A320飛機(jī)電傳操縱系統(tǒng)的控制律及其重構(gòu)淺析

摘 要：A320飛機(jī)率先在民用運(yùn)輸機(jī)領(lǐng)域采用電傳操縱系統(tǒng)，將駕駛員的操縱指令轉(zhuǎn)變成電信號(hào)傳遞給飛行控制計(jì)算機(jī)，由飛行控制計(jì)算機(jī)根據(jù)飛機(jī)飛行的不同階段，生成不同的控制律，控制飛機(jī)的姿態(tài)。本文簡(jiǎn)介了A320飛機(jī)的正常控制律、備用控制律和直接控制律的特點(diǎn)及所提供的保護(hù)，并介紹了控制律之間的重構(gòu)與轉(zhuǎn)換關(guān)系。

關(guān)鍵詞：A320飛機(jī)；電傳操縱系統(tǒng)；控制律

中圖分類號(hào)：V227 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

A320飛機(jī)是歐洲空中客車公司研發(fā)的經(jīng)典中短程民用運(yùn)輸機(jī)，此機(jī)型率先在民用運(yùn)輸機(jī)領(lǐng)域采用電傳操縱系統(tǒng)。所謂電傳操縱系統(tǒng)是指將駕駛員的操縱指令轉(zhuǎn)變成電信號(hào)，傳遞給飛行控制計(jì)算機(jī)，飛行控制計(jì)算機(jī)同時(shí)通過(guò)傳感器接收飛機(jī)姿態(tài)響應(yīng)的反饋信號(hào)，并將這些電信號(hào)進(jìn)行綜合比較和運(yùn)算處理，按照既定的控制律，將控制指令輸送到舵面驅(qū)動(dòng)裝置，驅(qū)動(dòng)舵面偏轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)對(duì)飛機(jī)姿態(tài)的控制。采用電傳操縱后，飛行的自動(dòng)化程度大大提高，駕駛員從直接操縱者轉(zhuǎn)變?yōu)楸O(jiān)控者和管理者，顯著降低了駕駛員的工作負(fù)荷，提高了飛行安全性[ 1-2 ]。

1 A320飛機(jī)控制律的重構(gòu)與轉(zhuǎn)換

控制律即控制規(guī)律，飛行控制計(jì)算機(jī)根據(jù)不同的工作模式計(jì)算控制律，并生成必要的控制指令，控制飛機(jī)姿態(tài)。A320飛機(jī)有三種控制律，包括正常控制律（Normal Law）、備用控制律（Alternative Law）和直接控制律（Direct Law），備用控制律和直接控制律是降級(jí)的飛行控制律。此外，俯仰、偏航軸還可采用機(jī)械備份操縱[ 3 ]。

如圖1，正常、備用、直接控制律具有自動(dòng)重構(gòu)能力，在正常使用狀態(tài)或飛控計(jì)算機(jī)、傳感器、電源發(fā)生單故障狀態(tài)下，因電傳操縱系統(tǒng)采用余度技術(shù)，所以飛機(jī)仍可采用正常控制律。多個(gè)飛行控制、液壓或電源系統(tǒng)的失效會(huì)導(dǎo)致飛行控制律的降級(jí)。

當(dāng)多個(gè)故障發(fā)生時(shí)，根據(jù)后續(xù)故障出現(xiàn)的數(shù)量和性質(zhì)正常控制律會(huì)由備用或直接控制律自動(dòng)接替。在飛行中，根據(jù)故障的數(shù)量和性質(zhì)，也可由備用控制律轉(zhuǎn)換為直接控制律。在某些特定場(chǎng)合，可通過(guò)駕駛員干預(yù)再次接通備用模式。在此基礎(chǔ)上，再發(fā)生一次故障將導(dǎo)致轉(zhuǎn)換至機(jī)械備份操縱。機(jī)械備份控制可以主動(dòng)地超控正常控制律、備用控制律和直接控制律，尤其在正常控制律、備用控制律、直接控制律都失效時(shí)能夠維持飛機(jī)的安全飛行和著陸。

2 A320飛機(jī)控制律

2.1 正常控制律

正常控制律提供基本控制律，保證飛機(jī)的操縱，提供飛機(jī)在整個(gè)飛行包線內(nèi)的保護(hù)，減輕機(jī)動(dòng)飛行載荷。

如圖2，飛行控制計(jì)算機(jī)對(duì)飛機(jī)的控制有三種基本模式，即地面模式、飛行模式和拉平模式。在不同模式下，針對(duì)不同的控制律，系統(tǒng)給飛機(jī)提供的保護(hù)也不同。

在地面模式下，側(cè)桿與升降舵及滾轉(zhuǎn)舵面直接聯(lián)系，方向舵由腳蹬機(jī)械控制，偏航阻尼功能可用。地面模式在拉平模式之后，當(dāng)主起落架減震支柱壓縮且俯仰姿態(tài)確認(rèn)無(wú)誤時(shí)生效。

飛行模式在地面模式之后，當(dāng)主起落架減震支柱伸出，且俯仰姿態(tài)確認(rèn)無(wú)誤時(shí)生效。在飛行模式下，正常控制律提供五種保護(hù)，俯仰姿態(tài)保護(hù)、 載荷因數(shù)保護(hù)（過(guò)載保護(hù)）、坡度角保護(hù)、高速保護(hù)和失速保護(hù)（大迎角保護(hù)）。

俯仰姿態(tài)保護(hù)是指電傳操縱系統(tǒng)依據(jù)飛機(jī)的速度和襟翼放下的角度對(duì)俯仰姿態(tài)進(jìn)行保護(hù)，有效地防止飛機(jī)由于俯仰角過(guò)大而失控。載荷因數(shù)保護(hù)（過(guò)載保護(hù)）是指當(dāng)駕駛員的操縱引起飛機(jī)過(guò)載變化時(shí)，計(jì)算機(jī)系統(tǒng)會(huì)對(duì)過(guò)載進(jìn)行自動(dòng)限制，防止飛機(jī)載荷因數(shù)過(guò)大而導(dǎo)致結(jié)構(gòu)受損。坡度角保護(hù)是指在不同的飛行狀態(tài)下，對(duì)飛機(jī)的坡度角進(jìn)行限制，防止飛機(jī)失速。高速保護(hù)是指飛機(jī)的速度超過(guò)最大操縱速度VMO或最大操縱馬赫數(shù)MMO時(shí)，側(cè)桿操縱機(jī)頭向下權(quán)限漸漸地減小，同時(shí)飛行控制計(jì)算機(jī)會(huì)給飛機(jī)一個(gè)恒久的抬頭指令以協(xié)助飛機(jī)恢復(fù)至正常飛行狀態(tài)。隨著飛機(jī)迎角的增大，飛機(jī)速度逐漸減小，當(dāng)飛機(jī)速度減至低于VMO或MMO時(shí)，正常操縱法則恢復(fù)，高速保護(hù)解除工作。失速保護(hù)（大迎角保護(hù)）指在正常法則下，即使側(cè)桿柔和地一直向后拉到底，迎角都不會(huì)超越最大迎角值。飛機(jī)著陸之前需要拉平，拉平模式在飛行模式之后，且飛機(jī)低于一定高度時(shí)生效。在拉平模式下，正常控制律提供兩種保護(hù)，失速保護(hù)和坡度角保護(hù)。

2.2 備用控制律

備用控制律僅提供基本控制律，操縱性能降低，且比正常模式所提供的保護(hù)少。在此基礎(chǔ)上，再發(fā)生故障，根據(jù)故障的性質(zhì)將引起向直接控制律或機(jī)械備份操縱的轉(zhuǎn)換。

如圖3和圖4所示，備用控制律分為有降級(jí)保護(hù)的備用控制律和無(wú)降級(jí)保護(hù)的備用控制律，其中，有降級(jí)保護(hù)的備用控制律可為飛機(jī)提供載荷因數(shù)保護(hù)、高速保護(hù)和失速保護(hù)。而無(wú)降級(jí)保護(hù)的備用控制律只提供載荷因數(shù)保護(hù)。

2.3 直接控制律

飛機(jī)在地面時(shí)，飛機(jī)的控制律就是直接控制律。在直接控制律下，飛機(jī)在正常控制律下的所有保護(hù)功能將會(huì)失去，此時(shí)駕駛桿至操縱面之間保持直接的聯(lián)系，而不經(jīng)過(guò)計(jì)算機(jī)處理和判斷，這和傳統(tǒng)飛行操縱系統(tǒng)的構(gòu)成類似。直接控制律下，只可進(jìn)行人工配平。

2.4 機(jī)械備份操縱

當(dāng)以上三種控制律都失效時(shí)，機(jī)械備份操縱允許應(yīng)用俯仰配平手輪和方向舵腳蹬對(duì)飛機(jī)進(jìn)行俯仰和偏航操縱，保證飛機(jī)的基本姿態(tài)的控制，只要情況允許可機(jī)械操縱飛機(jī)著陸，使飛機(jī)的安全性能得到大大的提高。

3 結(jié)語(yǔ)

A320飛機(jī)開創(chuàng)性地采用了電傳操縱系統(tǒng)，電傳操縱系統(tǒng)的核心部件為飛行控制計(jì)算機(jī)。飛行控制計(jì)算機(jī)根據(jù)飛機(jī)飛行的不同階段，生成不同的控制律，確保飛機(jī)的過(guò)載在飛行包線范圍內(nèi)，并且限制了飛機(jī)的飛行姿態(tài)，防止了失速的發(fā)生，極大地減輕了駕駛員的負(fù)荷，保證了飛行安全。

參考文獻(xiàn)：

[1] 莊緒巖，徐亞軍.民機(jī)電傳操縱系統(tǒng)發(fā)展現(xiàn)狀及趨勢(shì).科技創(chuàng)新導(dǎo)報(bào)，2014（5）：81.

[2] 黃國(guó)華，李洋，廉風(fēng)慧.飛機(jī)電傳操縱系統(tǒng)的發(fā)展概況.現(xiàn)代教育科學(xué)，2009（S1）：414-415.

[3] A319/A320/A321 TECHNICAL TRAINING MANUAL. Airbus Industrie.

作者簡(jiǎn)介：周蜜（1981-），女，漢族，河北唐山人，碩士，講師，研究方向：民用飛機(jī)結(jié)構(gòu)與設(shè)計(jì)、航空器維護(hù)與修理方向的科研及教學(xué)工作。