FADEC- FADEC

Eine digitale Motorsteuerung (oder Elektronik ) mit voller Autorität (FADEC) ist ein System, das aus einem digitalen Computer besteht, der als "elektronische Motorsteuerung" (EEC) oder " Motorsteuereinheit " (ECU) bezeichnet wird, und dem dazugehörigen Zubehör, das alle Aspekte steuert der Leistung von Flugzeugtriebwerken. FADECs wurden für beide produzierten Kolbenmotoren und Strahltriebwerke .

FADEC für Kolbenmotor

Geschichte

Das Ziel eines jeden Motorsteuersystems besteht darin, dem Motor zu ermöglichen, unter einer gegebenen Bedingung mit maximaler Effizienz zu arbeiten. Ursprünglich bestanden Motorsteuerungssysteme aus einfachen mechanischen Gestängen, die physisch mit dem Motor verbunden waren. Durch das Bewegen dieser Hebel konnte der Pilot oder der Flugingenieur den Treibstofffluss, die Leistungsabgabe und viele andere Motorparameter steuern. Das mechanisch-hydraulische Motorsteuergerät Kommandogerät für den deutschen Kolben-Flugsternmotor BMW 801 des Zweiten Weltkriegs war nur ein bemerkenswertes Beispiel in seiner späteren Entwicklung. Diese mechanische Motorsteuerung wurde nach und nach zunächst durch eine analoge elektronische Motorsteuerung und später durch eine digitale Motorsteuerung ersetzt.

Die analoge elektronische Steuerung variiert ein elektrisches Signal, um die gewünschten Motoreinstellungen zu übermitteln. Das System war eine offensichtliche Verbesserung gegenüber der mechanischen Steuerung, hatte aber auch seine Nachteile, darunter übliche elektronische Rauschstörungen und Zuverlässigkeitsprobleme. Die analoge Steuerung mit voller Autorität wurde in den 1960er Jahren verwendet und als Bestandteil des Rolls-Royce/Snecma Olympus 593- Triebwerks des Überschalltransportflugzeugs Concorde eingeführt . Die kritischere Einlasssteuerung war jedoch beim Serienflugzeug digital.

Es folgte eine digitale elektronische Steuerung. 1968 arbeiteten Rolls-Royce und Elliott Automation in Zusammenarbeit mit der National Gas Turbine Establishment an einem digitalen Triebwerkssteuerungssystem, das mehrere hundert Betriebsstunden auf einem Rolls-Royce Olympus Mk 320 absolvierte. In den 1970er Jahren die NASA und Pratt und Whitney experimentierten mit ihrer ersten experimentellen FADEC, die zuerst auf einer F-111 geflogen wurde, die mit einem stark modifizierten linken Pratt & Whitney TF30- Motor ausgestattet war. Die Experimente führten dazu, dass Pratt & Whitney F100 und Pratt & Whitney PW2000 die ersten militärischen bzw. zivilen Triebwerke waren, die mit FADEC ausgestattet waren, und später das Pratt & Whitney PW4000 als erstes kommerzielles "Dual-FADEC" -Triebwerk. Das erste FADEC im Einsatz war das Rolls-Royce Pegasus- Triebwerk, das von Dowty und Smiths Industries Controls für den Harrier II entwickelt wurde .

Funktion

Echte digitale Motorsteuerungen mit voller Autorität haben keine Form der manuellen Übersteuerung, wodurch die volle Autorität über die Betriebsparameter des Motors in die Hände des Computers gelegt wird. Wenn ein totaler FADEC-Fehler auftritt, fällt der Motor aus. Wenn der Motor digital und elektronisch gesteuert wird, aber eine manuelle Übersteuerung zulässt, wird er nur als EEC oder ECU betrachtet . Ein EEC, obwohl ein Bestandteil eines FADEC, ist nicht selbst FADEC. Im Alleingang trifft der EEC alle Entscheidungen, bis der Pilot eingreifen möchte.

FADEC funktioniert, indem es mehrere Eingangsvariablen des aktuellen Flugzustands empfängt, einschließlich Luftdichte , Gashebelposition, Motortemperaturen, Motordrücke und viele andere Parameter. Die Eingaben werden vom EEC empfangen und bis zu 70 Mal pro Sekunde analysiert. Motorbetriebsparameter wie Kraftstofffluss, Statorleitschaufelposition, Luftablassventilposition und andere werden aus diesen Daten berechnet und nach Bedarf angewendet. FADEC steuert auch das Starten und Wiederanlassen des Motors. Der Hauptzweck der FADEC besteht darin, eine optimale Triebwerkseffizienz für einen gegebenen Flugzustand bereitzustellen.

FADEC sorgt nicht nur für einen effizienten Motorbetrieb, sondern ermöglicht es dem Hersteller auch, Motorbeschränkungen zu programmieren und Motorzustands- und Wartungsberichte zu erhalten. Um beispielsweise das Überschreiten einer bestimmten Motortemperatur zu vermeiden, kann der FADEC so programmiert werden, dass er automatisch die erforderlichen Maßnahmen ohne Eingreifen des Piloten ergreift.

Sicherheit

Da der Betrieb der Motoren so stark von der Automatisierung abhängt, ist Sicherheit ein großes Anliegen. Redundanz wird in Form von zwei oder mehr separaten, aber identischen digitalen Kanälen bereitgestellt. Jeder Kanal kann alle Motorfunktionen ohne Einschränkung bereitstellen. FADEC überwacht auch eine Vielzahl von Daten, die von den Triebwerkssubsystemen und verwandten Flugzeugsystemen stammen, und sorgt für eine fehlertolerante Triebwerkssteuerung.

Als ursächlich für den Absturz eines Airbus A400M-Flugzeugs am 9. Mai 2015 in Sevilla, Spanien, wurden Triebwerkssteuerungsprobleme angeführt, die gleichzeitig zu einem Schubverlust von bis zu drei Triebwerken führten . Marwan Lahoud, Chief Strategy Officer von Airbus, bestätigte am 29. Mai, dass eine falsch installierte Triebwerkssteuerungssoftware den tödlichen Absturz verursacht habe. "Es gibt keine strukturellen Mängel [mit dem Flugzeug], aber wir haben ein ernsthaftes Qualitätsproblem bei der Endmontage."

Anwendungen

Ein typischer Flug eines zivilen Transportflugzeugs kann die Funktion eines FADEC veranschaulichen. Die Flugbesatzung gibt zunächst Flugdaten wie Windverhältnisse, Landebahnlänge oder Reiseflughöhe in das Flight Management System (FMS) ein. Das FMS verwendet diese Daten, um Leistungseinstellungen für verschiedene Flugphasen zu berechnen. Beim Start erhöht die Flugbesatzung den Gashebel auf eine vorbestimmte Einstellung oder entscheidet sich für einen automatischen Gasstart, falls verfügbar. Die FADECs wenden nun die berechnete Startschubeinstellung an, indem sie ein elektronisches Signal an die Triebwerke senden; Es besteht keine direkte Verbindung zum offenen Kraftstofffluss. Dieser Vorgang kann für jede andere Flugphase wiederholt werden.

Im Flug werden ständig kleine Änderungen im Betrieb vorgenommen, um die Effizienz zu erhalten. Maximaler Schub ist für Notsituationen verfügbar, wenn der Gashebel auf Vollgas gestellt wird, aber die Grenzen können nicht überschritten werden; die Flugbesatzung hat keine Möglichkeit, die FADEC manuell zu übersteuern.

Vorteile

  • Bessere Kraftstoffeffizienz
  • Automatischer Motorschutz gegen Außer-Toleranz-Betrieb
  • Sicherer, da der Mehrkanal-FADEC-Computer Redundanz im Fehlerfall bietet
  • Sorgloser Motor Handling, mit garantierten Druckeinstellungen
  • Möglichkeit zur Verwendung eines einzelnen Triebwerkstyps für breite Schubanforderungen durch einfaches Umprogrammieren der FADECs
  • Bietet halbautomatischen Motorstart
  • Bessere Systemintegration mit Triebwerks- und Flugzeugsystemen
  • Kann eine langfristige Motorzustandsüberwachung und -diagnose bereitstellen
  • Anzahl der in den Kontrollprozessen verwendeten externen und internen Parameter steigt um eine Größenordnung
  • Reduziert die Anzahl der von Flugbesatzungen zu überwachenden Parameter
  • Aufgrund der hohen Anzahl überwachter Parameter ermöglicht der FADEC "fehlertolerante Systeme" (wo ein System mit bestimmten Fehlerkonfigurationen innerhalb der erforderlichen Zuverlässigkeits- und Sicherheitsgrenzen arbeiten kann)
  • Spart Gewicht

Nachteile

  • Digitale Motorsteuerungen mit voller Autorität haben keine Form der manuellen Übersteuerung, wodurch die volle Autorität über die Betriebsparameter des Motors in die Hände des Computers gelegt wird. (siehe Anmerkung)
    • Wenn ein totaler FADEC-Fehler auftritt, fällt der Motor aus. (siehe Anmerkung)
    • Bei einem totalen FADEC-Ausfall haben Piloten keine manuellen Steuerungen für den Motorneustart, das Gasgeben oder andere Funktionen. (siehe Anmerkung)
    • Das Single Point of Failure-Risiko kann mit redundanten FADECs gemindert werden (vorausgesetzt, der Fehler ist ein zufälliger Hardwarefehler und nicht das Ergebnis eines Konstruktions- oder Herstellungsfehlers, der identische Fehler in allen identischen redundanten Komponenten verursachen kann). (siehe Anmerkung)
  • Hohe Systemkomplexität im Vergleich zu hydromechanischen, analogen oder manuellen Steuerungen
  • Hoher Systementwicklungs- und Validierungsaufwand aufgrund der Komplexität
  • Während ein Nicht-FADEC-Triebwerk in Krisensituationen (z. B. drohender Geländekontakt) deutlich mehr als seinen Nennschub erzeugen kann, wird ein FADEC-Triebwerk immer innerhalb seiner Grenzen arbeiten. (siehe Anmerkung)

Hinweis: Die meisten modernen FADEC-gesteuerten Flugtriebwerke (insbesondere solche der Turboshaft-Variante) können übersteuert und in den manuellen Modus versetzt werden, wodurch die meisten der Nachteile auf dieser Liste effektiv behoben werden. Piloten sollten sich sehr bewusst sein, wo sich ihre manuelle Übersteuerung befindet, da ein versehentliches Einschalten des manuellen Modus zu einer Überdrehzahl des Motors führen kann.

Anforderungen

  • Es müssen technische Prozesse verwendet werden, um die Sensoren zu entwerfen, herzustellen, zu installieren und zu warten, die Flug- und Triebwerksparameter messen und an das Steuerungssystem selbst melden.
  • Beim Design, der Implementierung und dem Testen der Software, die in diesen sicherheitskritischen Steuerungssystemen verwendet wird, werden oft formale Systems Engineering-Prozesse verwendet. Diese Anforderung führte zur Entwicklung und zum Einsatz von spezialisierter Software wie modellbasierten Systems Engineering (MBSE)-Tools. Das Anwendungsentwicklungs-Toolset SCADE (von Esterel Technologies ) (nicht zu verwechseln mit der Anwendungskategorie SCADA ) ist ein Beispiel für ein MBSE-Tool und wurde im Rahmen der Entwicklung von FADEC-Systemen verwendet.

Forschung

Die NASA hat eher eine verteilte FADEC-Architektur als die derzeitige zentralisierte analysiert, speziell für Hubschrauber. Größere Flexibilität und niedrigere Lebenszykluskosten sind wahrscheinliche Vorteile der Distribution.

Siehe auch

Verweise

Externe Links