航空航天混合动力（1）全权限数字发动机控制器（FADEC）

1.概况
2.什么是全权限数字发动机控制器（FADEC）？
- 2.1核心技术
- 2.2应用场景
- 2.3国内FADEC供应商
- 2.4近期进展
- 2.5数字发动机控制和全权数字发动机控制有什么区别？
3.未来趋势
4.FADEC如何降低能耗？
5.FADEC如何提升飞行安全？
6.FADEC硬件设计方案

航空航天混合动力系统作为未来飞机的核心系统，在市场占比上有着重要的影响力。

1.概况

1）政策端：2024年3月，工信部等四部门联合印发《通用航空装备创新应用实施方案（2024-2030年）》，明确提出：”电动化为主攻方向，兼顾混合动力等技术路线；开展400kW以下混合推进系统研制。“

2）民用航空领域：电推进是发展方向，而混动是电推进的重要组成部分，尤其在长续航（400km 以上）、多座级通勤（6 人以上）领域，混动比纯电更具商业可行性。

3）无人机领域：油电混动+升力巡航路线实力出众，纯电无人机续航时间在几十分钟到 2-4 小时不等，混动机型则可以做到十几小时，续航、载重优势突出。

4）eVTOL 领域：国内纯电为主，但有众多厂商在研发布局混动；国外则为纯电混动并行。参考新能源车行业纯电/混动占比 6:4，我们认为飞行器未来纯电和混动将长期并行。
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混动技术有望与纯电长期并存。参考新能源车产业，纯电和混动长期并存，23年纯电和混动占比为 7:3，24 年 Q1 占比为 6:4。在动力电池性能达到理想状态之前，混动技术将成为飞行器实现长续航里程的优选方案，未来混动和纯电路线将长期并存。

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这篇文章简单概述系统总体中的全权限数字发动机控制器（FADEC）。

2.什么是全权限数字发动机控制器（FADEC）？

正如今天的汽车具有机载电子系统以提高发动机效率、可靠性和安全性，同时减少驾驶员的工作量一样，现代飞机也利用电子发动机控制（EEC）或发动机控制单元（ECU）来做同样的事情。EEC 是一种电子控制器，安装在发动机或发动机风扇壳体上，从发动机交流发电机获取动力，以接收来自传感器的数据，测量飞行员命令并监控飞行和发动机状况，例如节气门位置、燃油流量、温度、振动和压力。控制单元持续分析数据输入，并向效果器（如燃油表和风扇叶片执行器）发送命令，以控制发动机性能并提供所需的推力，同时使发动机保持在安全高效的运行参数范围内。EEC 能够自动检测飞机、发动机或控制单元本身的故障，并旨在通过备份功能或恢复到安全运行状态来缓解这些故障。发生的任何故障都会传达给飞行员并记录下来，使维护人员能够进一步调查任何潜在问题。

电子发动机控制可以是传统的模拟控制，仅使用模拟电路来计算所需的控制算法，也可以是现代数字发动机控制（DEC），它使用模拟电路处理输入和输出，结合处理器和软件来执行逻辑功能。在现代控制器中，仍然可以使用模拟电路实现简单的控制功能。尽管如此，利用现代数字控制技术，当今发动机所需的复杂控制功能可以更高效、更经济地执行。DEC 的另一个优点是它包含数字存储器，用于存储数据（例如操作参数和故障记录），这些数据可下载用于操作记录保存和预测以及维护活动。

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2.1核心技术

•传感器技术：高精度传感器实时监测发动机各项物理参数（如温度、压力、转速）。

•数字控制算法：基于复杂的数学模型，实现对发动机工作状态的精确调节和预测控制。

•冗余设计：为了安全，FADEC系统通常设计有双通道或多通道备份，确保单一故障不会影响整个系统运行。

•软件安全性：符合DO-178C等航空安全标准的软件开发流程，确保代码的可靠性。

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2.2应用场景

•商业航空：波音、空客等公司的现代客机均采用FADEC系统。

•军用航空：战斗机、运输机、侦察机及各类军用直升机。

•航天发射：部分火箭发动机也采用类似FADEC的数字化控制技术。

随着航空业对节能减排、智能化操作的需求增加，FADEC系统将持续演进，包括更智能的自适应控制策略、健康管理系统（PHM）集成，以及与飞机整体系统的深度融合，市场潜力巨大。电动飞机及混合动力推进系统的兴起也将推动FADEC技术的革新。

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2.3国内FADEC供应商

•航空工业集团下属的相关研究所，如中国航发控制系统研究所（614所），在FADEC系统国产化方面有所建树。

•成都凯天电子股份有限公司，从事航空电子设备的研发，包括发动机健康管理与控制系统。

•中航工业南京机电液压工程研究中心，也在推进航空发动机控制技术的研究。

2.4近期进展

软件更新与测试：俄罗斯MC21-21客机项目近期完成了对更新的FADEC软件的测试，涉及PD-14发动机自动控制系统，确保新软件版本的稳定性和效率。
市场分析与预测：全球与中国市场的FADEC研究报告显示，该技术领域在技术创新和市场需求方面均呈现增长趋势，分析了各区域的生产消费情况及主要生产商的市场占有率。
行业合作：FADEC联盟与GE等企业的合作加强，为新客机项目提供先进的发动机控制解决方案，如支持庞巴迪和塞斯纳的高端机型。
技术发展趋势：目前FADEC系统正朝着集中式余度设计发展，注重提升智能化水平、增强系统可靠性和安全性，同时优化燃油效率和减少排放。

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2.5数字发动机控制和全权数字发动机控制有什么区别？

数字发动机控制（DEC）通常是指利用处理器执行逻辑功能的电子发动机控制，对发动机的权限有限。借助 DEC，飞行员通过连接油门和发动机的机械连杆来控制发动机性能，并在飞行员的控制之外提供“微调”。数字控制可提高发动机效率并减少飞行员的工作量，而无需完全控制发动机。另一方面，全权数字发动机控制（FADEC）拥有发动机的完全权限或完全控制权。在 FADEC 系统中，飞行员的节气门提供模拟或数字输入，并将此输入与其他传感器输入一起使用，以产生对螺线管、电机、执行器和其他控制发动机性能的效应器的输出。现代FADEC系统进一步减少了飞行员的工作量，使发动机和飞机的运行更加安全、高效。

3.未来趋势

更高程度的智能化与自主学习能力：结合人工智能技术，未来的FADEC系统将能自我学习、适应不同的飞行条件与环境变化，实时优化发动机性能。
增强型健康监测与预见性维护：集成更先进的健康管理系统（PHM），不仅能实时监测发动机状况，还能预测潜在故障，提前规划维护，减少非计划停机时间。
网络安全强化：随着航空电子系统日益网络化，提高FADEC系统的网络安全防护能力，防止外部恶意攻击，将成为重要课题。
环保与可持续性：面对严格的排放法规，FADEC将致力于进一步降低燃油消耗和减少有害排放，支持使用可持续航空燃料（SAF）和其他新型能源。
模块化与标准化：推动设计的模块化与标准化，以便于升级、维护及跨平台应用，降低整体成本，加速新技术的应用推广。
集成到更广泛的飞机系统中：FADEC将更加紧密地与其他飞机子系统集成，如飞行管理系统（FMS）、环境控制系统等，实现全飞机性能的最优化。

4.FADEC如何降低能耗？

精准控制燃油喷射：FADEC能够根据飞行条件（如高度、速度、外界温度）精确计算并控制燃油供给量，确保每次燃烧最优化，避免过量供油造成的能量浪费。
主动发动机健康管理：实时监测发动机性能参数，预防过度磨损和非高效运行状态，通过维护优化保持发动机长期处于高效率工作区间。
智能怠速与启动控制：在地面等待和滑行阶段，FADEC管理的发动机可以维持最低必要转速，减少不必要的燃油消耗。同样，智能启动程序确保了最少的启动燃油需求。
最优飞行剖面建议：与飞机的飞行管理系统（FMS）协同工作，FADEC可以为飞行员提供最优飞行高度、速度等建议，这些方案在考虑了气象条件、飞行距离等因素后，有助于减少整体燃油消耗。
连续推力优化：在飞行过程中，FADEC持续调整发动机推力以匹配实际飞行需求，特别是在巡航阶段，维持最经济的推力设置，从而节约燃油。