化东胜 杨振杰 刘振

摘要： 涡桨飞机动力装置控制系统通常包括发动机控制系统、螺旋桨控制系统及机上相关设备。传统控制构型采用功率杆控制发动机功率，状态杆控制螺旋桨转速/桨距。近年来出现了功率杆集成控制发动机功率和螺旋桨转速/桨距的设计构型。单杆控制构型具有操纵简单，重量轻，设备安装空间小等优点。本文提供了典型双发涡桨飞机动力装置控制系构型及其特点分析，旨在为涡桨动力装置控制系统的设计提供参考。

Abstract： Turboprop aircraft powerplant control system generally consists of engine control system， propeller control system and the related airborne equipment. The power lever shall control engine power and the condition lever shall control propeller speed/pitch in traditional control configuration. New design configuration appears in recent years which a single lever controls both engine power and propeller speed/pitch. The single lever configuration is more easily handled， with less weight and smaller installation space. This article provides typical powerplant control system configurations in dual engine Turboprop aircraft with the analysis of the different configurations′ characteristics， and intents to provide turboprop powerplant control system references.

關键词： 涡桨动力装置;发动机功率控制;螺旋桨转速/桨距控制;功率杆;状态杆

Key words： turboprop powerplant;engine power control;propeller speed/pitch control;power lever angle;condition lever angle

中图分类号：V232                                      文献标识码：A                                  文章编号：1674-957X（2022）05-0037-03

0  引言

涡桨发动机在飞机飞行速度低于小于800km/h时，其推进效率要高于涡喷涡扇发动机，因此在速度要求相对较低的运输机领域仍然有着广泛的应用。当前服役的涡桨飞机有军用的A400M、C-130等，民用支线客机MA60/600、Q400和ATR系列飞机等。

从上世纪70年代波音飞机采用电传飞行控制开始，电传控制系统在航空领域的应用得到了长足的发展，发动机和螺旋桨的机械式控制方式逐渐被电传控制方式所取代，电传控制的普及为涡桨动力装置控制系统的“单杆控制”设计构型提供了技术基础。本文研究的涡桨动力装置控制系统的构型都是基于电传控制方式。

常规的涡桨飞机动力装置控制系统采用“双杆控制”构型，功率杆控制发动机功率，状态杆控制螺旋桨转速和桨距，即“双杆控制”构型，如Q400飞机。随着电子软硬件集成技术的不断成熟，近些年出现了功率杆集成控制发动机功率和螺旋桨转速/桨距的设计构型，即“单杆控制”构型，如A400M飞机、国内在研的新舟700飞机等。本文提供了涡桨飞机动力装置控制系统的双杆控制和单杆控制的典型设计案例，并对两种控制构型的特点进行了浅析。

1  双杆控制设计构型

涡桨动力装置双杆控制构型的油门台上设置有功率杆和状态杆，图1为典型的双发涡桨飞机的油门台布局示意图：左侧为功率控制杆，设置有左、右发动机功率杆，分别用于向左、右发动机控制器（如Full Authority Digital Engine Control，FADEC等）提供功率杆角度（PLA）信号，控制发动机的功率;右侧为状态控制杆，设置有左、右螺旋桨状态杆，分别用于向左、右螺旋桨控制器（如Propeller Electric Controller，PEC等）提供状态杆杆角度（CLA）信号，控制螺旋桨的转速和桨距。

功率杆的各位置标识为：MAX. REV-最大反桨，GI-地面慢车，FI-飞行慢车，RATING/额定位，EMER-应急功率。状态杆的各位置标识为：FUEL OFF-燃油切断，START/FTHR-起动顺桨，850-螺旋桨850RPM转速，900-螺旋桨900RPM转速，1020-螺旋桨1020RPM转速。

动力装置双杆控制构型的工作原理如图2所示，机组操纵功率杆，功率杆的RVDT向发动机FADEC提供PLA信号，FADEC根据PLA和飞机状态信息（通常包括飞机空速、高度、发动机引气等）控制发动机的输出功率。机组操纵状态杆，状态杆的RVDT向螺旋桨电子控制器（PEC）提供CLA信号，PEC根据CLA信号和飞机状态信息控制螺旋桨的转速和桨距。

以图1的布局为例，双杆控制构型需要组合操纵功率杆和状态杆来改变对发动机功率和螺旋桨转速/桨距的控制，以满足飞机在不同状态下的拉力需求，具体操纵建议如表1所示。

除表1提及的典型使用场景外，机组根据飞机飞行的速度/高度要求，在FI～RATING之间操纵功率杆（状态杆通常保持在850）。

2  单杆控制设计构型

涡桨动力装置系统单杆控制构型取消了状态杆，功率杆集成控制发动机功率和螺旋桨转速/桨距。图3为典型的双发涡桨飞机单杆控制构型的油门台布局，油门台设置有左、右功率杆，功率杆的RVDT分别向左、右发动机FADEC提供PLA信号。

功率杆的各位置标识为：MAX. REV-最大反桨，GI-地面慢车，FI-飞行慢车，MCL/爬升功率，NTO/正常起飞功率，MTO/最大起飛功率。

动力装置单杆控制构型的工作原理如图4所示，机组操纵功率杆向FADEC提供PLA信号，FADEC根据PLA和飞机状态信息控制发动机的输出功率，并向PEC提供螺旋桨的转速和桨距控制指令（类似模拟的CLA信号）。PEC根据FADEC的指令控制螺旋桨速度/桨距。单杆控制构型需要设置发动机正常停车和螺旋桨正常顺桨开关支持实现发动机的正常停车功能和螺旋桨的正常顺桨功能。

以图3的布局为例，单杆控制构型操纵功率杆来改变发动机功率和螺旋桨转速/桨距，以满足飞机在不同状态下的拉力需求，具体操纵建议如表2所示。

除表2提及的典型使用场景外，巡航状态下，机组根据飞机飞行的速度/高度要求，在FI～MCL之间操纵功率杆。

3  控制构型浅析

根据上文对典型双发涡桨飞机动力装置控制系统设计构型的介绍，本章节对两种控制构型的特点进行了对比分析。

3.1 机组操纵

为了满足飞机不同飞行状态下的拉力需求，上文表1和表2分别列出了涡桨动力装置不同控制构型的操纵方式：双杆控制构型需要组合操纵功率杆和状态杆，功率杆和状态杆的组合使用场景较多;单杆控制构型只需要操纵功率杆，外界环境确定的情况下，发动机功率和螺旋桨转速仅受功率杆控制。

对比两种控制构型的操纵方式可知，单杆控制构型对机组的操纵要求更低，利于减轻机组的工作负荷。此外，现代飞机多配置有自动油门控制系统，单杆控制构型的控制方式更简单，利于支持飞机实现自动油门控制功能。

3.2 重量

双杆控制构型有功率控制杆和状态控制杆，功率杆和发动机FADEC连接，状态杆与螺旋桨PEC连接，布置在驾驶舱的油门台到发动机短舱（通常布置在机翼下方）之间的线缆较长;单杆控制构型功率杆和发动机FADEC连接，FADEC和PEC之间通讯可以借用已有的总线通道，通常无需额外的线缆连接。

以国产某型双发涡桨新舟飞机的动力装置控制系统的权衡研究为例，双杆控制构型的功率杆与FADEC交联、状态杆与PEC交联，控制系统采用双裕度设计，单侧油门台与FADEC和PEC的交联关系如图5所示;单杆控制构型的功率杆与FADEC交联、FADEC与PEC使用RS422总线进行通讯，控制系统采用双裕度设计，单侧油门台与FADEC的交联关系如图6所示。

线缆以M27500-22SM1N23单芯屏蔽线为计算基准（取12.5kg/km），油门台与短舱之间的距离按照23.6m计算;从评估数据可以看出，该新舟飞机动力装置采用单杆控制构型的重量比双杆控制构型轻6.44kg，重量优势非常明显。

3.3 适航影响

中国民航对发动机和螺旋桨的操纵器件的条款规定为CCAR25.1149条，具体内容如下：

第25.1149条螺旋桨转速和桨距的操纵器件

（a）每一螺旋桨必须有单独的螺旋桨转速和桨距的操纵器件。

（b）操纵器件必须成组排列并满足下列要求：

（1）能单独操纵每一螺旋桨;

（2）能同时操纵所有的螺旋桨。

（c）操纵器件必须能使所有螺旋桨同步。

（d）螺旋桨转速和桨距的操纵器件必须设在驾驶员油门操纵器件的右面，至少比其低25毫米（1英寸）。

根据前文的介绍，本文介绍的涡桨动力装置的双杆控制构型和单杆控制构型均能满足CCAR25.1149（a）、（b）（c）条款的要求。双杆控制构型能够满足CCAR25.1149（d）条款的要求，单杆控制构型因没有设置状态杆，从文字上不能够满足CCAR25.1149（d）条款要求。

为了表明单杆控制构型对CCAR25.1149（d）条款的适航符合性，需编制适航等效安全或申请CCAR25.1149（d）的豁免来实现对CCAR25.1149条款的适航认证。

4  结束语

涡桨飞机动力装置的单杆控制构型相较于双杆控制构型，具有操纵更简单、重量更轻、驾驶舱布置空间更小、更利于支持飞机自动油门控制功能等优点。单杆控制构型对控制系统的软硬件集成研制、系统的适航等工作的要求更高。综合评估，涡桨动力装置系统单杆控制构型更具优势，将是未来涡桨动力装置控制系统设计的首选构型。

参考文献：

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[2]时瑞军，周剑波，黄波，皮星.涡桨发动机控制技术演变及趋势[J].航空动力，2019（4）.

[3]陈怀荣，王曦.国外涡桨发动机控制技术的发展[J].航空发动机，2016年12月.