先進民機的飛行控制系統(tǒng)技術發(fā)展

1飛機液壓驅動的性能要求民用飛機航空控制系統(tǒng)（以下簡稱民用飛機飛機控制系統(tǒng)）的主要功能是確保飛機的穩(wěn)定性和操縱，改善飛機的質量，確保飛機的安全并減輕駕駛員的負荷。飛機診斷系統(tǒng)包括主飛機診斷系統(tǒng)（手動操作）和自動飛機診斷系統(tǒng)（自動駕駛）。主飛機診斷系統(tǒng)是一個由駕駛員組成的安全系統(tǒng)。它由駕駛員通過駕駛桿（或桿的底部）和懸掛控制飛機的升降舵、副翼和方向舵控制飛機的懸掛、傾斜和方向。隨著現(xiàn)代民用航空業(yè)的發(fā)展以及日益激烈的市場競爭環(huán)境,對于安全性、經濟性、舒適性和環(huán)保性的需求不斷提升,民機飛控系統(tǒng)如何實現(xiàn)技術能力提升來滿足這些需求,成為先進民機飛控系統(tǒng)設計與研制必須考慮的問題.本文首先從信息傳輸、系統(tǒng)架構、功能擴展、功率作動4個方面,分析和回顧了國內外典型系列民機飛控系統(tǒng)技術的發(fā)展趨勢;接著,本文梳理和提煉了民機飛控系統(tǒng)進一步發(fā)展面臨的新需求以及這些需求對飛控系統(tǒng)技術帶來的挑戰(zhàn),包括安全性需求、經濟性需求、舒適性需求以及環(huán)保性需求;最后,本文針對性地提出了滿足需求、應對發(fā)展趨勢的飛控系統(tǒng)技術和設計考慮.隨著我國民機發(fā)展戰(zhàn)略的實施,國產民機飛控系統(tǒng)技術將向國際先進水平看齊,在功能性、安全性、經濟性和舒適性方面得到進一步提升.2民機飛控系統(tǒng)技術發(fā)展回顧民用飛機包括支線客機、干線客機、通用航空飛機、民用直升機等.其中,干線客機由于載客多,設備先進,安全性和技術要求高,集中體現(xiàn)了一個國家航空先進技術的發(fā)展水平.因此,了解以干線客機為代表的民機飛控系統(tǒng)的技術發(fā)展規(guī)律及特點,對分析民機飛控系統(tǒng)發(fā)展趨勢,確定民機飛控系統(tǒng)發(fā)展的新需求十分必要.2.1我國民機飛控技術發(fā)展現(xiàn)狀國外干線客機飛控系統(tǒng)的發(fā)展趨勢主要體現(xiàn)在空客公司和波音公司的技術發(fā)展路線上.表1和表2分別表示了空客飛機和波音飛機飛控系統(tǒng)的技術發(fā)展特點國內民機發(fā)展起步較晚,20世紀70年代的Y-10飛機是我國首次自行研制的大型客機,2002年國產ARJ21飛機立項啟動研制,目前國產C919飛機已完成首飛.我國民機飛控技術特點也呈現(xiàn)了數(shù)字化、功能綜合化發(fā)展趨勢.表3所示為我國主要型號民機飛控系統(tǒng)發(fā)展的主要技術特點和趨勢.2.2民機飛控系統(tǒng)的發(fā)展趨勢綜上所述,典型飛控系統(tǒng)技術發(fā)展趨勢體現(xiàn)如下.信息傳輸方面,從“機械”到“電傳”,即從機械操縱飛行控制向電傳操縱飛行控制發(fā)展.系統(tǒng)架構方面,從“集中”到“分布”,即從集中式的正常控制、備份控制和作動器控制方式到正常控制、備份控制和作動器控制采用物理/功能上的分布式網絡架構方式.功能擴展方面,從“獨立”到“耦合”到“一體化”,即從功能分離的主飛控和自動飛行向功能耦合的主飛控/自動飛行綜合,隨后進一步向控制/信息管理一體化平臺方向發(fā)展.功率作動方面,從“機械”到“液壓”到“多電/全電”,即驅動方式由機械驅動到液壓驅動,進一步向多電/全電驅動方式發(fā)展.概括來說,民機飛控系統(tǒng)的發(fā)展趨勢呈現(xiàn)“五化”的特點,即系統(tǒng)架構網絡化、系統(tǒng)硬件電子化、系統(tǒng)功能軟件化、作動功率電力化、控制功能智能化.3民機飛控系統(tǒng)發(fā)展需求根據(jù)上述對民機飛控系統(tǒng)發(fā)展趨勢與技術特點的分析,先進民機飛控系統(tǒng)在滿足電傳飛控系統(tǒng)的主要功能(如主飛行控制功能、配平功能、自動飛行控制功能等)的基礎上,還需滿足諸多民機飛控系統(tǒng)的發(fā)展新需求3.1安全性評估與流程方法安全性需求是民機飛控的第一需求,要求飛控系統(tǒng)失效導致災難性結果的概率小于10在設計技術方面,面臨著技術難度不斷提升的挑戰(zhàn).為了滿足安全性設計需求,需要采用諸如功能分區(qū)、物理隔離、非相似余度設計/監(jiān)控、分時分區(qū)保護機制的操作系統(tǒng)等技術.在評估技術方面,面臨著評估不斷細致化、全面化的挑戰(zhàn).為了能夠準確地評估飛控系統(tǒng)是否能夠滿足安全性需求,需要開展功能危害度評估(FHA)、系統(tǒng)安全性分析(SSA)、共因分析(CCA)等安全性評估工作.在流程方法方面,面臨的挑戰(zhàn)在于流程方法必須能夠保證需求、設計與驗證的完整性.滿足安全性需求的系統(tǒng)開發(fā)流程如圖1所示.3.2降低生產制造成本的方法經濟性是商業(yè)化的基本要求,也是對民機機載系統(tǒng)的重要要求.民機飛控系統(tǒng)的經濟性需求對飛控系統(tǒng)的設計、開發(fā)、制造和維護提出新的挑戰(zhàn)(圖2).在降低設計開發(fā)成本方面:(1)采用一體化設計技術,實現(xiàn)功能綜合,減少設備數(shù)量;(2)開發(fā)針對性的工具,建立高效的研發(fā)流程;(3)采用模塊化的研發(fā)方法,充分繼承和沿用已有的研發(fā)成果.在降低生產制造成本方面:(1)采取有效的供應鏈管理,合理進行渠道控制,實現(xiàn)精益生產,減少浪費;(2)提升工藝技術,在保證安全性的前提下采用低成本材料;(3)精益生產,減少生產損耗和浪費.此外,還可采用延遲維護、基于派遣可靠性的優(yōu)化設計等技術實現(xiàn)降低運營成本,從而滿足經濟性需求.3.3飛行控制技術舒適性要求是飛控系統(tǒng)應盡可能地提升飛行員的操縱品質以及乘客的乘坐品質.乘客要求體現(xiàn)在:更小的顛簸、更少的過載感受和更小的失重感.這需要飛控系統(tǒng)采用陣風減緩、顫振抑制等主動控制技術實現(xiàn).飛行員要求體現(xiàn)在:易于操縱、無憂慮操縱、實現(xiàn)自動飛行.這需要通過增穩(wěn)系統(tǒng)、功能強大的自動飛行控制(包括自動駕駛、飛行指引、自動油門和自動著陸等)和邊界保護技術實現(xiàn).3.4清潔東南角計劃隨著民用航空業(yè)的迅猛發(fā)展,航空污染排放的增長速度不斷加快,民機環(huán)境污染問題越來越受到重視.歐洲聯(lián)盟為配合新環(huán)保要求,提出了清潔天空計劃.計劃將通過改善飛機的燃油系統(tǒng)等舉措,減少航空運輸對環(huán)境的影響.為了使設計的民用飛機更具有市場競爭力,民機飛控系統(tǒng)在設計階段,必須明確環(huán)保特性的重要性和必要性.為了滿足環(huán)保性需求,必須提升設計理念,開發(fā)采用新型特殊工藝,實現(xiàn)降低燃油消耗、減少溫室氣體及廢棄物排放的目標.4面向環(huán)保性的民機電傳飛控制系統(tǒng)設計考慮面對以上對民機飛控系統(tǒng)發(fā)展的安全性、經濟性、舒適性和環(huán)保性的需求,對于先進民機電傳飛控系統(tǒng)而言,需要在已有成熟技術的基礎上,充分考慮以下的系統(tǒng)設計和控制技術,才能對接需求、滿足需求并引領技術發(fā)展的新方向.4.1安全設計民機的高安全性需求,要求在飛控系統(tǒng)架構4.1.1控制方案設計飛行控制系統(tǒng)的架構設計受安全性要求、功能要求、成本、重量等多方面的條件約束,對于民機來說,首要考慮的是系統(tǒng)架構的高安全性,以圖3所示的系統(tǒng)架構為例,具體體現(xiàn)在以下方面.(1)獨立性原則:要求系統(tǒng)的通道之間在電氣、物理以及功能上彼此獨立,防止故障蔓延.如每個ACE通道僅控制某個主操縱面的一個作動器.(2)非相似性原則:要求執(zhí)行同一功能的冗余單元采取兩種或多種物理構型或控制方式,防止共模故障導致系統(tǒng)功能整體喪失.如用電力控制的水平安定面和電液伺服閥驅動的升降舵兩種方式控制飛機的俯仰運動(3)完整性監(jiān)控:應對故障危害度I類和II類功能的完整性進行監(jiān)控,當監(jiān)控器檢測到故障后應對故障的通道/單元進行切除.如由CPU和FPGA執(zhí)行的復雜功能,對其監(jiān)控采用“指令支路-監(jiān)控支路”的比較監(jiān)控方式.此外,安全性架構的設計還包括:基于最小可接受控制(MAC)要求的控制分配,電源和油源的優(yōu)化配置設計,高安全飛控計算機架構等.4.1.2主動側桿技術采用主動側桿操縱,能夠替代機械桿力反饋功能,通過電動人桿原理調整駕駛桿的“力-位移”反饋特性,獲得更好的操縱性能(圖4),并實現(xiàn)諸多安全性保護功能,包括:包線保護功能、主/副駕駛雙桿“電氣”聯(lián)動及觸覺告警功能等.主動側桿的研究需要突破眾多的關鍵技術,包括:多變量多回路伺服控制技術、包線保護主動控制與告警設計技術等.4.1.3提高自檢測覆蓋率飛控計算機是飛控系統(tǒng)的核心部件,對于具有高安全要求的民機飛控系統(tǒng),其飛控計算機要求能提供高可用性和高完整性.因此,民機飛控計算機在硬件設計上,要求既能抑制硬件完整性共模故障又能提供接近100%的故障檢測覆蓋率.抑制共模故障通常采用非相似的計算機設計方法,包括:不同的CPU架構、不同的總線類型、同一功能采用不同的設計實現(xiàn)等方式.提高自檢測覆蓋率,除了對不同功能電路設置相應的監(jiān)控器進行故障檢測外,對核心處理器CPU采用鎖步自監(jiān)控技術,從而提高處理器對隨機故障的檢測和糾錯能力.4.1.4民機適航規(guī)范為了滿足安全性需求對流程和方法的要求,民機系統(tǒng)的需求開發(fā)與集成驗證,應遵循民機適航規(guī)范.在需求開發(fā)階段,從飛機級、多系統(tǒng)級、子系統(tǒng)級到設備級逐層向下進行需求的分解,在需求的驗證階段,從設備級、子系統(tǒng)級、多系統(tǒng)級到飛機級,自底向上進行集成驗證(圖5).4.2經濟設計的考慮經濟性設計主要考慮通過功能綜合一體化設計、產品的輕量化設計等,降低設計/制造成本和運營/維護成本,提高經濟性.4.2.1綜合一體化平臺技術飛控系統(tǒng)包括ATA的第27章“飛行控制”和第22章“自動飛行”,按照專業(yè)分為主飛行控制系統(tǒng)、自動飛行控制系統(tǒng)及高升力控制系統(tǒng).將飛控系統(tǒng)的主飛行控制系統(tǒng)、自動飛行控制系統(tǒng)以及高升力控制系統(tǒng)進行功能集成,提供綜合一體化平臺,如圖6所示,將最大程度優(yōu)化系統(tǒng)設備構型,節(jié)約資源,提升飛控系統(tǒng)的經濟性.4.2.2集成作動系統(tǒng)設計為了滿足飛控系統(tǒng)經濟性要求,伺服作動系統(tǒng)作為飛控系統(tǒng)的關鍵部件需要開展高度集成化設計和輕量化設計集成化作動系統(tǒng)設計包括:電液伺服閥、功能閥等組件與殼體集成化設計;殼體、筒體一體化設計;電機泵一體化設計等(圖7).輕量化作動系統(tǒng)設計包括:基于三維油路等強度拓撲結構的最小包絡化設計;復合材料技術以及高壓作動技術.4.2.3自動維護設計維護性是民用飛機的一個重要特性,直接決定民用飛機的維護便捷性和經濟效益功能完備的飛控系統(tǒng)維護功能和BIT檢測能力,可以實現(xiàn)故障隔離和快速定位.采用自動維護設計,如舵面的自動調零,換件測試、安全性測試,可以盡可能避免人為維護帶來的操縱失誤,提高安全性的同時,也可以有效地降低飛機的運營和維護成本.典型的維護操作流程如圖8所示.采用模塊化的維護設計能夠顯著減少維護、實現(xiàn)延遲維護,并向機組維護人員提供便捷的快速維護.4.3乘客操縱舒適性的控制舒適性設計需求對于飛控系統(tǒng)而言,主要體現(xiàn)在乘客的乘坐舒適性和駕駛員的操縱舒適性,因此需要采用陣風緩和、橫航向P-BETA控制、推力不對稱補償?shù)瓤刂坡稍O計技術.4.3.1基于信息預測的陣風緩和控制民用客機在巡航、轉彎飛行中常受到強烈陣風干擾,使飛機產生不期望的附加過載和振動、顛簸,影響飛機的操縱性、穩(wěn)定性,降低乘坐舒適性.為了抑制陣風對飛機的不良影響,可采用陣風緩和策略基于信息預測的陣風緩和控制結構如圖9所示,通過傳感器和信息預測技術提前感知陣風信息,通過陣風超前抑制控制算法提前得到操縱面指令,給操縱面足夠的作動時間,可顯著抑制飛機進入陣風時刻的擾動響應,實現(xiàn)高品質的平穩(wěn)飛行.4.3.2橫電阻率p-beta控制橫航向P-BETA控制律具有增加航向穩(wěn)定性、改善荷蘭滾阻尼、改善滾轉協(xié)調性以及自動推力不對稱補償?shù)墓δ?可以減輕駕駛員負擔,提高乘坐舒適性.橫航向P-BETA控制律結構如圖10所示.P-BETA控制律通過橫向指令滾轉角速率P、航向指令側滑角β,實現(xiàn)飛機的穩(wěn)定飛行.采用經典的PID結構實現(xiàn)側滑角控制,用于增加荷蘭滾阻尼,改善荷蘭滾頻率.4.3.3力不對稱補償控制飛行過程中,發(fā)動機推力差將產生非指令的滾轉和側滑,影響飛機的飛行穩(wěn)定,增加了駕駛員的操縱負擔.推力不對稱自動補償控制律是在原有的橫航向基本控制律基礎上,根據(jù)左/右發(fā)動機的推力差和飛行狀態(tài),自動生成舵面補償指令,以補償發(fā)動機推力差產生的非指令滾轉和側滑,實現(xiàn)飛機的穩(wěn)定飛行推力不對稱自動補償控制律結構如圖11所示.左/右發(fā)動機推力差乘以增益后,經過啟動邏輯濾波環(huán)節(jié)和限幅后,疊加到基本控制律指令上.4.3.4型鋼控制和比例式控制空客飛機在采用側桿后,俯仰控制采用了具有中性速度穩(wěn)定性的控制律構型,一是減輕了采用比例式控制需要駕駛員不斷地進行配平帶來的駕駛負擔;二是通過狀態(tài)響應反饋,可實現(xiàn)不同重心重量和不同型號的飛機,在飛行包線范圍內操縱的一致性,從而有利于不同機型的駕駛員改裝.4.4環(huán)保設計的考慮采用功率電傳和高壓作動的飛控系統(tǒng)可以減少污染物排放,提高民用飛機的環(huán)保性4.4.1負載模擬系統(tǒng)電傳統(tǒng)技術電功率作動采用電機進行功率傳輸和驅動,通過控制電機的運行直接或間接地控制負載的運動,實現(xiàn)對目標的位置控制(圖12).電功率作動主要關鍵技術包括:高轉速/高功重比電機及控制技術、熱分析技術、排氣及含氣檢測技術等.4.4.2高壓作動技術高壓作動技術是指作動器額定工作