ファデック

航空分野において、フルオーソリティデジタルエンジン（または電子）制御装置（FADEC）（/ ˈ f eɪ d ɛ k /）は、「電子エンジン制御装置」（EEC）または「エンジン制御ユニット」（ECU）と呼ばれるデジタルコンピュータと、航空機エンジンの性能をあらゆる側面から制御する関連アクセサリで構成されるシステムです。FADECは、ピストンエンジンとジェットエンジンの両方に製造されています。[ 1 ]

ピストンエンジン用FADEC

歴史

あらゆるエンジン制御システムの目的は、与えられた条件下でエンジンが最大限の効率で動作できるようにすることです。当初、エンジン制御システムは、エンジンに物理的に接続された単純な機械的連結機構で構成されていました。パイロットまたは航空機関士は、これらのレバーを動かすことで、燃料流量、出力、その他多くのエンジンパラメータを制御できました。第二次世界大戦中のドイツのBMW 801ピストン航空星型エンジン用のコマンドーゲレート社製の機械式/油圧式エンジン制御装置は、開発後期における注目すべき一例です。[ 2 ]この機械式エンジン制御は、最初はアナログ電子式エンジン制御に、後にデジタルエンジン制御 に徐々に置き換えられていきました。

アナログ電子制御は、電気信号を変化させることで、所望のエンジン設定を伝えます。このシステムは機械式制御に比べて明らかに改善されていましたが、電子ノイズ干渉や信頼性の問題といった欠点もありました。完全なアナログ制御は1960年代に採用され、超音速輸送機コンコルドのロールスロイス/スネクマ社製オリンパス593エンジンのコンポーネントとして導入されました。[ 3 ]しかし、量産機ではより重要な吸気口制御はデジタル化されました。[ 4 ]

デジタル電子制御がそれに続いた。1968年、ロールス・ロイス社とエリオット・オートメーション社は、国立ガスタービン研究所と共同で、ロールス・ロイス・オリンパスMk320に搭載されたデジタルエンジン制御システムの開発に取り組み、数百時間の運用を達成した。[ 5 ] 1970年代には、NASAとプラット・アンド・ホイットニー社が初の実験的FADECの実験を行い、高度に改造されたプラット・アンド・ホイットニーTF30左エンジンを搭載したF-111で初飛行を行った。この実験の結果、プラット・アンド・ホイットニーF100とプラット・アンド・ホイットニーPW2000が、それぞれFADECを搭載した初の軍用エンジンと民間エンジンとなり、後にプラット・アンド・ホイットニーPW4000が初の商用「デュアルFADEC」エンジンとなった。最初に運用されたFADECは、ダウティとスミス・インダストリーズ・コントロールズがハリアーII用に開発したロールスロイス・ペガサスエンジンであった。[ 6 ]

関数

真に完全な権限を持つデジタル エンジン コントロールでは、手動オーバーライドや手動制御は一切使用できず、エンジンのすべての動作パラメータに対する完全な権限がコンピュータに委ねられます。 FADEC が完全に故障すると、エンジンは故障します。エンジンがデジタルかつ電子的に制御されていても、手動オーバーライドが可能な場合は、EEC またはECUと見なされます。 EEC は FADEC のコンポーネントですが、それ自体は FADEC ではありません。単独では、パイロットが介入を望むまで EEC がすべての決定を下します。 FADEC という用語は、燃料と点火のみを電子的に制御する部分的なデジタル エンジン コントロールを指すために誤用されることがよくあります。ターボチャージャー付きピストン エンジンでは、FADEC の定義を満たすために、すべての吸気流量をデジタルで制御する必要があります。

FADECは、空気密度、パワーレバーの要求位置、エンジン温度、エンジン圧力など、現在の飛行状況に関する複数の入力変数を受信することで機能します。これらの入力はEECによって受信され、1秒間に最大70回分析されます。燃料流量、ステータベーン位置、エアブリードバルブ位置などのエンジン動作パラメータは、このデータから計算され、必要に応じて適用されます。FADECはエンジンの始動と再始動も制御します。FADECの基本的な目的は、与えられた飛行状況において最適なエンジン効率を提供することです。

FADECは、エンジンの効率的な運転を可能にするだけでなく、メーカーがエンジンの制限値をプログラムし、エンジンの状態やメンテナンスに関するレポートを受け取ることも可能にします。例えば、エンジンが特定の温度を超えないように、パイロットの介入なしにFADECが自動的に必要な措置を講じるようにプログラムすることも可能です。[ 7 ]

安全性

エンジンの運用は自動化に依存しているため、安全性は大きな懸念事項です。冗長性は、2つ以上の独立した同一デジタルチャネルの形で提供されます。各チャネルは、すべてのエンジン機能を制限なく提供できます。FADECは、エンジンサブシステムおよび関連する航空機システムから送信されるさまざまなデータを監視し、フォールトトレランスなエンジン制御を実現します。

2015年5月9日、スペインのセビリアで発生したエアバスA400M機の墜落事故の原因として、最大3基のエンジンの推力喪失を引き起こすエンジン制御の不具合が指摘されている。エアバスの最高戦略責任者であるマルワン・ラフード氏は5月29日、エンジン制御ソフトウェアの不適切なインストールが致命的な墜落事故の原因であったことを認めた。「（機体に）構造的な欠陥はありませんが、最終組立工程において深刻な品質上の問題があります。」[ 8 ]

アプリケーション

FADECの機能は、典型的な民間輸送機の飛行で説明できます。まず、飛行乗務員は風況、滑走路長、巡航高度などの飛行データを飛行管理システム（FMS）に入力します。FMSはこのデータを用いて、飛行の各段階における出力設定を計算します。離陸時には、飛行乗務員はパワーレバーを所定の設定まで進めるか、オートスロットル離陸（利用可能な場合）を選択します。FADECは計算された離陸推力設定をエンジンに電子信号で送信することで適用します。燃料流量を直接制御する機能はありません。この手順は、飛行の他の段階でも繰り返すことができます。

飛行中は、効率を維持するために、常に小さな操作変更が行われています。緊急時には、パワーレバーを最大まで押し出すことで最大推力を得ることができますが、限界を超えることはできません。つまり、飛行乗務員はFADECを手動でオーバーライドする手段がありません。

利点

  • 許容範囲外操作に対する自動エンジン保護[ 7 ]
  • 複数チャンネルのFADECコンピュータが障害発生時に冗長性を提供するため、より安全です。
  • 確実な推力設定で、気楽なエンジン操作
  • FADECを再プログラムするだけで、広い推力要件に対して単一のエンジンタイプを使用できる
  • 半自動エンジン始動を実現
  • ピストンエンジンのウォームアップに適したハイアイドル制御を提供
  • エンジンと航空機システムとのシステム統合の向上
  • エンジンの長期的な健全性監視と診断が可能
  • 制御プロセスで使用される外部および内部パラメータの数が1桁増加する
  • 飛行乗務員が監視するパラメータの数を削減
  • 監視されるパラメータの数が多いため、FADEC は「フォールト トレラント システム」（特定の障害構成で、必要な信頼性と安全性の制限内でシステムが動作できるシステム）を可能にします。

デメリット

  • 完全権限デジタルエンジン制御では、手動でオーバーライドする手段がなく、エンジンの動作パラメータに対する完全な権限をコンピュータが管理します。(注記を参照)
    • FADEC が完全に故障すると、エンジンも故障します。(注記を参照)
    • FADEC が完全に故障した場合、パイロットはエンジンの再始動、スロットル、その他の機能を手動で制御できなくなります。(注記を参照)
    • 単一障害点のリスクは、冗長化されたFADECによって軽減できます（障害がランダムなハードウェア障害であり、設計または製造上の誤りによるものではないと仮定した場合、すべての同一の冗長コンポーネントで同一の障害が発生する可能性があります）。（注を参照）
  • 油圧機械式、アナログ式、手動式制御システムに比べてシステムの複雑さが高い
  • 複雑さによるシステム開発と検証の労力の増加
  • 危機的状況（例えば、差し迫った地形接触）では、非 FADEC エンジンは定格推力よりも大幅に高い推力を生み出す可能性がありますが、FADEC エンジンは常にその限界内で動作します。（注を参照）

注：最近のFADEC制御の航空機エンジン（特にターボシャフトエンジン）のほとんどは、オーバーライドして手動モードに切り替えることができるため、このリストに記載されているほとんどの欠点を効果的に解消できます。パイロットは、手動オーバーライドの位置を十分注意する必要があります。誤って手動モードに切り替えると、エンジンが過回転する可能性があるためです。

要件

  • 飛行とエンジンのパラメータを測定して制御システム自体に報告するセンサーの設計、製造、設置、保守には、エンジニアリング プロセスを使用する必要があります。
  • これらの安全性が極めて重要な制御システムで使用されるソフトウェアの設計、実装、テストには、正式なシステムエンジニアリングプロセスがしばしば用いられます。この要件により、モデルベースシステムエンジニアリング（MBSE）ツールなどの専用ソフトウェアが開発・利用されるようになりました。アプリケーション開発ツールセットSCADE（Ansys製）（アプリケーションカテゴリSCADAと混同しないでください）はMBSEツールの一例であり、FADECシステムの開発に使用されています。

研究

NASAは、ヘリコプターに特化した、現在の集中型FADECアーキテクチャではなく分散型FADECアーキテクチャを分析しました。分散型FADECアーキテクチャの利点として、柔軟性の向上とライフサイクルコストの低減が挙げられます。[ 9 ]

参照

参考文献

  1. ^ 「第6章：航空機システム」（PDF） .パイロットの航空知識ハンドブック.連邦航空局. 2008年. 6～ 19ページ. オリジナル（PDF）から2013年12月10日にアーカイブ。 2013年12月18日閲覧。
  2. ^ガンストン、ビル (1989). 『世界航空エンジン百科事典』 ケンブリッジ、イギリス: パトリック・スティーブンス社 p. 26. ISBN 1-85260-163-9。
  3. ^プラット、ロジャー・W (2000).飛行制御システム：設計と実装における実際的な問題. 電気学会. p. 12. ISBN 0852967667。
  4. ^オーウェン、ケネス（2001年）『コンコルド：超音速のパイオニアの物語』科学博物館、69ページ。ISBN 978-1-900747-42-4。
  5. ^ 「1968 | 2110 | フライトアーカイブ」。
  6. ^ガンストン（1990）アビオニクス：航空電子機器の歴史と技術、 パトリック・スティーブンス社、ウェリングバラ、英国。、 ISBN 1-85260-133-7。
  7. ^ a b www.faa.gov http://web.archive.org/web/20250716043835/https://www.faa.gov/sites/faa.gov/files/2022-01/Full%20Authority%20Digital%20Engine%20Control%20(FADEC).pdf . 2025年7月16日時点のオリジナル（PDF）からアーカイブ。 2025年8月8日閲覧。{{cite web}}:欠落または空|title=(ヘルプ)
  8. ^ Chirgwin, Richard (2015年5月31日). 「エアバス、A400M輸​​送機の墜落はソフトウェアによるものと確認」 The Register . 2016年2月20日閲覧。
  9. ^ 「分散エンジン制御」（PDF）Nasa.gov。 2016年12月22日時点のオリジナル（PDF）からのアーカイブ。
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