控制律是C919的“靈魂”

文‖上海國資記者 孫玉敏

控制律是C919的“靈魂”

文‖上海國資記者 孫玉敏

如果用人比喻飛機，控制律屬于什么？“如果發動機是心臟，控制律則更像大腦，或者進一步，更像靈魂?！笨刂坡晒リP隊領軍者——中國商飛C919副總設計師黎先平這樣回答。“以汽車為例，如果飛機的操作舵面相當于車輪，控制律就是方向盤?！?/p>

控制律攻關團隊的年輕隊員，則更愿意用電腦作比，在他們看來，控制律更像windows操作系統。“沒有操作系統電腦無法使用。沒有控制律，飛機將無法飛?！?/p>

技術封鎖下的艱難起步

自主設計的C919控制律攻關是一場硬仗。

C919采用的是全時全權限電傳飛控系統，與空客A330類似，而波音直到777才使用了電傳飛控系統。

這種系統是現代民用飛機進化的重要標志，它改變飛行員通過機械設備控制飛機的傳統做法?！半妭黠w控系統相當于汽車的自動檔，機械飛控系統相當于手動檔?！崩柘绕浇榻B。

電傳飛控系統下，飛行員利用計算機經過一系列復雜算法，達到操縱飛機的目的，可大大提高飛機的安全性和舒適性。這“一系列復雜算法”，就是控制律?！翱刂坡梢话愣际怯芍圃鞆S商自己研發，一來可以掌握飛機設計、改型的主動權，二來可以掌握保證飛機安全的主動權。” 黎先平說。

作為電傳飛控系統的核心技術，控制律一直是國外限制出口與轉讓的關鍵技術，西方國家明令禁止其出口。

作為C919飛控系統方面的合作伙伴，美國霍尼韋爾公司限于相關規定，無法提供控制律技術。中國商飛只能自主研發。

對中國商飛而言，此次控制律的研發設計，有兩個特點：第一是“起點低”。C919項目首次采用閉環控制律電傳操縱系統，國內相應領域的研究幾乎為零。第二是“標準高”。C919客機采用放寬靜穩定性設計，比競爭機型更具經濟性能，但同時帶來操穩品質下降的問題，需要控制律進行補償。

“起點低”，卻要達到“標準高”，這場硬仗，該從何打起？

一切從零開始

為啃下硬骨頭，中國商飛組建了攻關隊。

該隊陣容可謂強大。由中國商飛副總經理、C919總設計師吳光輝擔任隊長，上飛院院長郭博智擔任常務副隊長，C919常務副總設計師陳迎春和幾個主管專業副總設計師擔任副隊長。參與的部門包括總體氣動部、飛控部、項目管理部等。

該隊是C919第一個大型公司級項目組，以中國商飛研發中心為主體，聯合了試飛中心、國內參研單位、飛行員、試飛員、高校、海外專家等。“這種一段時間內集中優勢資源聯合攻關的形式，更有利于重點突破。”黎先平表示。

2012年6月21日，攻關隊正式成立。

攻關隊采取集中辦公模式，“攻關隊跨單位、跨部門、跨專業，集中辦公更方便溝通，也更有效率?！辈捎谩?11工作制”，“也就是每周工作六天，每天工作11小時”，黎先平說。

最難的地方在于沒有經驗可以借鑒。由于國內之前研發的民用飛機都沒有采用過閉環控制律的電傳操縱系統，相應領域的研究幾乎為零。

一切從零開始，艱難困苦可想而知?！笆紫纫岢鲈O計要求，但我們沒有做過，只好按照國外資料等，嘗試性地提一部分，大家都是摸著石頭過河，如果隨著工作的開展，要修改設計要求，我們很多工作又要重來一遍?！惫リP隊隊員、中國商飛上飛院總體氣動部操穩特性室副主任余圣暉說。

首先要做的，是數據處理。這些數據來自各類試驗，風洞試驗、氣動試驗等等。通過這些數據處理，攻關隊員們要計算出飛控系統的關鍵指標，這是所有工作的基礎?！皵祿幚砉ぷ髁糠浅４螅幸粋€反復迭代的過程，有時候基礎數據里面‘混’進個別無效數據，會影響整個計算結果，我們就要從所有數據里面辨別出無效數據，然后重新計算?！庇嗍煴硎?。

有了基礎數據，攻關隊開始設計控制律的主要功能內容。

2009年，法航一架空客330空中解體，機上人員全部遇難。對于此次空難，有人推測原因之一是空速表出現了問題，顯示了錯誤的飛行速度，導致飛機在進入雷區前，飛行員拉桿過猛，飛機迎角過大，使得飛機失速，發動機驟停。

為避免類似事故，攻關隊給控制律設計的一個重要功能就是迎角控制?！拔覀冊O計的控制律，可以將飛機迎角控制在一定范圍內，超過這個范圍，飛行員再拉桿，飛機迎角也不會增加，保障了飛行安全?！崩柘绕秸f。

攻關隊隊員、中國商飛上飛院總體氣動部部長助理歐陽一方表示，他們設計的控制律，還具有增加飛機舒適體驗的功能。“比如飛機轉彎時，控制系統會自動調節航向和坡度，實現協調轉彎，機內的乘客就不會有被甩出去的不適感?！?/p>

減重減阻也是控制律帶來的一大好處。通過提高飛機尾翼的工作效率，可以減少這些部位的尺寸，降低飛機重量。“飛機平尾的作用是實現飛機縱向平衡，先進的電傳飛行控制系統可以提升平尾的工作效率，由于效率提高，用較小的平尾就能實現既定的功能，飛機可以更經濟、更環保?！?/p>

初步評審

C919飛機控制律有三個層級，正常模式控制律、輔助模式控制律、直接模式控制律，與飛控系統的三個工作模式一一對應。

飛機在正常情況下，使用的是正常模式控制律，它是最智能的模式，飛機可以通過控制律自動調節舵面。當飛機某些系統非正常運作時，就要切換到輔助模式，此時很多操縱動作需要飛行員手動完成。而直接模式是最后一道防線，一般是飛機出現故障后使用的模式，提供保證飛行安全的最基本的操穩性能。

由于正常模式控制律下，系統會自動配平，容易掩蓋飛機的缺陷，不利于設計驗證，所以在飛機設計階段，攻關隊首先需要攻克的是直接模式控制律。

為早日看到成果，攻關隊決定“百日攻堅”。

“那時，大家加班至九十點鐘再正常不過，晚飯時，為了節省走到餐廳和餐廳排隊的一點點時間，很多人吃泡面湊合。為了C919，大家真的付出了許多，有人推遲了結婚計劃，有人推遲了生育計劃。有孩子的也幾乎見不了面，因為晚上回家時孩子已經睡下，一早上班時孩子還沒醒。”余圣暉說。

而在飛控系統的供應商霍尼韋爾處，他們得不到任何實質幫助。據媒體報道，研發過程中，霍尼韋爾只負責將中國商飛設計好的算法與方案進行功能的實現。每次，對程序設計是否合適，霍尼韋爾公司只回答 YES或NO，故障原因則需要中國商飛自己進行定位與更改。

一分耕耘一分收獲。終于到了直接控制律的初步設計評審（PDR）時刻。

2012年末，上飛院綜合試驗樓218會議室里，C919直接控制律初步設計評審（PDR）正在緊張進行：

“這個傳遞函數需要更新，我們周五討論更新結果?！?/p>

“不用等到周五，明天一早我們就能弄好?！?/p>

“可以。這個詞應該寫全稱，你們更新一下?！?/p>

……

作為C919飛控系統供應商，霍尼韋爾公司對評審的要求不可謂不嚴苛?！讹w控系統技術規范》（STS）里的用語精確到每一個標點。

“好了，沒有項目需要更新，我們可以退出初步設計評審（PDR）了?！?/p>

當霍尼韋爾工作人員評估完成《飛控系統技術規范》里最后一項，宣告直接控制律的初步設計評審順利通過時，攻關隊每個人都長舒了一口氣，近半年來的努力終于有了階段性成果，大家臉上樂開了花。

作為世界知名的飛控系統供應商，霍尼韋爾在飛控系統上的研發實力非常強大。評審中，霍尼韋爾表示：攻關隊對直接控制律功能定義“完整、嚴謹、準確”，直接控制律工程模擬器飛行員評估試驗結果“真實、可信”。

攻堅

直接控制律PDR通過，給攻關隊的激勵無疑是巨大的。但大家來不及慶賀，轉身又投入到下一個攻堅戰——首飛控制律PDR。

顧名思義，首飛控制律是指滿足首飛需求的控制律設計。由于控制律會對飛機自身性能進行修復，如果在首飛時使用正常控制律，有可能掩蓋飛機系統存在的問題。因此，首飛控制律實際上包括對直接控制律的優化迭代和輔助控制律設計。

攻關隊于是在直接模式控制律的基礎上新增加了增益調參、失速告警、副翼配平等功能，使得飛控系統能夠滿足首飛及初始試飛階段所必需的操穩性能。

要實現副翼配平功能并非易事。飛機在制造時，可能產生公差，公差有可能讓飛機左右兩個機翼不完全對稱，導致左右機翼升力不對稱，從而產生滾轉，這時就需要副翼來進行調整，使左右機翼達到完全平衡。在輔助模式控制律下，飛行員需要手動進行副翼配平，而在正常模式控制律下，系統會自動配平。在參考相關資料和實驗數據的基礎上，了解飛行員手動配平的細節后，攻關隊最終成功“找到了路”。

除了副翼配平功能，首飛控制律還增加了增益隨空速調參、失速告警等功能。

直接模式控制律承擔系統發生故障時的控制任務，僅設計高速、低速兩套固定增益，保證最低飛行安全。而在首飛控制律模式下，飛行員操縱側桿引起舵面的轉動是一個復雜的邏輯算法，它綜合考慮飛行高度速度、襟縫翼位置、重量重心等許多因素，這就要對增益進行迭代設計。

“最難的就是增益參數的確定，當中涉及幾十個參數，對每個參數都要經過先桌面線性設計與分析，然后非線性分析，再進行工模試驗，最后又返回桌面修改的過程，每個參數之間相互不是獨立的，一個參數的改變往往會帶動其他參數的變化，因此增益參數的確定大都要來回迭代幾十次，有的甚至上百次?！睔W陽一方表示。

失速告警閾值的確定也是一個大難題。對于飛機而言，進入失速狀態無疑是災難性的，因此，飛機必須具備失速告警功能。但是在什么情況下告警呢？提早告警是最安全保險的法子，但會損失飛機部分性能，比如沒達到最大迎角就提早告警，飛機的可用升力會減小，從而降低飛機的設計載重，對其他一些性能指標也會產生影響。如何找的合適的閾值？攻關隊員們參考大量相關資料和行業規范，仔細研究適航規章要求，綜合聽取航空老前輩的意見，又經過反復試算、反復修改，最終確定了如今的閾值，而這個值，在后續的設計過程中還有可能繼續優化。

“一山放過一山攔”

“一山放過一山攔”，在攻關的路上，大家就這樣“打下了一個山頭，又開始了另一座山頭”。

目前，中國商飛在飛行控制律設計方面已實現幾大突破：直接控制律和輔助控制律都已通過關鍵設計評審（CDR），正常控制律也通過PDR。不僅可以支持首飛的需求，還能支持后續一定階段的試飛工作。

3年攻關下來，攻關隊完成了《飛控系統技術規范》（STS），“這是控制律的設計要求，有4100多項需求，1000多頁文件。要交給供應商以編寫代碼”，完成了總體建模、控制律建模、現象仿真建模等諸多工作。

攻關隊也得到了極大的鍛煉。“我們攻關隊隊員大都是剛從學校畢業的80后90后，在隊里可以與各相關各專業充分交流，成長很快。飛控系統供應商的成熟，也有利于大家眼界的開闊。聯合公關還教大家明白了一點，一個團隊里，一兩個人強沒有用，要大家都強，形成合力才能成事。”歐陽一方說。

而相關設計研發工作還將繼續。因為控制律是一項周期漫長的工作，貫穿整個型號周期。不僅設計階段要攻克許多難關，就是進入試飛階段，還要根據試飛中反映出來的問題，對控制律進行優化更改，這樣的更改工作要持續到飛機構型凍結。

“C919的控制律設計是國內第一次在民機上應用控制增穩和包線保護，可以說填補了國內民機空白，將來我們希望能夠實現諸如陣風減緩等更多復雜的功能，令我們的飛機更加先進、更加舒適?！?/p>

聽上去，還有無數山頭要攻克。但在攻關隊隊員臉上，你看不到絲毫畏懼與退縮，你能看到的，更多是信心和激情?！?年攻關下來，大家已由原來的不太懂到比較知道，并深深愛上了自己所做的。大家的能量已被激發出來?！崩柘绕綇娬{。

一份事業，當有了足夠的信心和激情，沒有什么高峰是征服不了的。