淺談飛機機電綜合技術發展及標準需求

林志昆 王宏霞

隨著數字技術、信息技術和計算機技術的迅猛發展，國內外先進飛機機電系統發展趨勢逐步走向了集約化、綜合化。所謂機電系統綜合，就是把包括燃油、環控、動力、液壓、供電等傳統機電系統從功能、管理、控制上進行綜合化設計，把各系統融合在一起，實現對機電各分系統的最優控制和管理。

早先飛機各系統之間是相互獨立進行管理、控制的，造成機電系統間融合程度不高，可靠性、維修性、測試性、保障性差、能量管理水平低，使機電系統成為飛機上最龐雜的系統，同時也增加了飛機重量。機電系統綜合化設計將構建全新的系統架構，大量的硬件、軟件功能綜合到機電綜合系統中來，提升了系統的安全性和容錯能力，同時減少了成品數量和電纜長度。這樣不但減輕了飛機重量，而且飛機管理、控制層次明確，管理、控制集中，顯著提高機電系統的先進程度。并在控制綜合的基礎上對液壓、燃油、供電、環控的需求進行綜合平衡考慮，根據飛機需求實現能源的動態分配，提升飛機的能源利用率，從而在改善飛行品質，提高飛行性能、安全性、舒適性、可靠性和維修性的同時，也降低了燃油消耗和維修成本。

1 技術發展現狀

國外較為成熟的機電系統綜合化主要分3個階段，第1階段是進行公共設備管理系統綜合，它是在基本不改變傳統機電系統結構的基礎上，對各機電子系統進行控制和熱能綜合管理，實現控制和能量方面的綜合，通過大量使用遠端控制接口單元、遠端數據采集單元和固態功率控制器，借助遠端控制接口單元，在飛機上廣泛分布于各個位置的傳感器和作動器以及公共核心資源計算機，通過數據總線連接，使得各個分系統成為物理上分散分布，功能上綜合的機電綜合控制系統。該項技術已應用到A-350、A-380、B-777、B-787中，以及軍用飛機F-22和F-35當中。圖1所示為機電系統綜合管理的構型圖。第2階段是子系統功能綜合，此項研究工作是繼公共設備管理系統之后對機電系統的進一步綜合，它打破了傳統機電系統各自獨立的格局，是一種全新的設計理念，如多電飛機技術，用電力系統取代目前飛機上使用的液壓、氣壓和機械系統，以達到在功能、能量、控制和物理4個方面實現全面綜合的目的。目前，部分研究成果已應用到A-380、B-787、F-22和F-35中。特別是F-35的機電系統綜合化是在F-22的基礎上進一步發展，其功能、能量、控制和物理方面的全綜合已起步，多項多電飛機技術得到了應用。第3階段是實現飛機層面的能量綜合與優化，如美國開展的綜合飛行器能量技術計劃和能量優化飛機計劃，該項技術還處于研究初級階段。

我國在機電系統綜合化方面起步較晚，在新一代飛機研制之前，我國軍民用飛機的機電系統都是獨立的，至多采用機電管理系統實現機電系統的故障診斷與隔離、機電系統狀態監控與告警，并通過總線與航電系統信息共享，完成部分機電系統的控制管理，方案見圖2。我國新一代軍用飛機的機電系統研制貫穿了綜合化管理思想。在機電系統的故障監測技術上采用了綜合化的監控技術，促進了液壓、燃油、供電、環控的綜合平衡，能量動態分配?？偟膩碚f，新一代戰機的機電系統相對于前一代戰機實現了技術跨代。在預研方面，我國已開展了先進機電系統能量綜合技術、機電系統綜合管理和健康診斷技術等研究，并取得了一定的研究成果。雖然我國在機電綜合領域已經取得了豐碩的成果，但依然處于跟著國外走的階段，與國外的先進水平相比，我國的機電綜合化水平還存在一定差距。

2 機電綜合系統關鍵技術

機電綜合系統是一個涵蓋航電、控制、電氣、機械、液壓、燃油等多個專業的復雜綜合體，除了各專業固有的技術難點，為了實現系統綜合又衍生出一系列關鍵技術有待解決。包括整個系統的研制技術和分系統的新技術要求。

2.1 機電綜合系統構架設計技術

構架設計是機電綜合系統的頂層設計，主要是基于系統基本功能和性能指標，搭建系統構架，使機電綜合系統滿足飛機總體設計的要求。系統構架是機電綜合系統設計理念的直接體現，該構架設計的是否合理，直接決定了整個系統的各項性能指標，因此是機電綜合系統的關鍵技術之一。一般在滿足各分系統的功能、安全性、可靠性等基本要求的同時，應從如何提升整個機電系統的能源利用率、可靠性、安全性等角度出發。如利用系統冗余進行容錯設計，使在出現故障時進行系統重構，提高機電系統的容錯能力。此外還需要設計各分系統之間以及分系統與綜合管理系統之間的接口等。

2.2 機電綜合管理系統設計技術

機電綜合管理系統是機電綜合系統的中樞，是對機載系統進行綜合化管理、自動控制及故障監測的分布式計算機系統，通過總線與航空電子系統及飛機其他系統連接，使機電系統與其他系統的信息可以高度融合。信息的高度融合使航空電子系統的任務管理更加完善，同時也使機電系統的管理、控制及監視達到最優，使飛行員及維護人員可通過顯示、音響、告警及記錄的方式得到更加完善、準確的機上信息。

2.3 狀態監控與故障診斷技術

狀態監控和故障診斷是機電綜合系統進行系統重構、故障隔離的前提條件。因此每一個機電綜合系統都應具備狀態監控與故障診斷的能力。因此，系統如何實時準確地自檢出故障位置和狀態成為機電綜合系統的關鍵技術之一。一般對于能夠建立較精確數學模型的系統，可用基于模型的方法進行故障診斷；對于復雜系統，可根據監控得到的特征信號進行故障診斷。

2.4 熱綜合管理技術

熱能是飛機重要能量，綜合高效地利用各分系統熱能對于提升飛機整體的效率有重要作用。因此，如何把相互獨立的機體熱量、發動機熱量、電氣設備熱量、燃油熱量、環境控制熱量綜合統一管理成為機電綜合系統的關鍵技術之一。為實現熱量綜合管理，需要進行新型燃油研究，以提供熱穩定性和比熱容更高的燃油，在此基礎上再進行燃油熱管理系統研究。

2.5 多電飛機技術

為了實現機電系統的完全綜合，美國提出了全電飛機概念，將二次能源全部用電能形式分配，作為全電飛機的初步階段，多電飛機成為當前飛機機電系統研發的重要領域，包括電力作動器、電力剎車、電力環控等，由于用電設備的增加又需要研究大容量啟動/發電機、配電管理系統、高容錯供電系統等。

2.6 系統驗證技術

機電綜合系統是一個復雜的系統，在研制過程中不僅要對整個系統進行驗證，還需要對重要部件、分系統進行驗證。因此，相關驗證設備和驗證方法成為機電系統研制過程中的重要關鍵技術之一。需要在以往對單獨部件或分系統進行驗證的設備和方法的基礎上，開展系統綜合驗證設備和方法的研究。

3 標準需求

標準化是在科研、生產、管理等活動中使重復性事件達到統一的活動，以獲得最佳秩序和最大的經濟效益、軍事效益和社會效益。特別是在復雜系統研制活動中，標準化發揮著協調統一的重要作用，可以說標準化在科研生產活動中不可或缺。機電綜合系統是典型的多任務、多學科綜合的復雜系統，在整個研制過程中都需要貫徹標準化思想，與機電綜合系統研制同步開展相關標準研究工作成為必要。然而我國目前僅有電氣、液壓、航電等分系統的相關標準，在機電綜合方面的標準還屬空白，因此需基于機電綜合系統的關鍵技術開展相關標準化研究。機電綜合系統標準在航空行業標準體系中應屬于飛行器平臺及系統標準之下的機電綜合標準，見圖3，目前該分支與電氣系統標準、液壓系統標準、燃油系統標準等并列。隨著機電綜合化技術的進一步發展，各系統間融合度不斷增加，電氣、液壓、燃油等系統的標準或許將逐步納入到機電綜合標準中，以便從頂層和各分支對電氣、液壓、燃油等系統綜合管理。

3.1 機電綜合系統頂層標準需求

機電綜合是將所有機電分系統當作一個整體來考慮，系統內部各子系統的方案都要適應綜合化的要求。因此需要“機電綜合系統通用要求”、“機電綜合系統通信總線”、“機電系統數字信號接口要求”等頂層標準從系統總體角度出發進行統一規范，確立機電系統在整個飛機體系中的地位，規定系統的基本功能、性能、總線、以及各系統的接口要求等。使機電系統的框架符合綜合化要求，并滿足飛機的總體設計要求，最終實現機電系統的功能綜合、物理綜合、控制綜合和能源綜合利用等要求。

3.2 機電綜合管理系統標準需求

機電綜合管理系統一般通過多臺飛行器管理計算機和公共設備控制處理器，如燃油測量計算機、環控計算機、剎車控制計算機、發電機控制裝置等。為了達成機電綜合管理系統的功能要求和性能要求，以及模塊化、系列化、組合化的設計原則，需要“機電系統控制處理計算機規范”、“機電系統控制處理計算機軟件設計要求”等標準對以上計算機軟硬件的設計進行規范，明確功能要求，提升其安全性和可靠性等，從而實現系統的控制功能、數據測量功能、狀態監控功能、告警功能、信息指示功能、維護功能、啟動檢測功能、二次配電系統復位功能等。

3.3 分系統標準需求

目前我國已編制了大量電氣系統、液壓系統、燃油系統等相關標準，對各分系統的研制提供了有力的支撐作用，同時也為機電綜合系統的研究奠定了基礎。但是這些標準僅著眼于各自系統的功能和性能，未考慮系統之間的融合，缺乏系統綜合理念。隨著機電系統的綜合程度日趨提高，以往標準的技術覆蓋面會越來越低，將無法滿足未來飛行器機電系統的研制需求。因此，需要根據機電綜合技術的發展對各分系統的標準進行修訂，增加各分系統之間的綜合化要求。另外，在機電系統綜合化的發展過程中，也出現了熱綜合管理、多電飛機等新的技術和裝備，也需要跟進編制相關標準，固化和推廣相關新技術，從而從分系統層面提升機電綜合系統的整體性能。

3.3 驗證試驗標準需求

驗證試驗是產品設計的最后環節，也是形成研制活動閉環的重要環節之一。機電綜合系統研發過程中的各個環節同樣需要試驗來證明設計的可行性和產品的功能性能。因此，需制定“機電綜合系統機上地面檢測要求”、“機電系統仿真試驗要求”、“機電綜合系統測試設備規范”等試驗標準，從試驗設備、試驗方法、試驗流程等方面把控機電綜合系統的產品質量。

以上為根據關鍵技術分析所得飛機機電綜合系統的標準需求，機電綜合標準的制定將為我國相關研制工作提供參考和依據，從而促進飛機機電系統的綜合化水平，提升飛機機電系統的可靠性、安全性等。

4 結束語

未來飛行器將向著能量優化型發展，那么機電綜合則成為未來機載系統的必然趨勢。并將通過機電綜合技術不斷完善能源的全局控制與分配，信息相互共享，功能互為備份，從而提升整個機電系統的綜合性能。在此過程中需攻克相關關鍵技術，并通過建立相關標準規范機電綜合系統的研制生產，提高效率，降低風險。最終實現機電綜合技術的快速發展。

[1] 王曉梅. 民用飛機系統機電綜合的發展[J]. 科技創新導報，2011（32）.

[2] 郭生榮. 航空機電系統綜合化技術展望[J]. 國際航空，2012（8）.