摘要：近些年来我国航空航天产业发展速度较快，各项关键核心技术不断取得突破。在航空领域中，发动机控制研究是一项重要内容，为了提高航空发动机综合性能，必须采用模拟仿真技术，在模拟仿真平台中对其电气控制方案进行测试，从而能够准确识别出设计方案存在的问题，进而对发动机电气控制方案进行优化，其中半实物虚拟仿真平台具有良好的应用效果。因此，本文将对航空发动机电气控制半实物虚拟仿真平台的开发进行深入地研究与分析，并提出一些合理的意见和措施，旨在进一步提高仿真平台开发技术水平。

关键词：航空发动机;电气控制;半实物;模拟仿真平台;技术开发

发动机作为航空飞机的核心，对于航空飞机的飞行速度、可靠性以及安全性具有决定性作用，且航空发动机对于技术水平要求极高，必须采用科学的设计方案，才能够满足航空飞机飞行要求，同时因为航空发动机造价昂贵，对于实验室条件具有明确要求，为了实现航空发动机电气控制研究，近些年来半实物虚拟仿真平台投入使用。本文设计开发一种将发动机转速、电气运动控制、控制率等集中为一体的虚拟仿真平台，在开发实验中取得良好效果。

1发动机内部构造分析

发动机是航空飞行器的动力核心，发动机的启动过程能够直接影响航空飞机能够顺利飞行，启动性能是评价航空发动机综合性能的重要指标[1]。综合来看，航空发动机内部结构较为复杂，具有多种不同形式，所以在建立半实物虚拟仿真平台前，必须对航空发动机的内部结构具有明确认知。本次研究以CFM56-5系列的航空发动机作为对象，该系列发动机在航空飞机中具有广泛应用，起飞推动范围能够达到21000—30000磅，是涡轮发动机类型中最为典型的航空发动机。CFM56-5航空发动机长度为2.14m，宽度为1.97m，重量在2381kg左右，其动力装置主要包括核心机部分和整流罩。该航空发动机的外形符合空气动力学标准，在航空飞机高空飞行时能够保持良好的稳定性，主要通过空气系统提供动力，同时能够对发动机高速旋转产生的热量进行冷却，从而避免发动机运行温度过高的问题出现;在该航空发动机的增压轴承腔内，从而使舱场内部实现通气;该航空发动机通过燃油系统实现供给和传送，燃烧室内燃烧的化学能能够对发动机活门伺服压力进行调节。空气通过进气道后，进入涡轮发动机之后会从内部涵道通过低压压气机、高压压气机、燃烧室以及低压涡轮，最后排出发动机外部;另一股气流经过风扇直接排出发动机外部，与内涵空气同时喷射，从而产生充足的动力。CFM56-5系列航空发动机为双轮发动机，高压转子和低压转子相互独立，由五个轴承分别连接，内部有两个轴承腔[2]。

CFM56-5型号航空发动机内部结构为模块化设计形式，共计分为17个模块，从功能模块方面来看，17个模块可以分为三个类别，分别为核心机模块、低压涡轮模块以及风扇模块，核心机模块主要包括高压压气机模块、燃烧室模块和高压涡轮机模块;风扇模块主要包括低压压气机模块和风扇结构组件模块。

2航空发动机三维模型构建分析

为了能够提高航空发动机三维模型构建效果，必须保证各项参数准确性，所以需要做好前期准备工作，采用适合试验研究的相关软件。本次三维模型构建采用Solidworks软件，是基于Windows系统的三维CAD软件，功能丰富完备，内部组件较多，平面草图与CAD草图的绘制过程基本相同，能够有效提高三维模型构建效率。本次三维模型构建主要为航空发动机内部构件模型，包括压气机构件模型、转子构件模型以及风扇构件模型等，需要确保每个构件与实物构建相同。将构建模型建造完成后利用Solidworks软件组件对其进行拼装，从而实现三维模型建设目的[3]。

以航空发动机的叶片构件为例，在涡轮式发动机中，叶片为壓气机和涡轮实现功能转换的核心部件，虽然叶片体积较小，但是其模型构建较为困难，叶片的主要结构包括机身和榫头，且叶片构件截面具有一定弯曲，截面形状受到位置和叶片高度的直接影响，随着叶片高度改变而变化。在叶片工作状态下，叶片通过样头能够固定在航空发动机内部。在航空发动机叶片造型确定环节中，为了便于三维模型构建，采用将叶片划分为叶身和榫头两个部分的方式，对不同部分分别进行模型构建，之后根据其实际尺寸进行拼装。叶身结构虽然看似较为简单，但是实际上模型构建极为复杂，因为叶身包括多个连续扭转曲面，且叶片具有自身剖切面重心处于同一条直线的特征，所以在模型构建时需要采用垂直于重心线的6个迫切面对叶身进行剖切，从而能够得到能够投影成为封闭二维曲线的剖切平面，通过采用Solidworks软件的平移、翻转等功能，形成叶身框架的三维模型，具体操作步骤为：（1）确定6个剖切基准面。因为叶片实物为三维结构，所以必须确定基准面，在基准面中对其进行操作，且因为基准面之间为平行关系，所以本次试验中采用等距平面形式。（2）二维曲线构造。曲线具有圆滑性特点，但是因为叶片曲线为两段圆弧和中间曲线连接构成，所以本次试验中采用取点方式进行，在两段圆弧中分别选择点位，按照基准面的数据确定连接构造。（3）扭曲平面形成。因为截面的形状和位置与叶片高度具有直接关系，会随着叶片高度的变化而发生改变，所以需要利用二维曲线构建具有封闭性的曲线，按照不同的扭转角度对其进行旋转和平移处理，并保证截面中心始终位于相同点位，才能够满足模型构建要求。（4）叶身拼装。将上述完成的构件，在软件中进行旋转、拉伸的处理，从而构成完整的叶身。

叶身构建完成后，需要完成榫头模型构建。在榫头模型构建时，需要重点考虑榫头的形状、与叶身的相对位置、在轮盘中的安装位置等，在选择适合的基准面后，在基准面中完成草图绘制，之后将凸台利用Solidworks软件进行拉伸处理，并在凸台中完成二次基准面去顶，只有绘制详细的结构草图，将多余的部分切除，反复重复上述步骤10次后，即可得到榫头模型方案，之后利用Solidworks软件的相应功能，按照发动机技术要求对其进行拼装，最终得到完整的构造模型。

3半实物虚拟仿真平台构建分析

在完成航空发动机三维模型构建后，进入本次试验最为核心的部分，即半实物虚拟仿真平台设计。在本次设计中，采用LABVIEW软件，LABVIEW软件是专门用于图形集成化的一种开发软件，并在设计中融合虚拟机构造。因为LABVIEW软件内部功能完善，具有仪器控制、数据分析等多项实用功能，且不需要较高的配置，在常规的实验用计算机中实现运行，构建出符合要求的虚拟模型机，且与实物机器功能基本相似，LABVIEW还具有丰富的函数资源，能够为用户提供更多的函数模型选择。LABVIEW软件为G语言构造，面板和程序版通过元件连接，符合本次半实物虚拟仿真平台设计要求。

针对LABVIEW软件的虚拟机构建，本次设计方案包括：（1）建立LABVIEW软件与Solidworks软件连接。LABVIEW软件能够与Solidworks软件进行转换，将Solidworks软件中绘制的航空发动机构件模型转化为WRL格式，并对Solidworks软件的输出选型进行设置，本次输出的版本格式设计为VRML97，单元设计为毫米级别;尽管Solidworks软件与LABVIEW软件存在连续性，但是并不意味着Solidworks软件所输出的所有格式都能够被LABVIEW软件使用，如果格式错误会导致三模模型无法构建，所以需要对格式进行转化。（2）模型构建方式。在路径构造选择方面，本次试验按照零件的关联度进行确定，以整流罩作底座作为基础路径，在该基础上分别设计分路径，之后按照关系将分路径和构件相对应，但是这种对应方式并不能保证构件连接之间不存在缝隙，所以需要按照模型实际情况，利用软件功能对其进行调整，从而实现构件与构件无缝连接。（3）涡轮风扇发动机转子、叶片转数控制模块、构件旋转方向确定。该部分模型构建需要按照航空发动机的实际情况进行处理。首先，在旋转速度控制方面，采用分支结构，每个旋转构件例如转子、压气机等，为其设置单独的旋转控制系统。其次，在一些显性的控制系统中，对于直接可以直接控制的部分，例如叶片的旋转控制，在面板构造中安装旋转控制按钮，利用该按钮执行控制程序，从而使葉片能够旋转。最后，在一些隐性的构造中，采用通过内部程序版获取的数据对其旋转进行自动化控制。（4）声音反馈设计。航空发动机的转速无法获取直观数据，所以需要设计一个声音反馈系统，通过声音反馈获取航空发动机的实时转速。在本次设计方案中，对转子的转动速度数据进行采集，按照转速对其声音进行匹配，从而能够直观获取当前发动机转子的实时转速，之后利用LABVIEW软件构成主体框架，并对LABVIEW软件面板进行设计，得到最终的半实物虚拟仿真平台[4]。

4硬件平台设计分析

在硬件平台设计中，本次设计方案主要包括控制器、直流电机、步进电机、直流电机控制器以及步进电机控制器，从而能够实现左右发动机运行模拟、燃油计数模拟以及启动空气阀开度模拟等，具体包括：（1）元件确定。在元件确定方面，本次设计方案采用FPGA开办板作为直流电机的控制器，从而实现内部电路控制，能够有效处理电力中的各种问题，同时能够提升可编辑门电路数量，进而提高编程控制效果，能够全面提高仿真效率。（2）电路设计。在电路设计开展前，通过对电路连接图的分析，识别出电路设计中存在的错误，并对电路可行性进行计算，通过多次优化模拟，得到最终的设计方案。（3）平台设计。按照绘制完成的电路图，对元件进行对比，考虑元件的正负特性，在软件中进行模拟，从而得到最终硬件平台。

在硬件平台构建完成后，对硬件和软件进行连接调试，将虚拟机与实验箱保持同步运行，航空发动机虚拟动态速度需要与试验箱保持一致，此时航空发动机的高低压转子与面板数值变化保持相同，从而能够实现对航空发动机电气控制的半实物仿真模拟[5]。

将设计完成的半实物虚拟仿真平台应用于CFM56-5系列发动机电气控制试验，控制方式为：控制器对发动机直流电机控制器和步进电机控制器进行控制，直流电机控制器对左发动机和右发动机进行控制;步进电机控制器对SVA1、FMV1、SAV2以及FVM2进行控制。试验结果为：（1）N2转速0%、SAV1开度0%、FMV1开度0%、SAV开度0%、FMV2开度0%、1号电机转速为0转/min、2号电机转数为0转/min、点火器A为OFF工况、点火器B为OFF工况。（2）N2转速10%、SAV1开度100%、FMV1开度0%、SAV开度110%、FMV2开度0%、1号电机转速为497转/min、2号电机转速498转/min、点火器A为OFF工况、点火器B为OFF工况。（3）N2转速16%、SAV1开度100%、FMV1开度0%、SAV开度100%、FMV2开度0%、1号电机转速速度794转/min、2号电机转速0转/min、点火器A为ON工况、点火器B为OFF工况。（4）N2转速22%、SAV1开度0%、FMV1开度100%、SAV开度100%、FMV2开度100%、1号电机转速为1067转/min、2号电机转数为1086转/min、点火器A为OFF工况、点火器B为ON工况。（5）N2转速50%、SAV1开度100%、FMV1开度100%、SAV开度100%、FMV2开度100%、1号电机转速为2498转/min、2号电机转数为2495转/min、点火器A为OFF工况、点火器B为OFF工况。（6）N2转速58%、SAV1开度100%、FMV1开度100%、SAV开度100%、FMV2开度100%、1号电机转速为2907转/min、2号电机转数为2910转/min、点火器A为OFF工况、点火器B为OFF工况。

根据试验结果可以看出，本本所设计的半实物虚拟仿真平台，能够对航空发动机的电气控制效果进行有效模拟，得到当前航空发动机的电气控制能力，如果在仿真结果中发现存在问题，则能够对其进行优化处理，对于提高航空发动机性能具有重要的作用，能够有效降低仿真试验成本，同时提高仿真试验结果准确性，全面展现出航空发动机的电气控制性能，对于提高航空发动机运行质量具有重要意义。

结语

综上所述，本文全面阐述了航空发动机的主要内部结构，并对航空发动机构件的三维模型构建方法进行分析，同时提出了半实物虚拟仿真平台和硬件平台的设计方案，以CFM56-5系列航空发动机作为试验对象，在设计的平台中进行试验，结果显示该平台具有良好的效果，希望本文能够对航空航天发动机设计领域起到一定的借鉴和帮助作用。

参考文献：

[1]宗宏钧， 肖敏. CFM56发动机控制原理及常见故障分析[J]. 教育教学论坛， 2020， 465（19）：332-334.

[2]费仇浩， 朱振宇， 包兴旺，等. 航空发动机电气控制半实物虚拟仿真平台开发[J]. 科技创新与应用， 2020， 000（010）：38-41.

[3]王志， 黄松， 温琦，等. 航空发动机多自由度调姿装置的设计与试验[J]. 航空工程进展， 2019（A02）：225-230.

[4]董力， 吴雨婷， 韩冰，等. 基于FTA的某型航空发动机电子控制系统安全性分析[J]. 电子技术与软件工程， 2019.

[5]谭渤， 王进. 航空发动机控制技术的发展趋势探讨[J]. 数字化用户， 2019， 25（014）：143.

作者介绍：石鑫（1980—  ），男，回族，江苏镇江人，硕士，副教授，研究方向：控制工程。