 集中控制系统与分布式控制系统集中式： 2214根线缆 112个接插件 2

39、96磅分布式： 320根线缆 20个接插件 111磅AERONAUTICAL SCIENCE & TECHNOLOGY6首席讲坛 Forum2012/6 航空科学技术发 动 机 的 重 要 部 件 之 一 。 发 动 机 的 作 动器 和 燃 油 泵 采 用 电 力 驱 动 后 ， 可 大 大 改善 发 动 机 的 结 构 ， 减 少 发 动 机 的 迎 风 面积 ， 减 少 发 动 机 的 安 装 直 径 ， 从 而 减 小飞机的阻力。3） 高速活门技术涡 轮 发 动 机 需 要 数 量 众 多 的 机械 式 和 电 动 式 工 作 活 门 ， 现 在 的 活 门技 术 响 应 速 度 慢

40、， 主 动 控 制 技 术 要求 活 门 装 置 要 具 备 更 高 的 响 应 频 率（ 500 1000Hz） ， 能 够 在 低 功 率 下 工 作且 体 积 要 更 加 小 巧 。 现 在 研 制 中 的 SOA活 门 主 要 使 用 3种 驱 动 技 术 ： 电 磁 技 术 、压电技术和磁致伸缩技术。采 用 电 磁 技 术 驱 动 的 活 门 通 过 使 用包 括 电 动 机 、 电 磁 阀 在 内 的 各 类 开 关 驱动 装 置 和 线 性 电 动 机 来 控 制 活 门 ， 其 最大 频 宽 一 般 在 400 500Hz， 但 是 其 重 量和 产 生 的 电 势 会 受 到

41、 设 计 尺 寸 的 限 制 。采 用 压 电 技 术 驱 动 的 活 门 主 要 采用 锆 钛 酸 铅 等 合 成 陶 瓷 材 料 制 造 而 成 。此 类 活 门 在 受 电 力 驱 动 时 ， 其 作 用 相 当于 一 个 电 容 ， 外 加 电 势 产 生 的 张 力 能 够对 其 进 行 机 械 驱 动 。 与 其 他 技 术 相 比 ，压 电 技 术 的 优 越 性 在 于 具 备 高 电 势 、 高共振 频率和没有活动部件。采 用 磁 致 伸 缩 技 术 驱 动 的 活 门 多用 金 属 间 化 合 物 制 成 ， 主 要 成 分 是 铽 镝铁 磁 致 伸 缩 合 金 。 活 门

42、 工 作 原 理 以 应 力和 外 加 电 磁 场 之 间 的 联 系 为 基 础 。 磁 致伸 缩 材 料 与 压 电 材 料 类 似 ， 都 能 够 产 生较高的应力和电势。2.5 发动机管理技术武 器 装 备 的 嵌 入 式 诊 断 技 术 正 在从 过 去 单 纯 的 电 子 /航 电 系 统 的 BIT/BITE和 结 构 /机 械 设 备 的 状 态 监 视 向 覆盖 装 备 所 有 重 要 系 统 和 关 键 部 件 的 全面 故 障 诊 断 、 预 测 与 健 康 管 理 （ PHM） 方向 发 展 演 变 。 如 F 22、 F 35、 EF2000战 斗 机 及 其 发 动

43、 机 都 不 同 程 度 地 采 用了 诊 断 、 预 测 与 健 康 管 理 技 术 ， 对 提 高飞 行 安 全 、 减 少 维 修 人 力 、 增 加 出 动 架次 率 、 实 现 基 于 状 态 的 维 修 （ CBM） 和自主式保障发挥着重要的作用。PHM将 利 用 静 电 传 感 器 和 其 他 传感 器 组 成 的 一 套 完 善 的 传 感 器 来 监 测产 生 的 碎 屑 、 振 动 、 叶 片 健 康 和 滑 油 质量 等 参 数 。 这 组 传 感 器 将 持 续 监 测 大 约500个 数 据 流 ， 并 通 过 一 种 嵌 入 式 诊 断推 理 机 进 行 自 动 故

44、 障 诊 断 、 剩 余 寿 命 预测 、 维 修 预 报 ， 这 些 数 据 流 将 与 飞 机 的PHM系 统 综 合 ， 通 过 卫 星 链 路 提 前 通 知基 地 发 动 机 的 健 康 状 况 ， 从 而 提 高 发 动机 的 可 用 性 和 经 济 可 承 受 性 。 PHM需 发展 的 技 术 包 括 机 载 监 视 和 管 理 技 术 、 数据 融 合 （ 预 测 维 修 ） 、 裂 纹 检 测 、 关 键 部件的跟踪技术等。3 结束语控 制 系 统 在 航 空 发 动 机 系 统 中 占有 非 常 重 要 的 地 位 ， 其 性 能 的 优 劣 直接 影 响 发 动 机 及

45、 飞 机 的 性 能 。 发 达 国 家都 将 其 作 为 航 空 技 术 中 的 一 个 重 要 方面 ， 花 费 巨 资 （ 大 中 型 发 动 机 控 制 系 统占 发 动 机 研 制 费 用 的 15% 20%， 小 型发 动 机 控 制 系 统 占 发 动 机 研 制 费 用 的15% 30%） 进 行 研 究 ， 航 空 发 动 机 控 制技 术 已 经 成 为 发 动 机 专 业 领 域 的 一 个重 要 分 支 ， 在 发 动 机 的 发 展 中 占 据 越 来越重要的地位。 参考文献1 Link C J, Sanjay G. Propulsion control techno

46、logy development in United StatesR. NASA TM-2005-213078.2 Day I J. Stall inception and the prospects for active control in four high speed compressorsJ. ASME J. of Turbomachinery,1999,121:18-27.3 Umeh C O, Kammer L C, Barbu C. Active combustion control by fuel forcing at non-coherent frequenciesC. M

47、ontreal, Canada: Proceedings of GT2007 ASME Turbo Expo: Power for Land, Sea and Air, May 2007.4 Adibhatla S, Gastineau Z. Intelligent Engine Control(IEC)C. AIAA-92-3484, 28th Joint Propusion Conference, July 1992.5 Jonathan S L , Donald L S. A survey of intelligent control and health management tech

48、nologies for aircraft propulsion systemR. NASA TM-2005-213622.6 Adibhatla S, Lewis T. Model-based intelligent digital engine control C. AIAA-97-3192, 33rd Joint Propulsion Conference, July 1997. 7 Culley D E, Thomas R, Saus J. Concepts for distributed engine controlC.AIAA 2007-5709, 43rd Joint Propulsion Conference and Conference and Exhibit, 8-11 July 2007.8 Wick D G. Realizing distrib