FADEC

W pełni autonomiczne cyfrowe sterowanie silnikiem (lub elektroniką ) (FADEC) to system składający się z komputera cyfrowego, zwanego „elektronicznym sterownikiem silnika” (EEC) lub „ jednostką sterującą silnika ” (ECU) oraz powiązanych z nim akcesoriów kontrolujących wszystkie aspekty osiągów silnika samolotu. FADEC zostały wyprodukowane zarówno dla silników tłokowych , jak i silników odrzutowych .

FADEC dla silnika tłokowego

Historia

Celem każdego układu 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 mógł kontrolować przepływ paliwa, moc wyjściową i wiele innych parametrów silnika. Kommandogerät do niemieckiego tłokowego silnika gwiazdowego BMW 801 z czasów II wojny światowej była tylko jednym z godnych uwagi przykładów tego na późniejszych etapach rozwoju. To mechaniczne sterowanie silnikiem było stopniowo zastępowane najpierw analogowym elektronicznym sterowaniem silnikiem, a później cyfrowym sterowaniem silnikiem.

Analogowe sterowanie elektroniczne zmienia sygnał elektryczny, aby przekazać żądane ustawienia silnika. System stanowił wyraźną poprawę w stosunku do sterowania mechanicznego, ale miał swoje wady, w tym typowe zakłócenia elektroniczne i problemy z niezawodnością. Pełne sterowanie analogowe zastosowano w latach 60. XX wieku i wprowadzono jako element Rolls-Royce/Snecma Olympus 593 naddźwiękowego samolotu transportowego Concorde . Jednak bardziej krytyczna kontrola wlotu była cyfrowa w samolotach produkcyjnych.

Następnie zastosowano cyfrowe sterowanie elektroniczne. W 1968 roku firmy Rolls-Royce i Elliott Automation we współpracy z National Gas Turbine Establishment pracowały nad cyfrowym systemem sterowania silnikiem, który wykonał kilkaset godzin pracy w Rolls-Royce Olympus Mk 320. W latach 70. XX wieku NASA i Pratt oraz Whitney eksperymentował ze swoim pierwszym eksperymentalnym FADEC, po raz pierwszy latając 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 działającym FADEC był Rolls-Royce Pegasus opracowany dla Harrier II przez Dowty and Smiths Industries Controls .

Funkcjonować

Prawdziwe cyfrowe sterowanie silnikiem z pełnymi uprawnieniami nie ma żadnej dostępnej formy ręcznego sterowania, dzięki czemu pełna władza nad parametrami roboczymi silnika spoczywa w rękach komputera. Jeśli wystąpi całkowita awaria FADEC, silnik ulegnie awarii. Jeśli silnik jest sterowany cyfrowo i elektronicznie, ale umożliwia ręczne sterowanie, jest uważany wyłącznie za EEC lub ECU . EEC, chociaż jest elementem FADEC, nie jest samo w sobie FADEC. Stojąc samotnie, EEC podejmuje wszystkie decyzje, dopóki pilot nie zechce interweniować.

FADEC działa, otrzymując wiele zmiennych wejściowych dotyczących bieżących warunków lotu, w tym gęstość powietrza , pozycję dźwigni przepustnicy, temperaturę silnika, ciśnienie w silniku i wiele innych parametrów. Dane wejściowe są odbierane przez EEC i analizowane do 70 razy na sekundę. Parametry pracy silnika, takie jak przepływ paliwa, pozycja łopatek stojana, pozycja zaworu upustowego powietrza 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 sprawności silnika w danych warunkach lotu.

FADEC nie tylko zapewnia wydajną pracę silnika, ale także pozwala producentowi zaprogramować ograniczenia silnika oraz otrzymywać raporty o stanie silnika i konserwacji. Na przykład, aby uniknąć przekroczenia określonej temperatury silnika, FADEC można zaprogramować tak, aby automatycznie podejmował niezbędne działania bez interwencji pilota.

Bezpieczeństwo

Ponieważ działanie silników opiera się na automatyzacji, bezpieczeństwo jest bardzo ważne. 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 statku powietrznego, zapewniając kontrolę silnika odporną na awarie .

Problemy z kontrolą silnika powodujące jednoczesną utratę ciągu nawet trzech silników zostały wymienione jako przyczyna katastrofy samolotu Airbus A400M w Sewilli w Hiszpanii w dniu 9 maja 2015 r . Dyrektor ds. Strategii Airbusa, Marwan Lahoud, potwierdził 29 maja, że ​​nieprawidłowo zainstalowane oprogramowanie sterujące silnikiem spowodowało śmiertelną katastrofę. „Nie ma żadnych wad konstrukcyjnych [w samolocie], ale mamy poważny problem z jakością końcowego montażu”.

Aplikacje

Typowy lot cywilnego samolotu transportowego może ilustrować funkcję FADEC. Załoga lotnicza najpierw wprowadza dane lotu, takie jak warunki wietrzne, pasa startowego lub wysokość przelotowa, do systemu zarządzania lotem (FMS). FMS wykorzystuje te dane do obliczenia ustawień mocy dla różnych faz lotu. Podczas startu załoga lotnicza przesuwa przepustnicę do wcześniej określonego ustawienia lub wybiera start z automatyczną przepustnicą, jeśli jest dostępna. FADEC stosują teraz obliczone ustawienie ciągu startowego, wysyłając sygnał elektroniczny do silników; nie ma bezpośredniego połączenia z otwartym przepływem paliwa. Procedurę tę można powtórzyć dla każdej innej fazy lotu. [ potrzebne źródło ]

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

Zalety

  • Lepsza efektywność paliwowa
  • Automatyczna ochrona silnika przed operacjami poza tolerancją
  • Bezpieczniejsze, ponieważ wielokanałowy komputer FADEC zapewnia redundancję w przypadku awarii
  • Beztroska obsługa silnika z gwarantowanymi ustawieniami ciągu
  • Możliwość wykorzystania jednego typu silnika do wymagań szerokiego ciągu poprzez zwykłe przeprogramowanie FADEC
  • Zapewnia półautomatyczny rozruch silnika
  • Lepsza integracja systemów z silnikami i układami 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 muszą być monitorowane przez załogi lotnicze
  • Ze względu na dużą liczbę monitorowanych parametrów, FADEC umożliwia „Systemy odporne na awarie” (gdzie system może działać w ramach wymaganej niezawodności i ograniczeń bezpieczeństwa przy określonych konfiguracjach błędów)
  • Oszczędza na wadze

Niedogodności

  • Cyfrowe sterowanie silnikiem z pełnymi uprawnieniami nie ma dostępnej formy ręcznego sterowania, co daje komputerowi pełną władzę nad parametrami roboczymi silnika. (patrz uwaga)
    • Jeśli wystąpi całkowita awaria FADEC, silnik ulegnie awarii. (patrz uwaga)
    • Po całkowitej awarii FADEC piloci nie mają ręcznego sterowania ponownym uruchomieniem silnika, przepustnicą ani innymi funkcjami. (patrz uwaga)
    • Ryzyko pojedynczego punktu awarii można ograniczyć za pomocą redundantnych FADEC (zakładając, że awaria jest przypadkową awarią sprzętu, a nie wynikiem błędu projektowego lub produkcyjnego, który może spowodować identyczne awarie we wszystkich identycznych redundantnych komponentach). (patrz uwaga)
  • Wysoka złożoność systemu w porównaniu z systemami sterowania hydromechanicznego, analogowego lub ręcznego
  • Wysokie nakłady na rozwój i walidację systemu ze względu na złożoność
  • Podczas gdy w sytuacjach kryzysowych (na przykład zbliżający się kontakt z terenem) silnik inny niż FADEC może wytworzyć ciąg znacznie większy niż znamionowy, silnik FADEC zawsze będzie działał w swoich granicach. (patrz uwaga)

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

Wymagania

  • Procesy inżynieryjne muszą być wykorzystywane do projektowania, produkcji, instalacji i konserwacji czujników, które mierzą i przekazują parametry lotu i silnika do samego systemu sterowania.
  • Formalne procesy inżynierii systemów są często wykorzystywane w 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 do inżynierii systemów opartej na modelach (MBSE). Zestaw narzędzi do tworzenia aplikacji SCADE (z Ansys ) (nie mylić z kategorią aplikacji SCADA ) jest przykładem narzędzia MBSE i był używany jako część rozwoju systemów FADEC.

Badania

NASA przeanalizowała rozproszoną architekturę FADEC zamiast obecnej scentralizowanej, szczególnie dla helikopterów . Większa elastyczność i niższe koszty cyklu życia to prawdopodobnie zalety dystrybucji.

Zobacz też

Linki zewnętrzne

Pobrano z „ https://en.wikipedia.org/w/index.php?title=FADEC&oldid=1138135389 ”