Современный авиационный двигатель — это сложнейшее техническое устройство, где все должно работать штатно и без отказов. В том числе система автоматического управления, от технической реализации которой зависят одни из ключевых характеристик двигателя: точность регулирования и поддержание заданного уровня тяги, газодинамическая устойчивость в широких диапазонах (способность двигателя работать без срывов и разрушительных колебаний при изменении режимов), топливная эффективность и т.д. Поэтому отказы этой системы могут привести не только к нештатной работе, но и создавать угрозу безопасности полета.
Один из ключевых компонентов управления — каналы измерений, которые выполняют роль источника входной информации о состоянии двигателя. Они состоят из датчиков, линий связи и преобразователей, которые в условиях эксплуатации подтверждены различным воздействиям (температуры, вибрации и т.д.). В случае их отказа система переходит на резервное управление, которое имеет ряд ограничений и допущений, а для систем, не имеющих гидромеханического резерва (дублирующей системы управления), это означает последующее выключение двигателя в полете (как в системе FADEC).
Как правило, необходимый уровень надежности систем измерений достигается с помощью информационной избыточности, то есть используются несколько источников данных. Для этого традиционно применяется аппаратное резервирование (дублирование или троирование), но у этого подхода есть существенные недостатки. Дело в том, что каждый резервный датчик не только добавляет вес конструкции, но и увеличивает энергопотребление и усложняет алгоритмы, тем самым увеличивая общую стоимость всей системы, хотя это не обязательно приводит к повышению надежности.
В качестве альтернативы или дополнения к аппаратному резервированию также могут применяться математические модели. Их используют для диагностики и нейтрализации отказов на основе данных других исправных датчиков.
Несмотря на то, что такой подход хорошо известен в авиации, подобные разработки для двигателей пока носят демонстрационный характер. По данным из открытых источников, подобные решения еще не применялись в реальном времени при испытаниях авиационных двигателей, а также в составе специализированного оборудования.
Ученые Пермского Политеха разработали модель адаптивного наблюдателя и совместно со специалистами АО «ОДК-Авиадвигатель» провели его испытания с последующей интеграцией в стендовое оборудование для испытаний двигателя тягой 35 тонн силы. Статья опубликована в журнале «Труды МАИ».
Программа работает в два этапа, используя специальные алгоритмы, которые ученые разработали под задачи исследования. Сначала создается математическая модель двигателя, работающая в режиме реального времени. Поскольку показатели двигателя постоянно меняются под влиянием внешних условий, температуры и естественного износа, алгоритм ученых непрерывно корректирует ее параметры. Это гарантирует, что показатели соответствуют своему физическому прототипу.
На втором этапе происходит фильтрация входных параметров. Алгоритм берет математическую модель и постоянно анализирует фоновые помехи, которые возникают в самой системе. Так же отличительная особенность алгоритма — его способность выполнять свои функции после отказов измерительных каналов. Показания отказавших датчиков заменяются прогнозными значениями, которые система вычисляет сама, когда не может получить реальные данные. Это позволяет системе сохранять работоспособность даже в таких сложных условиях, где традиционные решения дают сбой или теряют свою эффективность.
— Экспериментальную проверку алгоритма адаптивного наблюдателя мы проводили в процессе натурных испытаний двигателя-демонстратора большой тяги 35 тонн силы. Для этого использовался специализированный промышленный компьютер в составе испытательного стенда, где испытываются полноразмерные авиационные двигатели. Для обеспечения безопасности испытаний алгоритмы работали в наблюдательном режиме, то есть без возможности управления системами стенда и двигателя. Это необходимо для качественной оценки, анализа и отладки модели без риска для оборудования, — отметил Артур Плешивых, ассистент кафедры «Прикладная математика» ПНИПУ, ведущий инженер отдела расчетно-экспериментальных работ и проектирования систем автоматического управления АО «ОДК-Авиадвигатель».
В ходе испытаний двигатель работал в различных состояниях — от малого газа до взлетного режима. В результате, при разных режимах система продемонстрировала исключительную точность. Расхождение между реальными показаниями датчиков и значениями алгоритма составило менее 0,008%. Этот показатель в десять раз превышает требования современных авиационных стандартов к измерительным приборам.
— Система сохраняла точность не только в штатных условиях, но и при внешних возмущениях. Испытания алгоритмов в условиях натурного стенда подтвердили способность системы фильтровать помехи и сохранять работоспособность в неидеальных условиях, — рассказал Владимир Первадчук, доктор технических наук, заведующий кафедрой «Прикладная математика» ПНИПУ.
Эта технология важна для перспективных авиационных двигателей, к которым предъявляется ряд новейших требований, в том числе в части надежности систем автоматического управления, требующих новых инженерных решений. Успешные испытания данных алгоритмов позволяют оценить адекватность разработки, чтобы сформулировать направление для дальнейших исследований для применения в проектировании более безопасных и надежных двигателей для грузовых и пассажирских авиалайнеров.
— Направление дальнейших исследований предусматривает продолжение работы с адаптивным наблюдателем на специализированном безмоторном стенде, который с высокой точностью моделирует работу двигателя. Это позволит безопасно воспроизвести самые разные нештатные ситуации, например, отказы и сбои в показаниях датчиков. Тестирование проверит, как новый алгоритм справляется с этими проблемами в стабильных условиях и при резких изменениях на всех этапах полета, – дополнил Саженков Алексей Николаевич, кандидат технических наук, помощник генерального конструктора АО «ОДК-Авиадвигатель».