FADEC (angl. Full Authority Digital Engine Control)

Skoraj vsako področje v letalstvu ponuja zanimive kratice in okrajšave. Mnoge med njimi predstavljajo široko tehnično ozadje in povezave med sistemi, ki se med seboj zelo natančno zlivajo v celoto - letalo. Tokrat bomo raziskali pot med pilotom in motorjem skozi FADEC, napredni sistem digitalnega nadzora, ki posadki omogoča, da je upravljanje delovanja motorjev v vsakem trenutku varno in učinkovito.

V svoji najenostavnejši obliki sistemi za upravljanje motorjev letala niso nič drugega kot mehanske vezi med pilotom in motorjem. Pilot s premiki ročic nadzira pretok goriva do motorja in s tem potisk, ki ga v dani situaciji potrebuje. Ne glede na to ali gre za preprost batni motor športnega letala ali zapleten reaktivni motor je cilj nadzora delovanja vedno enak - upravljati motor na najbolj učinkovit in varen način.

Prvi razvojni korak naprej od enostavnega mehanskega oz. ročnega nadzora delovanja motorja so bili testni sistemi za elektronski nadzor motorjev v šestdesetih letih, t.i. analogni elektronski sistemi. Mehansko povezavo med pilotom in motorjem so zamenjali z električnim signalom, ki je nastavitev pogona (potiska) spreminjal v realnem času večkrat v sekundi. Komercialno so tak sistem prvič uporabili na motorjih evropskega nadzvočnega letala Concorde (motorji Rolls Royce Olympus 593).

Digitalni elektronski sistemi nadzora motorjev so bili naslednji logični korak. V sedemdesetih sta prve preizkusne sisteme za vojaške programe začela razvijati NASA in proizvajalec motorjev Pratt and Whitney. To so bili prvi preizkusni sistemi FADEC, ki so že delovali kot digitalni kontrolni sistemi s popolnim nadzorom oz. oblastjo nad motorji - odtod tudi angl. ime: 'Full Authority Digital Engine Control'.

Sestavni deli in delovanje sistemov FADEC
V smislu delovanja se sistemi za digitalni nadzor delovanja motorjev na letalu ne razlikujejo od sorodnih sistemov v novejših avtomobilih. Njihov cilj je povsem enak - zagotoviti največjo učinkovitost delovanja motorja v danih razmerah.

Glavna dela vsakega FADEC-a sta digitalni računalnik in enota za elektronski nadzor motorjev (angl. Electronic Control Unit ali ECU). Vse podatke, potrebne za nadzor, enotama zagotavljajo senzorji v realnem času. Ti zajemajo podatke o gostoti zraka, temperaturah in tlakih v motorju, dotoku goriva, položaju ročic za plin itn., medtem ko FADEC nadzira tudi zagon motorjev. Podatke sprejema enota za elektronski nadzor in jih analizira tudi po 100-krat na sekundo. Velike prednosti in koristi FADEC sistemi omogočajo na dolgi rok, saj lahko proizvajalci tehnične omejitve za varno delovanje motorjev vprogramirajo v sistem. Motorji svojih kritičnih meja tako sploh ne morejo doseči, saj FADEC v izrednih razmerah posreduje namesto pilota, praviloma takoj in dosti bolj natančno.

Kot vidimo FADEC ponuja ogromno prednosti: bolj učinkovito porabo goriva, samodejno varovanje motorjev pred nedovoljenimi stanji delovanja, zagotavlja natančno diagnostiko motorjev na dolgi rok, boljšo povezanost motorjev z ostalimi sistemi na letalu, posadki zmanjšuje zahtevnost in količino dela, saj mnoge spremenljivke nadzira in se v pred-programiranih stanjih letala nanje samodejno odziva (primer:  če letalo izgubi vzgon, FADEC takoj sproži polni potisk motorjev).

Kljub vsem prednostim, ki jih FADEC ponuja, je potrebno poznati še eno njegovih temeljnih značilnosti. Ker je FADEC sistem popolnega nadzora ('Full Authority'), ima kot digitalni računalnik nad delovanjem motorjev popoln nadzor, ki ga posadka ne more prevzeti v nobeni situaciji. Z drugimi besedami - v teoretičnem primeru popolne okvare FADEC-a posadka izgubi tudi motorje (potisk). Ker je sistem povsem avtomatski, piloti v takem primeru nimajo nobenih možnosti ročnega nadzora nad motorji. To tveganje proizvajalci omejijo s tem, da FADEC kot sistem na letalu podvojijo ali celo potrojijo in s tem zagotovijo potrebno 'odvečnost' sistemov (FADEC deluje po dveh ali več enakih, a ločenih digitalnih kanalih).

fedec.jpg
                                (FADEC na motorju Pratt&Whitney PW305, vir: United Technologies, 2003)

FADEC na batnih motorjih

Tako zapleteni in napredni sistemi so pri velikih reaktivnih letalih običajni. Kako pa je z manjšimi letali?

FADEC-i v batnih motorjih ponujajo enake prednosti kot pri večjih reaktivnih motorjih, a v manjša propelerska letala prodirajo šele v zadnjih letih. Razlogi za to so zaenkrat še vedno zelo visoki stroški razvoja in certificiranja sistemov na enoto (na motor). Predvsem ameriška podjetja se trudijo razviti FADEC-e za batne motorje, katerih cena ne bi bistveno presegala cen podobnih sistemov v osebnih avtomobilih, ki pa bi izpolnjevali bistveno večjo zanesljivost po letalskih zahtevah, predvsem ko gre za vžig in vibracije.

FADEC batnemu motorju lahko zagotovi večjo moč in podaljša življenjsko dobo. To je možno z optimiranjem mešanice zraka in goriva, ne da bi pri tem tvegali presuho mešanico (premalo goriva), previsoke temperature in detonacije. čŒe se temperature batov ali izpušnih plinov dvignejo preveč, FADEC dodaja gorivo vsakemu valju posebej in s tem nadzira in zagotavlja popolno ravnovesje med temperaturami in izhodno močjo. Nadzira tudi časovno optimalno iskrenje svečk! Tako lahko motor doseže večjo moč med vzpenjanjem in v križarjenju kot enak motor brez FADEC-a. Medtem ko pilot brez slednjega zgolj po občutku nadzira mešanico za vse valje naenkrat in tako doseže nek skupni približek, FADEC v vsakem trenutku izbira popolno mešanico za vsak valj in s tem zagotavlja večjo skupno moč. To bi bilo brez elektronskega nadzora dotoka goriva povsem nemogoče!

Poleg naštetega FADEC v batnem motorju zamenja sistem magnetov (odpade vzdrževanje), odpade tudi nadzor ogrevanja vplinjača in vžiga (prvi dotok goriva). In vendar bodo prav široke možnosti uporabe poleg cene v prihodnosti najbrž tisti temeljni problem, zaradi katerega bo FADEC-e zelo težko uporabiti kar v vsakem manjšem letalu. V takih primerih namreč ne gre za enostavne nadgradnje temveč zapletene postopke vgradnje v letala, ki so že certificirana in je zato vanje težavno posegati.

fedec_a320.jpg
                                                         FADEC na potniškem letalu (Airbus A320)

Airbus v družini letal A320 ne glede na dobavitelja motorjev (SNECMA-GE CFM56-5 ali IAE V2500) uporablja enak sistem FADEC, ki je ponazorjen na shematskem prikazu zgoraj.

Glavni del FADEC-a tvori enota za elektronski nadzor motorjev (ECU) ter naslednji podsistemi: hidromehanični regulator pretoka goriva, sistem naprav za vžig in zagon, sistem za protipotisk, sistem za vračanje oz. protitok goriva (angl. fuel recirculation) ter sistem senzorjev na motorjih. FADEC med letenjem kot glavno kategorijo regulira potisk in ne pretoka goriva, ter opravlja naslednje naloge:

1. Zaščita pred prevelikimi obremenitvami - Ta delovna funkcija FADEC-a zagotavlja varovanje motorja pred 'prevrtenjem' oz. prekoračitvijo največjih dovoljenih obratov motorja.

2. Upravljanje moči potiska (angl. power management) - Računalnik glede na položaj obeh ročic za potisk določa oz. ugotavlja, katero kategorijo potiska pilot zahteva: največji potisk za vzlet, največji potisk za potovalno križarjenje ali 'potisk v prostem teku'. V skladu s tem položajem računalnik ve, kakšne so mejne vrednosti delovanja pri teh potiskih (t.i. thrust rating) in potisk temu primerno lahko tudi avtomatsko regulira. Ta sistem je v angleškem žargonu znan kot Auto Throttle System (ATS).

3. Zagon motorjev - Zagon se ponavadi izvaja avtomatsko, možen pa je tudi ročni zagon. FADEC zagon upravlja v naslednjih korakih: odprtje ventila stisnjenega zraka (za zagonsko turbino), vključitev vžiga, odprtje ventila za gorivo in nadzor dotoka goriva. Hkrati FADEC nadzoruje rotacijske hitrosti ventilatorja in visokotlačne turbine (N1 in N2).

4. Upravljanje protipotiska z vsemi podfunkcijami in nadzorom obratov med vklopom protipotiska.

5. Upravljanje protitoka goriva - Del goriva, ki teče skozi hidromehanični regulator pretoka v motor, se uporablja za hlajenje olja v reduktorju. Tako ogreto gorivo zopet potuje v črpalko goriva ali nazaj v rezervoarje. V fazah delovanja motorja, ko 'hladilno' gorivo zajame preveč toplote (nad določeno temperaturno mejo), se mu pred vrnitvijo v rezervoarje primeša hladno gorivo. Tak protitok se ne izvaja v fazah vzletanja ali v izjemnih razmerah, ko ima gorivo temperaturo 50°C ali več.

Podajanje signalov za prikaz na instrumentih - FADEC svoje delovanje pilotom prikazuje na zaslonih v kabini. Prikazuje primarne spremenljivke motorjev (obrati N1 in N2, temperatura izpuha in pretok goriva), stanje zagonskega sistema, sistema za protipotisk in celo njegovo lastno stanje (normalno stanje in prikaz lastnih napak).

Avtor: Tomaž Sitar