初級教練機(jī)綜合航電系統(tǒng)發(fā)展趨勢

王慶偉，趙 影，鄒林林

（中航工業(yè)洪都，江西南昌330024）

0 引言

早期的初級教練機(jī)受研制時期技術(shù)水平制約，機(jī)載電子設(shè)備簡單，采用分離式儀表，可滿足基本飛行需求；同時代的中、高級教練機(jī)機(jī)載電子設(shè)備同樣簡單，各級教練機(jī)的機(jī)載電子系統(tǒng)差異較小，可以滿足飛行員培訓(xùn)使用要求。

隨著航空電子技術(shù)的進(jìn)步，中、高級教練機(jī)機(jī)載電子系統(tǒng)向綜合化航空電子發(fā)展，初級教練機(jī)與中、高級教練機(jī)航電系統(tǒng)銜接出現(xiàn)階差，習(xí)慣簡單儀表的飛行員面對中、高級教練機(jī)綜合化航電系統(tǒng)和顯示畫面，很難盡快適應(yīng)，延長了飛行員培養(yǎng)時間和成本，增大了飛行員淘汰率。

國外十分重視訓(xùn)練體制建設(shè)，在滿足飛機(jī)整體操縱性能的基礎(chǔ)上，根據(jù)航空電子最新發(fā)展情況，不斷進(jìn)行航電平臺升級，使飛機(jī)的整體性能與訓(xùn)練需求相銜接，飛行員從初級訓(xùn)練到戰(zhàn)斗機(jī)飛行不存在明顯的訓(xùn)練需求階差。

1 綜合航空電子系統(tǒng)研究現(xiàn)狀

1.1 航電綜合技術(shù)與系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的發(fā)展

20世紀(jì)70年代以來，隨著綜合航電系統(tǒng)技術(shù)成果逐步應(yīng)用，降低了機(jī)載設(shè)備的體積和重量，緩解由于任務(wù)和設(shè)備增長導(dǎo)致的座艙擁擠，減輕了飛行員負(fù)擔(dān)，實現(xiàn)了多系統(tǒng)數(shù)據(jù)共享，提高了載機(jī)使用效能和機(jī)載設(shè)備五性（可靠性、維護(hù)性、測試性、安全性、保障性）能力。為了取得航電綜合技術(shù)更大的進(jìn)步，更大程度共享軟硬件和信息資源，達(dá)到更高的可靠性和可用性，降低壽命期成本，航電綜合技術(shù)的開發(fā)工作持續(xù)加強(qiáng)，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)不斷改進(jìn)，技術(shù)水平迅速提高。

1.1.1 航電綜合技術(shù)的發(fā)展

航電綜合技術(shù)是實現(xiàn)航空電子系統(tǒng)綜合，充分發(fā)揮機(jī)載電子設(shè)備效能的根本保證。航空電子系統(tǒng)綜合系統(tǒng)設(shè)計是對航空電子綜合結(jié)構(gòu)的選擇，對任務(wù)使命在完整飛行架次中系統(tǒng)操作流程的分析，軟、硬件系統(tǒng)功能分工，軟件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計，系統(tǒng)性能指標(biāo)分配，子系統(tǒng)、設(shè)備選用，關(guān)鍵技術(shù)及試驗方法全面考慮和研究等多個有序環(huán)節(jié)的完成。

1.1.2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的發(fā)展

綜合航空電子系統(tǒng)是航空電子系統(tǒng)的一種結(jié)構(gòu)方式，也是一種配置方法，能夠最有效地利用各種信息資源，用較少的代價獲得更多的功能和更高的性能。

航空電子發(fā)展已經(jīng)經(jīng)歷了四代：

第一代是分立式結(jié)構(gòu)，這是20世紀(jì)中期前普遍采用的航空電子系統(tǒng)結(jié)構(gòu)形式。這種結(jié)構(gòu)不存在能夠?qū)崿F(xiàn)系統(tǒng)控制的核心計算機(jī)，系統(tǒng)中的每個子系統(tǒng)都有自己的傳感器、控制器和計算機(jī)。系統(tǒng)構(gòu)形專用性強(qiáng)，缺少靈活性，無法實現(xiàn)信息資源共享。

第二代是集中式結(jié)構(gòu)。20世紀(jì)70年代美國空軍萊特實驗室提出了數(shù)字式航電信息系統(tǒng)（Digital Avionics Information System，DAIS），該計劃提出了集中分布式航電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，采用了微處理器、數(shù)據(jù)總線、綜合顯示和任務(wù)使命軟件四大核心技術(shù)，將串行數(shù)據(jù)總線引入航電系統(tǒng)中，建立了MIL-STD-1553B數(shù)據(jù)總線體系。

第三代是聯(lián)合式結(jié)構(gòu)。20世紀(jì)80年代萊特實驗室提出“寶石柱”計劃，采用通用、標(biāo)準(zhǔn)的外場可更換模塊（LRM）取代傳統(tǒng)的外場可更換單元（LRU），通用綜合管理處理器代替機(jī)載傳感器計算機(jī)，進(jìn)行數(shù)據(jù)綜合，通過軟件將任務(wù)動態(tài)分配給LRM執(zhí)行，實現(xiàn)系統(tǒng)容錯和重構(gòu)，系統(tǒng)向網(wǎng)絡(luò)化方向發(fā)展。

第四代為綜合共享式結(jié)構(gòu)。20世紀(jì)90年代美國提出了功能更完善、性能更優(yōu)良、綜合化程度更高的“寶石臺”（Pave Pace）計劃。 該計劃是“寶石柱”計劃的延伸和增強(qiáng)，是未來一代航空電子系統(tǒng)的主要結(jié)構(gòu)形式，在第三代基礎(chǔ)上采用了統(tǒng)一航空網(wǎng)絡(luò)并推進(jìn)了傳感器系統(tǒng)綜合。該構(gòu)型主要在三個方面對系統(tǒng)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了延伸、增強(qiáng)和改進(jìn)，一是采用綜合核心處理技術(shù)；二是提出綜合射頻傳感器概念，三是使用了綜合的座艙/駕駛員與飛機(jī)接口。

我國從20世紀(jì)80年代開始進(jìn)行航電系統(tǒng)綜合化的研究，國家對航空電子技術(shù)的發(fā)展實行傾斜政策，投入大量的資金用于技術(shù)的研發(fā)、生產(chǎn)技術(shù)的改造、測試能力的增強(qiáng)，從最薄弱的綜合技術(shù)入手，集中攻關(guān)，實現(xiàn)了子系統(tǒng)通過總線進(jìn)行綜合的第三代航空電子系統(tǒng)框架。正在著手將航空電子的綜合化向進(jìn)一步的模塊化、開放式結(jié)構(gòu)方向發(fā)展。

1.2 現(xiàn)階段國產(chǎn)初級教練機(jī)航電系統(tǒng)存在的問題

隨著航空電子技術(shù)的進(jìn)步，航空電子系統(tǒng)總體設(shè)計與綜合、座艙綜合顯控技術(shù)已經(jīng)較為成熟，座艙綜合顯示技術(shù)和信息綜合處理技術(shù)已經(jīng)得到廣泛應(yīng)用。中、高級教練機(jī)的機(jī)載電子系統(tǒng)逐步向綜合航空電子系統(tǒng)方向發(fā)展。

針對這種情況，國外在研發(fā)新型初級或初/中級教練機(jī)時，其航電系統(tǒng)與更高層次的教練機(jī)相銜接。我國目前的初級教練機(jī)是初教6飛機(jī)，該機(jī)航空電子設(shè)備簡單、綜合化程度較低，尤其是飛機(jī)座艙顯示采用分離式儀表，不能滿足未來訓(xùn)練需求。因此，我國在進(jìn)行新一代初級教練機(jī)的研制時，必須對國際初級教練機(jī)航電系統(tǒng)發(fā)展有清醒的認(rèn)識，進(jìn)行認(rèn)真的分析；從國內(nèi)技術(shù)水平出發(fā)，采用合適的綜合航電構(gòu)型，提高飛機(jī)的綜合航空電子水平，特別是在座艙綜合顯示控制技術(shù)上，應(yīng)采用較為先進(jìn)、成熟的座艙綜合顯控技術(shù)，滿足飛行訓(xùn)練不斷發(fā)展的需求。

1.3 國外軍用初/中級教練機(jī)綜合航空電子系統(tǒng)現(xiàn)狀

國外初/中級教練機(jī)航空電子系統(tǒng)正在逐步向綜合化方向發(fā)展，廣泛采用以MIL-STD-1553B數(shù)據(jù)總線為核心的綜合航空電子系統(tǒng)。

1）PC-21教練機(jī)

PC-21是瑞士皮拉蒂斯公司研制的一款新型教練機(jī)。前艙裝有平視顯示器，作為飛行時的主顯示器；前后艙儀表板各安裝有3臺152×203mm的液晶顯示器，中央的液晶顯示器為主顯示器，飛行員可以通過顯示器周邊按鍵和正前方控制板按鍵控制兩個液晶顯示器，分別顯示導(dǎo)航、任務(wù)、系統(tǒng)以及戰(zhàn)術(shù)數(shù)據(jù)；兩臺輔助備份顯示器分別顯示備份導(dǎo)航和發(fā)動機(jī)數(shù)據(jù)（見圖1）。

采用任務(wù)計算機(jī)作為核心處理機(jī)，系統(tǒng)為開放式，允許進(jìn)行銜接和升級。火控系統(tǒng)實現(xiàn)了完全的計算機(jī)化，導(dǎo)航系統(tǒng)采用激光捷聯(lián)慣性導(dǎo)航系統(tǒng)，另配有一臺全球定位系統(tǒng)。整個綜合航空電子系統(tǒng)采用ARINC429和MIL-STD-1553B數(shù)據(jù)總線接口。

圖1 PC-21教練機(jī)座艙布局

2）EMB-314“超級巨嘴鳥”

EMB-314是巴西航空工業(yè)公司研制的一種初/中級教練/輕型攻擊機(jī)。

該機(jī)前座艙安裝有平視顯示器，前后艙各裝有兩臺液晶顯示器，采用常規(guī)備份儀表（見圖2）。航電系統(tǒng)采用MIL-STD-1553B數(shù)據(jù)總線為主要數(shù)據(jù)傳輸方式，火控系統(tǒng)實現(xiàn)了完全的計算機(jī)化，導(dǎo)航系統(tǒng)采用激光捷聯(lián)慣性導(dǎo)航系統(tǒng)和GPS全球定位系統(tǒng)。

圖2 EMB－314教練機(jī)座艙

3)KT-1教練機(jī)

KT-1教練機(jī)是韓國宇航公司研制的初/中級教練機(jī)。

前艙安裝有一臺平視顯示器，前后艙儀表板上各裝有3臺多功能液晶顯示器。中間顯示器為主顯示器，顯示飛機(jī)的主導(dǎo)航信息，左顯示器主要顯示飛機(jī)狀態(tài)信息，右顯示器主要顯示發(fā)動機(jī)數(shù)據(jù)。備份顯示為一臺3英寸液晶顯示器，無常規(guī)備份儀表（見圖3）。任務(wù)規(guī)劃和畫面顯示調(diào)度可通過正前方控制板完成。計算機(jī)化的火控系統(tǒng)。整個綜合航空電子系統(tǒng)以MIL-STD-1553B數(shù)據(jù)總線為核心。

圖3 KT-1教練機(jī)座艙

4)T-6A“德克薩斯人Ⅱ”教練機(jī)

T-6A“德克薩斯人Ⅱ”教練機(jī)是美國比奇飛機(jī)公司在瑞士皮拉蒂斯公司PC-9教練機(jī)基礎(chǔ)上發(fā)展的全特技初級教練和導(dǎo)航員教練機(jī)。

每個座艙安裝有兩臺5英寸的有源矩陣液晶顯示器，上方的顯示器為垂直畫面顯示器，顯示飛機(jī)的姿態(tài)、角速度和定位/下滑信標(biāo)偏移，下方顯示器為水平畫面顯示器，顯示航向、定位/下滑信標(biāo)偏移、遠(yuǎn)距地圖；另裝有小型多功能顯示器，提供發(fā)動機(jī)和輔助儀表顯示；備份儀表包括姿態(tài)、空速、轉(zhuǎn)彎側(cè)滑儀和應(yīng)急磁羅盤（見圖4）。

5)T-6B“德克薩斯人Ⅱ”教練機(jī)

T-6B教練機(jī)是在T-6A教練機(jī)基礎(chǔ)上，換裝先進(jìn)版綜合航電的型號（見圖5），與T-6A的主要區(qū)別是：

（1）增加平視顯示器；

（2）增加正前方控制板；

圖4 T-6A教練機(jī)座艙

（3）增加綜合備份顯示器；

（4）換裝3臺6×8英寸液晶顯示器；

（5）取消綜合告警顯示器；

（6）取消常規(guī)備份儀表。

圖5 T-6B教練機(jī)座艙

1.4 國外民用輕型飛機(jī)的綜合航空電子系統(tǒng)

Garmin1000電子系統(tǒng)（簡稱G1000系統(tǒng)）是美國Garmin公司生產(chǎn)的高度集成化通用航空電子系統(tǒng)，用于多種民用飛機(jī)。本文以Cessna 172飛機(jī)上裝備的G1000電子系統(tǒng)為例，對國外民用輕型飛機(jī)綜合航空電子系統(tǒng)進(jìn)行介紹。

G1000系統(tǒng)集成了通信、導(dǎo)航、GPS等航空電子設(shè)備，配備大屏幕、高分辨率的顯示器，功能包括提供姿態(tài)、大氣數(shù)據(jù)、發(fā)動機(jī)和機(jī)體狀態(tài)數(shù)據(jù)，以及來源于GPS位置信息的移動地圖顯示的環(huán)境參考、地形和障礙告警。通過內(nèi)置接口，系統(tǒng)可提供完整的發(fā)動機(jī)告警指示。另外系統(tǒng)包括完整的甚高頻通信、全向信標(biāo)/儀表著陸系統(tǒng)（VOR/ILS）和應(yīng)答機(jī)功能，通過主飛行顯示器（PFD）、多功能顯示器（MFD），數(shù)字聲頻面板上的旋鈕和選擇鍵對系統(tǒng)功能進(jìn)行選擇和控制。

1.5 國產(chǎn)初級教練機(jī)現(xiàn)狀

國產(chǎn)初級教練機(jī)只有初教6飛機(jī)一種。該機(jī)已走過了50余年的歷程，作為一種性能優(yōu)良的初級教練機(jī),為我國航空事業(yè)的發(fā)展做出了重要貢獻(xiàn)。

該機(jī)裝有基本的電子設(shè)備，座艙采用分離儀表（見圖6）。目前先進(jìn)的中級教練機(jī)和新一代高級教練機(jī)陸續(xù)進(jìn)入空軍航校，這些飛機(jī)機(jī)載電子設(shè)備有了較大的改變，向著“玻璃化座艙”和綜合航空電子系統(tǒng)邁進(jìn)，初教6飛機(jī)使用的傳統(tǒng)儀表和簡單電子設(shè)備逐漸不能滿足訓(xùn)練需求。

圖6 初教6飛機(jī)座艙

2 綜合航空電子系統(tǒng)發(fā)展趨勢

21世紀(jì)的任務(wù)使命對綜合航電系統(tǒng)提出挑戰(zhàn)性的要求，在解決經(jīng)濟(jì)上可承受性問題的同時，綜合航電系統(tǒng)將向綜合化、信息化、技術(shù)化、模塊化及智能化的方向發(fā)展；綜合航電系統(tǒng)的功能、性能以及可靠性、維修性、保障性、測試性和綜合效能將出現(xiàn)突破性的飛躍；綜合化水平將得到不斷提高，航空電子綜合技術(shù)將向深度和廣度發(fā)展，得到不斷的完善。

1)向深度和廣度發(fā)展

綜合化是航空電子發(fā)展的靈魂和核心。綜合化能壓縮航空電子系統(tǒng)的體積和重量，減輕飛行員的工作負(fù)擔(dān)，提高系統(tǒng)可靠性，降低全壽命周期費(fèi)用。綜合已不限于單機(jī)之內(nèi)，最大限度地利用機(jī)外信息資源將是今后一個顯著特點。

2)開放式系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

開放式系統(tǒng)結(jié)構(gòu)式開放系統(tǒng)接口標(biāo)準(zhǔn)定義的一個結(jié)構(gòu)框架，它的優(yōu)點是：便于構(gòu)成分布式系統(tǒng)；便于不同廠家的生產(chǎn)的、不同型號的計算機(jī)或其他硬件之間的互聯(lián)、互通和互操作；便于硬件、軟件的移植；便于系統(tǒng)功能的增強(qiáng)和擴(kuò)充。此外，開放式系統(tǒng)結(jié)構(gòu)還支持系統(tǒng)可變規(guī)模，有利于縮短研制開發(fā)周期，較好地解決系統(tǒng)的功能擴(kuò)展、修改，以及元器件的更新?lián)Q代。

3)廣泛采用COTS技術(shù)

為了實現(xiàn)經(jīng)濟(jì)上可承受性、性能、可改進(jìn)和重新使用能力4大指標(biāo)，在新一代綜合航電系統(tǒng)中將會更加強(qiáng)調(diào)采用CTOS技術(shù)。CTOS技術(shù)具有以下特點：顯著減少專用元器件、專用組件或模塊、專用軟件等數(shù)量；降低科研生產(chǎn)成本；采用通用的、開放的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，兼容性號；技術(shù)先進(jìn)，符合技術(shù)發(fā)展潮流；具有良好的技術(shù)支持、便于擴(kuò)充和升級，產(chǎn)品更新?lián)Q代快；可以直接在商品貨架上采購，供貨渠道有保障；采購費(fèi)用低廉；研制、生產(chǎn)周期短；產(chǎn)品維修和后勤保障較為方便，維修保障費(fèi)用低。

4)實現(xiàn)高度的模塊化

模塊化是綜合航電系統(tǒng)發(fā)展的又一重要特征。模塊化是實現(xiàn)結(jié)構(gòu)簡化和綜合化的基礎(chǔ)，也是實現(xiàn)系統(tǒng)重構(gòu)的基礎(chǔ)。

模塊化航電系統(tǒng)的主要特征是結(jié)構(gòu)分層。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)分層和綜合化的關(guān)鍵，也是影響資源利用率的重要因素，在頂層設(shè)計時必須要折中和權(quán)衡系統(tǒng)結(jié)構(gòu)層次。模塊化是為了系統(tǒng)重構(gòu)、擴(kuò)張、修改和維護(hù)，可大幅度地提高可用性，保證飛機(jī)隨時處于可以起飛狀態(tài)。

5)傳感器綜合化

傳統(tǒng)的單一傳感器已經(jīng)逐步被綜合式傳感器或傳感器與顯示器綜合化所取代。航電系統(tǒng)傳感器的種類、數(shù)量、復(fù)雜性及數(shù)據(jù)量不斷增加，超出了駕駛員有效使用和管理傳感器的能力。傳感器綜合化的目標(biāo)是：改變目前各種傳感器分立的狀態(tài)，實現(xiàn)互為補(bǔ)充、互為備份、揚(yáng)長避短、綜合使用各傳感器提供的信息；對多傳感器實現(xiàn)綜合的控制與管理，獲得比單獨的傳感器性能更高的傳感器系統(tǒng)。

6)容錯與重構(gòu)

新一代綜合航電系統(tǒng)應(yīng)具有較強(qiáng)的容錯和系統(tǒng)重構(gòu)能力，以便飛機(jī)在執(zhí)行任務(wù)過程中發(fā)生故障時，能夠根據(jù)故障情況切斷失去功能的LRU或LRM，并自動連接備用的LRU或LRM，使系統(tǒng)恢復(fù)全部或部分功能。實現(xiàn)容錯和重構(gòu)的關(guān)鍵是建立有效的故障報告機(jī)制和完備的重構(gòu)方案，應(yīng)能對系統(tǒng)進(jìn)行實時監(jiān)測，確定哪些資源正在正常運(yùn)行，哪些資源出現(xiàn)故障，并針對具體的故障有相應(yīng)的重構(gòu)方案。

7)通用化

通用化是綜合航空電子系統(tǒng)的一個重要發(fā)展方向，有助于加快航空電子系統(tǒng)的更新?lián)Q代周期，軍民兩用技術(shù)將會得到發(fā)展。實現(xiàn)通用化的核心是要制定一系列標(biāo)準(zhǔn)。標(biāo)準(zhǔn)化不僅僅是指硬件，而且還包括軟件。

3 結(jié)語

在進(jìn)行新一代初級教練機(jī)綜合航電系統(tǒng)設(shè)計時，必須根據(jù)綜合航空電子系統(tǒng)的發(fā)展趨勢對初級教練機(jī)的綜合航電系統(tǒng)進(jìn)行需求分析，從技術(shù)可行性和經(jīng)濟(jì)性兩個方面進(jìn)行全面的分析論證；加強(qiáng)對綜合航空電子系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)和試驗方法全面研究，真正掌握其客觀規(guī)律，加強(qiáng)頂層謀劃，系統(tǒng)思考；加強(qiáng)航空電子系統(tǒng)的總體設(shè)計工作，對系統(tǒng)進(jìn)行定義、分析、設(shè)計、驗證和評估并反復(fù)迭代，使航空電子系統(tǒng)的功能、性能、可靠性、維修性及全壽命周期滿足要求。

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