新一代航空航天总线技术

2012-2-22 来源：航空制造网 作者：

伴随航空和航天电子技术的飞速发展，传统总线已经不能满足新型航空及航天电子系统的技术总体设计需求，因此目前传统的总线技术正逐步被新一代航空数据总线 技术所替代，目前国外新型的商业和军用航空航天项目中的电子系统采用的总线已经开始转向光纤通道（Fiber Channel，FC）、航空电子全双工交换式以太 网（Avionics Full-Duplex Switched Ethernet，AFDX）、SpaceWire、Time-triggered Protocol（TTP）和Time-triggered Ethernet（TTE）。新一代总线技术相比于传统的总线可以提供更高带宽、更高可靠性和低延迟性，能够很好地满足新一代航空航天电子系统的技术设计 要求。

光纤通道

FC是由美国标准化委员会（ANSI）的X3T11小组于19xx年提出的高速串行传输总线，解决了并行总线SCSI遇到的技术瓶颈，并在同一大的协议 平台框架下可以映射更多FC-4上层协议。FC具备通道和网络双重优势，具备高带宽、高可靠性、高稳定性，抵抗电磁干扰等优点，能够提供非常稳定可靠的光 纤连接，容易构建大型的数据传输和通信网络，目前支持1x、2x、4x和8x的带宽连接速率，随着技术的不断发展该带宽还在不断进行扩展，以满足更高带宽 数据传输的技术性能要求。FC在航电上的应用主要包括：FC-AE、FC-AV（ARINC818）协议2个大的分支。

1 FC-AE协议集

FC-AE标准本身是一个FC应用到航空电子环境中的一组协议集，主要用于航空电子环境下各设备之间的数据通信，传输视频、指控、仪器仪表、传感器等数 据，主要包含：FCAE-1553、FC-AE-ASM、FC-AERDMA、FC-AE-FCLP及FC-AEVI共5种协议，目前FC已经被用在 FC-35、B1-B、F18E/F、V22、Apache等机型，FC是四代和五代战机的代表性技术之一。从国内整体应用形式看，FC-AE-ASM协 议已经开始预研和验证，并对国际标准协议进行了一些特定的改进，是将来国内应用的一个重点方向。

2 FC-AV（ARINC818）协议

FC-AV标准于20xx年正式对外发布，主要基于FC 传输具备大数据量特点的音视频数据流，针对工业级的应用，该协议在F18和C-130AMP等军用机型上广泛应用，主要用于传输机内的视频和音频数据。随 着航电技术的不断前进，目前美国和欧洲在机型视频系统设计时已经开始全部转向ARINC818（航空电子数字视频总线，Avionics DigitalVideo Bus，ADVB）标准于20xx年由美国航空电子委员会（AEEC）正式对外发布，主要用于传输关键非压缩数字视频，采用单向点对点传输方式，用于完成 执行关键安全视频任务，目前该协议在波音787，A400M、A350XWB机型上得到成功应用。

目前国内该项总线技术还处于预研阶段，预计将来在国内军用机型及其他项目上会有广泛的应用，FC是一项重要的总线技术发展方向。

航空电子全双工交换式以太网

AFDX 通过采用电信标准的异步传输模式（ATM）概念来解决IEEE802.3以太网存在延时的缺陷，以便满足关键安全数据传输的设计需求，该项技术起源于 A380的通信骨干线设计，并成功引入了IMA设计概念。目前该项技术已经在A380上得到成功应用；国内在军机项目和大飞机项目上均选用了AFDX作为 通信骨干线，国内很多航空航天科研院所开始使用该项技术。

Space Wire总线

Space Wire总线是欧洲航天局基于两个商用标准IEEE 1355-1995和IEEE 1596.3（LVDS），通过对IEEE 1355可靠性、功耗等方面的改进，使其能够更好地满足航空航天应用而提出的一种专门用于空间高速数据传输的总线标准。Space Wire采用全双工、点到点连接的结构，在同一网络中可以同时使用多条总线，网络拓扑具有很高的自由度。因此，即使设备间各个连接的数据传输速度不高，仍 可通过增加总线数量的方法来成倍地提高整个网络的数据传输速度。目前Space Wire总线主要应用在欧空航天局（ESA）的几个太空飞船上，在国内航天研制单位已经开始推广，Space Wire总线将是卫星和太空飞船开发的重要总线。

TTP

TTP协议用于关键安全系统设计时全部采用TTP/C，它是由维也纳科技大学和TTTech公司共同开发的，提供同步和容错机制的TTP/C主要用于关 键安全实时系统的设计，总线型结构支持5Mbps，星型结构支持25Mbps，采用时间触发机制，提供更高的确定性和可靠性。TTP是重要的关键安全控制 总线，目前已有部分航空和航天研制单位开始建立实验室，在国内还处于开发和预研阶段。

TTE

TTE是国际上最新的一项基于以太网的新型总线技术，它具备最高等级的安全性、可靠性及确定性网络。该总线技术兼容了时间触发协议和以太网技术的优势， 能够在同一个网络平台上兼容普通网络数据流、AFDX数据流和TTE网络数据流，具备更高的安全性和强有力的容错机制。TTE支持100Mbps和 1000Mbps，相比于TTP提供了更高的传输带宽。TTE应用比较广泛，具备非常广阔的应用前景，目前国内还处于推广阶段。

结束语

从国内整体大环境看，目前航空航天研制单位正处于从传统总线到新型总线实现技术升级的初级阶段。国内航空单位基本选定了FC和AFDX作为新一代总 线发展方向，并已经开始进入调研、预研和开发阶段，而国内的航天单位对下一代型号的总线技术还处于调研阶段，预计马上会转入预研阶段。

第二篇：航空航天技术基础论文

航空航天技术基础论文

学院：机电工程学院

学号：000000000

姓名：****

我们都知道，发动机是飞行器的动力源，相当于飞行器的心脏，它的性能对飞行器的发展有着非常重要的影响。可以说，飞行器的发展是伴随着发动机的发展而发展的，飞行器的每一个里程碑都与发动机的发展有着密切的练习。通过本学期的学习，让我对发动机有了一个清晰的认识，下面从三个方面介绍一下发动机的知识。

一：发动机的分类及特点。飞行器发动机的种类很多，其用途也各不相同。通常可以按发动机产生推力原理和工作原理的不同将发动机分为如下四大类，活塞式发动机，空气喷气发动机，火箭发动机，组合发动机。

活塞式发动机是依靠活塞在汽缸中作往复运动，使气体工质完成热力循环，并将燃料的部分化学能转化为机械功的动力装置。主要由气缸、活塞、连杆、曲轴、气门机构、螺旋桨减速器、机匣等组成。气缸是混合气（汽油和空气）进行燃烧的地方。气缸内容纳活塞作往复运动。气缸头上装有点燃混合气的电火花塞（俗称电嘴），以及进、排气门。发动机工作时气缸温度很高，所以气缸外壁上有许多散热片，用以扩大散热面积。气缸在发动机壳体（机匣）上的排列形式多为星形或V形。常见的星形发动机有5个、7个、9个、14个、18个或24个气缸不等。在单缸容积相同的情况下，气缸数目越多发动机功率越大。活塞承受燃气压力在气缸内作往复运动，并通过连杆将这种运动转变成曲轴的旋转运动。连杆用来连接活塞和曲轴。 曲轴是发动机输出功率的部件。曲轴转动时，通过减速器带动螺旋桨转动而产生拉力。

喷气发动机是一种利用燃汽从尾部高速喷出时所产生的反冲作用推动机身前进的发动机，其效率可达50－60％。早期的飞机都是用活塞式汽油机做发动机，现在除少数用于教练、农用等小型飞机外已很少应用，代之而起的是功率大、速度高、使用空气喷气发动机的飞机。这种发动机工作时，空气从前边的进气口进入，接着由带有叶片的叶轮压气机对空气进行压缩，使其压强增大，温度升高。被压缩的空气在燃烧室内喷入的液体燃料汇合而燃烧。燃烧产生的高温高压燃气先是推动涡轮以带动压气机转动，然后从尾部排气管以很高的速度喷出，从而产生反冲作用，使飞机高速前进，装有空气喷气发动机的飞机的速度可以达到或超过音速。

火箭发动机是喷气发动机的一种，将推进剂箱或运载工具内的反应物料（推进剂）变成高速射流，由于牛顿第三定律而产生推力。火箭发动机可用于航天器推进，也可用于导弹等地面应用。大部分火 箭发动机都是内燃机，也有非燃烧形式的发动机。液体火箭通过泵将氧化剂和燃料分别泵入燃烧室，两种推进剂成分在燃烧室混合并燃烧。而固体火箭的推进剂事先混合好放入储存室，工作时储存室就是燃烧室。固液混合火箭使用固体和液体混合的推进剂或气体推进剂，也有使用高能电源将惰性反应物料送入热交换机加热，这就不需要燃烧室。

组合发动机就是由两种发动机组合而成的发动机。发展组合发动机的目的在于使飞行器在不同的飞行条件下都能得到良好的推进性能。通常可用的组合发动机有三种。(1)火箭冲压发动机：用火箭发动机作为冲压发动机的高压燃气发生器，它可以在较大的空气燃料比范围内工作，适宜于超音速飞行。(2)涡轮冲压发动机：由涡轮喷气发动机(或涡轮风扇发动机)与冲压发动机组合而成，前者的加力燃烧室同时也是后者的燃烧室。涡轮冲压发动机兼有涡轮喷气发动机在小马赫数时的高效率和冲压发动机在马赫数大于3时的优越性能。(3)涡轮火箭发动机：用火箭发动机作为涡轮喷气发动机的燃气发生器，它的单位迎面推力大，但耗油率高。此外，还有液氢蒸气火箭涡轮发动机、带液化空气的火箭涡轮发动机

等

二：发动机发展现状。航空发动机从上世纪30年代的活塞发动机起,经历了涡轮喷气发动机-涡轮风扇发动机-桨扇发动机-变循环发动机-垂直起落多用途战斗机发动机的发展历程,使战斗机飞行速度达到3倍以上音速(M>3),飞行高度可达30km以上。推重比达到10。21世纪初,第四代歼击机已实现了超音速巡航、隐身,耐久性提高了两倍,寿命期费用降低25%以上,其涡轮前温度已达1700℃以上。

现代航空发动机推重比8一代发动机的技术特点。推重比RW是衡量发动机技术先进性的综合指标。美国F100和俄罗斯AL31φ发动机是典型代表。可以看出以F100和31φ及其改进型为代表的现役航空发动机的特点可概括为 (2)高涡轮进口温度,军用型为1400℃左右,民用型>1300℃;(3)耗油率逐渐降低,如F100耗油率为0. 7kg/daN. h,而F100- 229为0.66kg/daN. h。加力状态耗油率从2. 55kg/daN. h降到2. 0kg/daN. h。它的降低直接增加飞机航程或减少燃料储备,从而使飞机的直接使用费用明显降低;(4)贯彻结构完整性设计,改善了可靠性和耐久性。如改进后的F100- PW- 220发动机寿命达到4300个循环,空中停车率减少到0. 2次/1000飞行小时,返厂率减少到0. 3次/1000飞行小时;(5)部件采用了许多先进技术,如高压涡轮叶片、导向叶片采用复合冷却单晶材料,双层气膜冷却滚压成型燃烧室, F100- 229采用了浮壁燃烧室;采用数字电子控制系统(FADEC)。(1)高增压比,军用型为25左右,改进型如F100- 22增加到33;民用型大部分在25- 35之间。

推重比9- 10发动机。上世纪90年代研制的推重比9- 10发动机主要有F119、EJ200、M88- 2和P2000。F119是第四代战斗机发动机的典型代表。其主要技术指标如下:(1)具有超音速巡航能力,飞机能在不开加力条件下以马赫数M为1. 5～

1. 6持续飞行;(2)为飞机提供短距起落和非常规机动的能力;(3)具有隐身能力,发动机的红外和雷达反射信号特征小;(4)加力推重比提高20%,不加力耗油率比现役战斗机发动机下降8%～10%;(5)零件数量减少40%- 60%,可靠性提高一倍,耐久性提高两倍;(6)寿命期费用降低25%- 30%。优化的发动机热力循环参数为:涵道比为0. 2～0. 3,总增压比为23～27,涡轮前温度为1647℃～1757℃。推重比为9- 10发动机采用的新技术主要有:(1)压气机采用三维非定常粘性流计算设计,级压比提高到1. 45～1. 50。采用3级风扇和5- 6级高压压气机达到压比24- 25。小展弦比叶片设计提高了强度和抗外物损伤能力。采用空心叶片和整体叶盘减轻重量,采用刷子封严,减少漏气,提高效率。

21世纪战斗机发动机上世纪末美国开展了( IHPTET计划)一种综合化高性能涡轮发动机计划。经过IHPTET计划验证的复合材料风扇静子、超冷涡轮叶片、先进密封和先进FADEC等成熟技术已先后应用到F119发动机,与此同时,也衍生出F135推进系统,应用于F- 35战斗机,预计20xx年投入使用。F135航空发动机采用的主要先进技术：a. 风扇由3级减为1级,叶片后掠,空心结构,叶尖速度为475m/s,级压比为2. 2;b. 压气机由9级减为3级,第一级叶片后掠,转子为鼓筒式无盘结构由钛合金材料制成,质量可减轻70%;c. 燃烧室火焰筒为陶瓷基复合材料、变几何结构、主动燃烧控制、CFD设计、减少出口温度分布系数;d. 高低压涡轮均为单级、对转、整体叶盘结构。涡轮进口温度可达2270- 2470K、采用陶瓷基复合材料或碳-碳材料;e. 全方位矢量喷管,最大落压比可达90;f.作战半径9270km,M=2. 2,高度18km,巡航耗油率达0. 10kg/daN. h;不采用空中加油,实现全球性攻击。

三：未来飞行器发动机的发展趋势。(1)航空发动机正在向推重比15、总增压比40左右、涡轮前温度为2000- 2250K、高可靠性的推进系统发展,这是第五代战斗机的基本技术指标。风扇、压气机减少到5级、金属基复合材料、整体叶盘结构;燃烧室采用陶瓷基复合材料、主动燃烧控制、变几何结构;高、低压涡轮对转、可能采用陶瓷基复合材料或碳-碳材料;有可能不采用加力燃烧室;采用全方位矢量喷管。这些技术综合为实现超音速巡航、隐身、多用途、作战半径大大增加、飞行速度可达M>3的先进战斗机。

航空发动机的发展不仅增强国防实力,控制制空权,而且也促进国民经济的广泛发展,诸如材料和制造工艺、控制与调节、结构强度、试验与测试、工程热物理、动力工程、工业交通、环境保护等的发展。是一种高产出、高效益的支柱产业。

总之，我国必须抓紧推重比10以上发动机的预研,尽快在20xx年跻身世界航空发达国家之列。

附图

活塞式 喷气式

火箭式 组合式