FADEC

Un motor digital de plena autoridad (o electrónica) control (FADEC) es un sistema que consta de una computadora digital, llamada &# 34;controlador electrónico del motor" (CEE) o "unidad de control del motor" (ECU) y sus accesorios relacionados que controlan todos los aspectos del rendimiento del motor de aeronave. Los FADEC se han producido tanto para motores de pistón como para motores a reacción.

Historia

El objetivo de cualquier sistema de control de motor es permitir que el motor funcione con la máxima eficiencia en una condición determinada. Originalmente, los sistemas de control del motor consistían en enlaces mecánicos simples conectados físicamente al motor. Al mover estas palancas, el piloto o el ingeniero de vuelo podían controlar el flujo de combustible, la potencia y muchos otros parámetros del motor. La unidad de control de motor mecánico/hidráulico Kommandogerät para el motor radial de aviación de pistón BMW 801 de Alemania de la Guerra Mundial II fue sólo un ejemplo notable de esto en sus últimas etapas de desarrollo. Este control mecánico del motor fue progresivamente sustituido primero por un control electrónico analógico del motor y, posteriormente, por un control digital del motor.

El control electrónico analógico varía una señal eléctrica para comunicar la configuración deseada del motor. El sistema supuso una mejora evidente con respecto al control mecánico, pero tenía sus inconvenientes, incluidas las interferencias de ruido electrónico comunes y problemas de confiabilidad. El control analógico de autoridad total se utilizó en la década de 1960 y se introdujo como componente del motor Rolls-Royce/Snecma Olympus 593 del avión de transporte supersónico Concorde. Sin embargo, el control de entrada más crítico era digital en el avión de producción.

Siguió el control electrónico digital. En 1968, Rolls-Royce y Elliott Automation, junto con el National Gas Turbine Establishment, trabajaron en un sistema de control de motor digital que completó varios cientos de horas de funcionamiento en un Rolls-Royce Olympus Mk 320. En la década de 1970, la NASA y Pratt y Whitney experimentó con su primer FADEC experimental, volado por primera vez en un F-111 equipado con un Pratt & Whitney TF30 motor izquierdo. Los experimentos llevaron a Pratt & Whitney F100 y Pratt & Whitney PW2000 fue el primer motor militar y civil, respectivamente, equipado con FADEC, y más tarde Pratt & Whitney PW4000 como el primer FADEC comercial "dual" motor. El primer FADEC en servicio fue el motor Rolls-Royce Pegasus desarrollado para el Harrier II por Dowty and Smiths Industries Controls.

Función

Los controles digitales del motor con verdadera autoridad total no tienen ningún tipo de anulación manual ni controles manuales disponibles, lo que coloca la autoridad total sobre todos los parámetros operativos del motor en manos de la computadora. Si ocurre una falla total del FADEC, el motor falla. Si el motor se controla digital y electrónicamente pero permite la anulación manual, se considera un EEC o ECU. Una CEE, aunque es un componente de un FADEC, no es en sí misma un FADEC. Cuando está solo, el CEE toma todas las decisiones hasta que el piloto desea intervenir. El término FADEC a menudo se usa incorrectamente para controles digitales parciales del motor, como aquellos que solo controlan electrónicamente el combustible y el encendido.

FADEC funciona recibiendo múltiples variables de entrada de la condición de vuelo actual, incluida la densidad del aire, la posición de solicitud de la palanca de potencia, las temperaturas del motor, las presiones del motor y muchos otros parámetros. Las entradas son recibidas por la CEE y analizadas hasta 70 veces por segundo. Los parámetros de funcionamiento del motor, como el flujo de combustible, la posición de las paletas del estator, la posición de la válvula de purga de aire y otros, se calculan a partir de estos datos y se aplican según corresponda. FADEC también controla el arranque y reinicio del motor. El propósito básico del FADEC es proporcionar una eficiencia óptima del motor para una condición de vuelo determinada.

FADEC no solo proporciona un funcionamiento eficiente del motor, sino que también permite al fabricante programar las limitaciones del motor y recibir informes de mantenimiento y estado del motor. Por ejemplo, para evitar exceder una determinada temperatura del motor, el FADEC se puede programar para que tome automáticamente las medidas necesarias sin intervención del piloto.

Seguridad

Dado que el funcionamiento de los motores depende de la automatización, la seguridad es una gran preocupación. La redundancia se proporciona en forma de dos o más canales digitales separados pero idénticos. Cada canal puede proporcionar todas las funciones del motor sin restricciones. FADEC también monitorea una variedad de datos provenientes de los subsistemas del motor y los sistemas relacionados de la aeronave, proporcionando un control del motor tolerante a fallas.

Los problemas de control del motor que causaron simultáneamente una pérdida de empuje en hasta tres motores se han citado como causales en el accidente de un avión Airbus A400M en Sevilla, España, el 9 de mayo de 2015. El director de estrategia de Airbus, Marwan Lahoud, confirmó el 29 de mayo que se instaló incorrectamente. El software de control del motor provocó el accidente mortal. "No hay defectos estructurales [en el avión], pero tenemos un grave problema de calidad en el ensamblaje final".

Aplicaciones

Un vuelo típico de un avión de transporte civil puede ilustrar la función de un FADEC. La tripulación de vuelo primero ingresa datos de vuelo, como las condiciones del viento, la longitud de la pista o la altitud de crucero, en el sistema de gestión de vuelo (FMS). El FMS utiliza estos datos para calcular los ajustes de potencia para las diferentes fases del vuelo. En el despegue, la tripulación de vuelo avanza la palanca de potencia a una configuración predeterminada u opta por un despegue con acelerador automático, si está disponible. Los FADEC ahora aplican la configuración de empuje de despegue calculada enviando una señal electrónica a los motores; no existe un vínculo directo con el flujo abierto de combustible. Este procedimiento se puede repetir para cualquier otra fase del vuelo.

En vuelo, se realizan constantemente pequeños cambios en la operación para mantener la eficiencia. El empuje máximo está disponible para situaciones de emergencia si la palanca de potencia se avanza al máximo, pero no se pueden exceder las limitaciones; la tripulación de vuelo no tiene medios para anular manualmente el FADEC.

Ventajas

• Protección automática del motor contra operaciones fuera de la tolerancia
• Más seguro como el ordenador FADEC de múltiples canales proporciona redundancia en caso de fracaso
• Manejo de motor sin cuidado, con ajustes de empuje garantizados
• Capacidad para utilizar el tipo de motor único para los requisitos de empuje anchos mediante la reprogramación de los FADECs
• Proporciona arranque de motor semiautomático
• Proporciona un control de alta velocidad adecuado para el calentamiento del motor del pistón
• Mejor integración de sistemas con sistemas de motores y aviones
• Puede proporcionar monitorización y diagnóstico de salud a largo plazo del motor
• El número de parámetros externos e internos utilizados en los procesos de control aumenta por un orden de magnitud
• Reduce el número de parámetros a ser monitoreados por los equipos de vuelo
• Debido al alto número de parámetros monitorizados, el FADEC permite "Sistemas de Tolerancia Predeterminada" (donde un sistema puede funcionar dentro de la confiabilidad requerida y la limitación de seguridad con determinadas configuraciones de fallas)

Desventajas

• Los controles de motores digitales de autoridad completa no tienen forma de anulación manual disponible, colocando plena autoridad sobre los parámetros operativos del motor en las manos del ordenador. (véase la nota)
  • Si se produce un fallo FADEC total, el motor falla. (véase la nota)
  • Tras el fracaso total de FADEC, los pilotos no tienen controles manuales para el reinicio del motor, el acelerador u otras funciones. (véase la nota)
  • Un solo punto de riesgo de fallo puede ser mitigado con FADECs redundantes (asumiendo que el fallo es una falla de hardware aleatoria y no el resultado de un error de diseño o fabricación, que puede causar fallas idénticas en todos los componentes redundantes idénticos). (véase la nota)
• Alta complejidad del sistema en comparación con los sistemas de control hidromecánico, analógico o manual
• Altos esfuerzos de desarrollo y validación del sistema debido a la complejidad
• Mientras que en crisis (por ejemplo, contacto inminente del terreno), un motor no FADEC puede producir significativamente más que su empuje nominal, un motor FADEC siempre funcionará dentro de sus límites. (véase la nota)

Nota: La mayoría de los motores de avión modernos controlados por FADEC (particularmente los de la variedad turboeje) se pueden anular y colocar en modo manual, contrarrestando efectivamente la mayoría de las desventajas de esta lista. Los pilotos deben ser muy conscientes de dónde está ubicada la anulación manual, porque la activación inadvertida del modo manual puede provocar una velocidad excesiva del motor.

Requisitos

• Los procesos de ingeniería deben utilizarse para diseñar, fabricar, instalar y mantener los sensores que miden y reportan los parámetros de vuelo y motor al propio sistema de control.
• Los procesos de ingeniería de sistemas formales se utilizan a menudo en el diseño, la implementación y la prueba del software utilizado en estos sistemas de control de seguridad crítica. Este requisito dio lugar a la elaboración y utilización de software especializado, como herramientas de ingeniería de sistemas basados en modelos (MBSE). La herramienta de desarrollo de aplicaciones SCADE (de Ansys) (para no confundirse con la categoría de aplicación SCADA) es un ejemplo de una herramienta MBSE y se ha utilizado como parte del desarrollo de sistemas FADEC.

Investigación

La NASA ha analizado una arquitectura FADEC distribuida en lugar de la actual centralizada, específica para helicópteros. Una mayor flexibilidad y menores costos del ciclo de vida son probablemente ventajas de la distribución.