FADEC - FADEC

W pełni sprawne cyfrowe sterowanie silnikiem (lub elektroniką ) (FADEC) to system składający się z komputera cyfrowego, zwanego „elektronicznym sterownikiem silnika” (EWG) lub „ jednostką sterującą silnika ” (ECU) i związanych z nim akcesoriów, które kontrolują wszystkie aspekty osiągów silników lotniczych. FADEC zostały wyprodukowane zarówno dla silników tłokowych, jak i silników odrzutowych .

FADEC dla silnika tłokowego

Historia

Celem każdego systemu sterowania silnikiem jest umożliwienie pracy silnika z maksymalną wydajnością w danych warunkach. Pierwotnie systemy sterowania silnikiem składały się z prostych połączeń mechanicznych połączonych fizycznie z silnikiem. Przesuwając te dźwignie, pilot lub inżynier pokładowy może kontrolować przepływ paliwa, moc wyjściową i wiele innych parametrów silnika. Kommandogerät mechaniczny / hydrauliczny układ sterowania silnika do Niemiec BMW 801 lotnictwa tłok silnika promieniowego II wojny światowej był tylko jeden znaczący przykład tego w późniejszych stadiach rozwoju. To mechaniczne sterowanie silnikiem zostało stopniowo zastąpione najpierw analogowym elektronicznym sterowaniem silnikiem, a później cyfrowym sterowaniem silnikiem.

Analogowe sterowanie elektroniczne zmienia sygnał elektryczny w celu przekazania żądanych ustawień silnika. System był ewidentnym ulepszeniem w stosunku do sterowania mechanicznego, ale miał swoje wady, w tym typowe zakłócenia elektroniczne i problemy z niezawodnością. W pełni autorytetowe sterowanie analogowe zostało zastosowane w latach 60. XX wieku i zostało wprowadzone jako element silnika Rolls-Royce/Snecma Olympus 593 naddźwiękowego samolotu transportowego Concorde . Jednak bardziej krytyczne sterowanie wlotem było cyfrowe w samolotach produkcyjnych.

Nastąpiła cyfrowa kontrola elektroniczna. W 1968 roku Rolls-Royce i Elliott Automation , we współpracy z National Gas Turbine Establishment , pracowali nad cyfrowym systemem sterowania silnikiem, który zakończył kilkaset godzin pracy na Rolls-Royce Olympus Mk 320. W latach 70. NASA i Pratt and Whitney eksperymentowali ze swoim pierwszym eksperymentalnym FADEC, po raz pierwszy oblatany na F-111 wyposażonym w wysoce zmodyfikowany lewy silnik Pratt & Whitney TF30 . Eksperymenty doprowadziły do ​​tego, że Pratt & Whitney F100 i Pratt & Whitney PW2000 były odpowiednio pierwszymi silnikami wojskowymi i cywilnymi wyposażonymi w FADEC, a później Pratt & Whitney PW4000 jako pierwszy komercyjny silnik „podwójny FADEC”. Pierwszym FADEC w służbie był silnik Rolls-Royce Pegasus opracowany dla Harrier II przez Dowty and Smiths Industries Controls .

Funkcjonować

Prawdziwe cyfrowe sterowanie silnikiem z pełnym autorytetem nie ma dostępnej formy ręcznego nadpisywania, co daje komputerowi pełną władzę nad parametrami pracy silnika. Jeśli wystąpi całkowita awaria FADEC, silnik ulegnie awarii. Jeśli silnik jest sterowany cyfrowo i elektronicznie, ale pozwala na ręczne sterowanie, jest uważany wyłącznie za EEC lub ECU . EEC, chociaż jest częścią FADEC, nie jest sam w sobie FADEC. Samotnie EEC podejmuje wszystkie decyzje, dopóki pilot nie zechce interweniować.

FADEC działa poprzez odbieranie wielu zmiennych wejściowych aktualnych warunków lotu, w tym gęstości powietrza , położenia dźwigni przepustnicy, temperatury silnika, ciśnienia silnika i wielu innych parametrów. Wejścia są odbierane przez EEC i analizowane do 70 razy na sekundę. Parametry pracy silnika, takie jak przepływ paliwa, położenie łopatek stojana, położenie zaworu odpowietrzającego i inne, są obliczane na podstawie tych danych i odpowiednio stosowane. FADEC kontroluje również uruchamianie i ponowne uruchamianie silnika. Podstawowym celem FADEC jest zapewnienie optymalnej wydajności silnika w danych warunkach lotu.

FADEC zapewnia nie tylko wydajną pracę silnika, ale także umożliwia producentowi programowanie ograniczeń silnika oraz otrzymywanie raportów dotyczących stanu i konserwacji silnika. Na przykład, aby uniknąć przekroczenia określonej temperatury silnika, FADEC można zaprogramować tak, aby automatycznie podejmował niezbędne środki bez interwencji pilota.

Bezpieczeństwo

Ponieważ eksploatacja silników w tak dużym stopniu opiera się na automatyzacji, bezpieczeństwo jest dużym problemem. Redundancja jest zapewniona w postaci dwóch lub więcej oddzielnych, ale identycznych kanałów cyfrowych. Każdy kanał może udostępniać wszystkie funkcje silnika bez ograniczeń. FADEC monitoruje również różnorodne dane pochodzące z podsystemów silnika i powiązanych systemów samolotu, zapewniając odporne na awarie sterowanie silnikiem.

Problemy ze sterowaniem silnikiem powodujące jednocześnie utratę ciągu w maksymalnie trzech silnikach zostały wymienione jako przyczyna katastrofy samolotu Airbus A400M w Sewilli w Hiszpanii w dniu 9 maja 2015 r . Marwan Lahoud, dyrektor ds. strategii Airbusa, potwierdził 29 maja, że ​​niepoprawnie zainstalowane oprogramowanie sterujące silnikiem spowodowało śmiertelną awarię. „Nie ma żadnych wad konstrukcyjnych [w samolocie], ale mamy poważny problem z jakością w końcowym montażu”.

Aplikacje

Typowy lot cywilnego samolotu transportowego może ilustrować funkcję FADEC. Załoga lotnicza najpierw wprowadza dane lotu, takie jak warunki wiatru, długość drogi startowej lub wysokość przelotu , do systemu zarządzania lotem (FMS). FMS wykorzystuje te dane do obliczania ustawień mocy dla różnych faz lotu. Podczas startu załoga lotnicza przesuwa przepustnicę do wcześniej określonego ustawienia lub wybiera start z automatyczną przepustnicą, jeśli jest dostępny. FADECs stosują teraz obliczone ustawienie ciągu startowego, wysyłając sygnał elektroniczny do silników; nie ma bezpośredniego połączenia z otwartym przepływem paliwa. Procedurę tę można powtórzyć dla dowolnej innej fazy lotu.

W locie stale wprowadzane są niewielkie zmiany w działaniu, aby utrzymać wydajność. Maksymalny ciąg jest dostępny w sytuacjach awaryjnych, gdy przepustnica jest maksymalnie przesunięta, ale nie można przekroczyć ograniczeń; załoga lotnicza nie ma możliwości ręcznego obejścia FADEC.

Zalety

  • Lepsze zużycie paliwa
  • Automatyczna ochrona silnika przed operacjami poza tolerancją
  • Bezpieczniejszy, ponieważ wielokanałowy komputer FADEC zapewnia nadmiarowość w przypadku awarii
  • Bezproblemowa obsługa silnika z gwarantowanymi ustawieniami ciągu
  • Możliwość zastosowania jednego typu silnika do szerokich wymagań ciągu, po prostu przeprogramowując FADEC
  • Zapewnia półautomatyczny rozruch silnika engine
  • Lepsza integracja systemów z systemami silników i samolotów
  • Może zapewnić długoterminowe monitorowanie stanu silnika i diagnostykę;
  • Liczba parametrów zewnętrznych i wewnętrznych wykorzystywanych w procesach sterowania wzrasta o jeden rząd wielkości
  • Zmniejsza liczbę parametrów, które mają być monitorowane przez załogi lotnicze
  • Ze względu na dużą liczbę monitorowanych parametrów, FADEC umożliwia „Systemy odporne na awarie” (w których system może działać w wymaganym zakresie niezawodności i bezpieczeństwa z pewnymi konfiguracjami błędów)
  • Oszczędza wagę

Niedogodności

  • Cyfrowe sterowanie silnikiem z pełnym autorytetem nie ma dostępnej formy ręcznego nadpisywania, co daje komputerowi pełną władzę nad parametrami pracy silnika. (patrz uwaga)
    • Jeśli wystąpi całkowita awaria FADEC, silnik ulegnie awarii. (patrz uwaga)
    • W przypadku całkowitej awarii FADEC piloci nie mają ręcznego sterowania ponownym uruchomieniem silnika, przepustnicą lub innymi funkcjami. (patrz uwaga)
    • Ryzyko pojedynczego punktu awarii można ograniczyć dzięki nadmiarowym FADEC (przy założeniu, że awaria jest przypadkową awarią sprzętu, a nie wynikiem błędu projektowego lub produkcyjnego, który może spowodować identyczne awarie we wszystkich identycznych elementach nadmiarowych). (patrz uwaga)
  • Wysoka złożoność systemu w porównaniu z hydromechanicznymi, analogowymi lub ręcznymi systemami sterowania
  • Duży wysiłek w zakresie rozwoju i walidacji systemu ze względu na złożoność
  • Podczas gdy w sytuacjach kryzysowych (na przykład nieuchronny kontakt z terenem) silnik bez FADEC może wytworzyć znacznie więcej niż jego ciąg znamionowy, silnik FADEC zawsze będzie działał w swoich granicach. (patrz uwaga)

Uwaga: Większość nowoczesnych silników lotniczych sterowanych przez FADEC (szczególnie silniki z turbodoładowaniem) można przesterować i ustawić w trybie ręcznym, skutecznie przeciwdziałając większości wad z tej listy. Piloci powinni być bardzo świadomi tego, gdzie znajduje się ich ręczne sterowanie, ponieważ nieumyślne włączenie trybu ręcznego może prowadzić do nadmiernej prędkości obrotowej silnika.

Wymagania

  • Do projektowania, produkcji, instalowania i konserwacji czujników, które mierzą i raportują parametry lotu i silnika do samego systemu sterowania, muszą być stosowane procesy inżynieryjne.
  • Formalne procesy inżynierii systemów są często wykorzystywane przy projektowaniu, wdrażaniu i testowaniu oprogramowania używanego w tych krytycznych dla bezpieczeństwa systemach sterowania. Wymóg ten doprowadził do opracowania i wykorzystania specjalistycznego oprogramowania, takiego jak narzędzia inżynierii systemów opartych na modelach (MBSE). Zestaw narzędzi do tworzenia aplikacji SCADE (od Esterel Technologies ) (nie mylić z kategorią aplikacji SCADA ) jest przykładem narzędzia MBSE i był używany w ramach rozwoju systemów FADEC.

Badania

NASA przeanalizowała rozproszoną architekturę FADEC, a nie obecną scentralizowaną, specjalnie dla helikopterów. Większa elastyczność i niższe koszty cyklu życia to prawdopodobne zalety dystrybucji.

Zobacz też

Bibliografia

Linki zewnętrzne