【航空小课堂】发动机“最强大脑”的奇幻世界

　　从本期开始，我们将开始为大家逐一推出航空发动机的“系统”们，他们虽然不像部件的个头辣么大，但是却扮演着“司令官”、“串联者”等重要角色，用他们无孔不入的触角保证航空发动机的平稳高效运行。

　　在本期中，来自控制系统部的美女“攻城狮”梅姣姣同学就将为大家率先推出我们发动机的“最强大脑”——控制系统。

　　如果把发动机比做一个人，那么发动机控制系统就是他的大脑，他是发动机中不可代替的一位大咖，如果失去了这位大咖，就如同一个人进入了“脑死亡”的状态，已经是一个“植物人”。说得不那么吓人一点，航空发动机控制系统就是来管理航空发动机的，他要让航空发动机怎么动就怎么动。

　　当然，咱们也不会让他想怎么玩就怎么玩的，也要照顾一下发动机的感受，于是制定了一系列的控制目标来约束控制系统，其中包括保证发动机能在既安全可靠又经济的条件运行。在此，需要提醒一下，控制一个物体很简单，但是要如何使被控对象能在最优的条件下运行，那就有很大的学问了，这也是控制界中的最高一层境界。    

▲  CFM56-7B发动机　图片来自网络

　　飞机的“最强大脑”

　　举个例子，我们来感受一下航空发动机的工作条件。空客A380是四引擎、550座级超大型远程宽体客机，它使用的发动机由英国罗罗公司提供，这是目前顶级的商用航空发动机，飞机起飞时，发动机内部最高温度达到太阳表面温度的一半，内部压力达到50个大气压，内部转子的转速达到每分钟12500转，叶片叶尖的运动速度达到2000公里/小时。在这种极端的工作条件下，控制系统的性能对于发动机的安全、稳定、高效、连续工作十分重要。

　　一个完整的航空发动机控制系统由传感器、控制器、执行机构等几个部分组成，它的整个动作过程如同人的大脑接收信息，处理信息，发送信息的过程。传感器就如同人的触感系统，用来感知周围环境的信息；控制器就如同人的大脑，将感知到的信息处理后决策接下来要干什么；执行结构就如同人的手和脚了，将大脑分析得到的控制指令付诸于行动。控制系统的运作过程如下图。

▲  航空发动机控制系统　图片来自网络

　　发动机温度、压力、转速等参数通过温度、压力、转速等传感器进行相应的“感知”，并将其“感知”得到的测量信号通过“神经系统”传输给控制器，经过控制器的处理分析后，得到相应的控制信息；然后，通过“神经系统”将控制信息传输到燃油阀、可调静子叶片、放气阀等执行机构上；最后，执行机构根据传输来的控制信息进行相应的动作，调节燃油量、可调静子叶片开度、放气阀门开度等；在控制系统的管束下，以保证飞机能安全经济地运行。

▲ 可调静子叶片调节装置　图片来自网络

　　控制器是控制系统权利最大的boss，它负责指挥执行机构的行为。控制器作为boss，有着一言九鼎的威力，它扮演发号施令的角色，而执行机构就只有乖乖听话的份啦！

▲ 电子控制器（EEC）　图片来自网络

　　虽说控制器作为家长，家中大小事都是它说了算，但它依然坚持走群众路线，广泛接收群众（传感器）反馈的意见（信号），由传感器获取发动机的状态信息，并与发动机控制的目标状态比较后作出决策，从而形成发动机闭环控制。

▲ 发动机闭环控制流程图

▲ 燃油流量传感器　图片来自网络

▲ 温度（T25）传感器　图片来自网络

　　控制器作为“控制系统”这一大家子的家长，也肩负着对外交涉的使命。别看控制器在家里拥有独占的话语权，对外它还是要听命于“飞机系统”指挥官滴! 正所谓，“一人之下，万人之上”啊！控制器接收来自飞机系统的推力指令，这个推力指令由飞行员推动油门杆在不同的角度给出。飞机的推力指令就像汽车的档位，有起飞、爬升、巡航等多个等级，控制器将推力指令变换成相应的转速，并发出控制指令给燃油系统。

　　燃油系统实际上是以燃油为介质的液压机械装置部件的统称，受控制器的支配。他将控制器发来的控制指令，转换成不同压力的燃油，去驱动执行机构，进而控制各个阀门（或活门）位置。下面就给大家介绍一下燃油系统的主力军——燃油泵和燃油计量装置。

　　燃油泵就是将飞机来油增压到一定压力水平，提供给燃油计量装置。

▲ （左）齿轮泵、（右）离心泵　图片来自网络

▲ 民用航空发动机主燃油泵　图片来自网络

　　燃油计量装置，顾名思义，它是用来实现对燃油的计量功能的。那么它是如何实现“计量”的呢？燃油计量装置接收来自boss控制器的指令，被告知当前所需的燃油流量信息。

　　一般来说，飞机来油都是多于实际所需要的，这时候燃油计量装置不淡定了，心想给我那么多，我也hold不住啊。正当它一筹莫展之际，“电液伺服阀”小伙伴挺身而出，说“我有办法”。它根据控制器给出的指令来控制计量阀的窗口面积，实现对高压油的计量。打个比方，水龙头大家都熟悉，通过旋转可以调节出水量。燃油量的调节也是如此，只是水龙头需要手动控制，而燃油计量阀是自动控制，电液伺服阀恰好提供阀门运动的驱动力。

　　这么一来，有了电液伺服阀的帮忙，燃油计量装置的工作可谓是得心应手，一切尽在掌握之中啊！

▲ 用于波音737/CFM56-7B发动机的燃油计量装置　图片来自网络

　　机载“中国好医生”

　　哎哟，差点把“大管家”给忘了。与其说是管家，倒不如“家庭医生”更贴切些。话说这位医生现在在业内可吃的开了，要是哪个控制系统没有他加持，都觉得不靠谱呢！那么这位神秘人物究竟何许人也？

　　对于人类而言，在健康面前，金钱、名利神马的都是浮云，对于发动机来说亦是如此。俗话说，身体是革命的本钱，拥有一个好身体是工作效率的保证。

　　鉴于发动机的结构复杂性，其部件、传感器及执行机构大多工作在高温高压和高转速的恶劣环境中，发生任何功能故障都可能影响发动机的正常工作，甚至引起灾难性后果。所以控制系统请来一位家庭医生——健康管理系统，他会对发动机进行体检，如果发动机的工作状态不佳，这位医生告知控制器来及时加以诊断和治疗，甚至在未发病时就可以提前进行预测。

　　发动机健康管理系统（EHM）是一种能够预测某些故障会在什么时候发生的技术。他作为发动机的家庭医生，能在潜在威胁有机会发展成为真正的问题之前将它们排除。就像我们进行“定期体检”一样，能够将疾病扼杀在萌芽中；EHM系统就相当于在给发动机做定时检查，这些检查记录主要分为三类：一是常规检查，在起飞、爬升和巡航阶段进行；二是异常引擎状态触发的记录；三是在飞行结束前记录飞行过程中的一些最大值。EHM系统通过对记录的数据进行分析判断，以确保发动机的关键参数处于并将继续处于允许范围内，并在参数超限时进行提示。

　　健康管理系统分为机载健康管理系统和地面健康管理系统。机载健康管理系统真可谓“中国好医生”，他24小时默默关注着病人病情，并实时记录病人的体征——体温、脉搏、呼吸、血压（发动机的实时参数）等，凭借自己精湛的医术（数据处理、故障分析等）给出发动机的体检报告（故障报告和寿命预测报告）。机载小医生实现了机内测试和飞行中的监测，同时他还将飞行中的数据和经他判断得出的报告发送给地面医护人员（地面健康管理系统），地面医护人员根据这些信息数据，进一步分析发动机的健康状况，形成诊断报告，给出维修决策。

　　值得一提的是，EHM系统中最关键的就是数据传回地面。这些数据既被提供给发动机公司（比如罗罗）的地面运营中心，也发送至航空公司。以罗罗的监测系统为例，这些数据每隔30分钟发送一次，航班状态之间微小的变化可以被发现，通过分析这些数据可以帮助地面人员确定飞机的飞行路径，也就是广义上的“定位”啦！EHM系统监测到的数据很多，但没有位置信息，最重要的原因是若安装了不受驾驶员控制的GPS系统，一旦被发现就会遭到致命打击，其次位置信息对于发动机健康状态的诊断也不是必需的。毕竟安全最重要嘛！

▲ EHM系统　图片来自网络

　　马航MH370失联客机发动机也是罗罗公司实时监控的“大数据引擎”之一，该发动机的传感器数据“实时”（每隔半小时发送一次健康报告，故障信息将实时发送）统一发回罗罗公司的全球发动机监控中心；而搜寻失踪飞机时最直接的方式，显然是分析飞机发出的各种联络信号。失联的MH370型客机就配有多套此类系统，飞机上可以自动与卫星网络或地面设施通信的有“飞机通信寻址和报告系统”（ACARS）、“发动机健康管理系统”（EHM）、“广播式自动相关监视系统”（ADS-B）等等，这些发回地面的信息在定位马航失联客机最终航线方面发挥着重要作用。

　　如2009年法航447号客机横越大西洋时失踪，调查人员便是根据ACARS数据，判断客机很可能已失事坠海。但是通过卫星传输数据很难做到不间断持续传播，因为没有那么多的宽带。而马航MH370航班失去联系后，ACARS的失效使得地面无法实时、连续获得客机位置，为搜寻工作制造了相当大的麻烦。

　　（本文由中航商用航空发动机有限责任公司提供，原文撰稿：梅姣姣； 责编：赵诗棋，转载时标题有修改）