有了“它”，開飛機，so easy

薛驍

人在開車的時候會根據(jù)目的地規(guī)劃路徑，開車過程中根據(jù)實時路況變道、加減速度甚至更改路線，這一切大都離不開人的計算、思考和操作。近幾年，各大科技公司、汽車廠商不惜重金砸向無人駕駛汽車項目，無非就是想在汽車上實現(xiàn)計算機對人的替代，而自動飛行控制系統(tǒng)讓飛機早就具備了這一功能。

一次偉大的飛行

一切還要從百余年前的一次飛行說起。1914年，巴黎航展上，年輕的勞倫斯？斯佩里和他的助手胸有成竹地起飛了，平穩(wěn)的飛行似乎并沒有什么新奇。

而當飛機低飛接近人群時，觀眾們清楚地看到勞倫斯站在機艙里，雙手高高舉過頭頂，他的助手則爬出機艙，走上一側(cè)機翼。現(xiàn)場的人們都震驚了——這架飛機在沒有人操縱的情況下竟然也能正常飛行！接著，助手走到機身后部，飛機一下子失去了平衡，然而，在不需要駕駛員操作的情況下，飛機很快又恢復(fù)了正常，平穩(wěn)地繼續(xù)飛行。

飛機一落地，勞倫斯就成了名人，而這次飛行也成為人類歷史上第一次自動飛行。

實現(xiàn)這次偉大飛行的關(guān)鍵器件是由陀螺控制的自動駕駛儀，其裝備的4個陀螺儀能感受飛機的姿態(tài)和航向，發(fā)送指令給飛行操縱面的伺服裝置，自動糾正偏航、俯仰和滾轉(zhuǎn)趨勢，實現(xiàn)飛機的平穩(wěn)飛行。這就解釋了為什么勞倫斯在駕駛艙里高舉雙手，不進行任何操作，飛機仍然能糾正姿態(tài)正常飛行。

此后，隨著技術(shù)的發(fā)展，自動駕駛儀的功能也越來越完善。到了20世紀60年代，自動駕駛儀可以接收無線電導(dǎo)航、慣性導(dǎo)航的指令輸入，增加了外回路控制部分。而隨著民航的發(fā)展，對飛機自動進近、自動著陸的要求進一步擴大了自動駕駛儀外回路控制部分，其與自動油門結(jié)合后形成了較為完整的自動飛行控制系統(tǒng)。

目前，自動飛行控制系統(tǒng)已發(fā)展為集飛行導(dǎo)引控制系統(tǒng)、自動推力、自動著陸、飛行包線保護、告警通告等為一體的復(fù)雜系統(tǒng)。除起飛階段外，其他飛行階段均可以通過計算機進行自動控制。

對人的部分替代

當人控制飛行時，他會通過儀表盤等知道飛機的位置、速度、姿態(tài)等信息，通過大腦進行計算，明確如何操縱側(cè)桿、腳蹬等來控制飛機。

而當自動飛行控制系統(tǒng)控制飛行時，它也會像人一樣獲取各種信息，例如，導(dǎo)航的大氣數(shù)據(jù)系統(tǒng)會為其提供大氣數(shù)據(jù)信息，從而確定飛機的速度和高度；慣導(dǎo)系統(tǒng)會提供飛機的姿態(tài)信息以及在幾個方向上的過載、爬升率和下降率；發(fā)動機系統(tǒng)會提供其自身當下的工作狀態(tài)信息；飛行管理系統(tǒng)會提供規(guī)劃好的路徑，給自動飛行控制系統(tǒng)發(fā)送指令，即下一步到哪兒、怎么飛。自動飛行控制系統(tǒng)對上述輸入進行解析后，輸出指令給主飛控系統(tǒng)，通過主飛控系統(tǒng)控制舵面，實現(xiàn)平穩(wěn)飛行。

“這種對人的駕駛功能的部分替代是自動飛行控制系統(tǒng)設(shè)計的主要出發(fā)點之一。”中國商飛上飛院飛管系統(tǒng)部自動飛行室主任柯劼介紹道。目前，民航飛行通常采用兩人機組，除操縱飛機外，正副駕駛還要完成檢查、空地對話等很多任務(wù)。在長時間巡航過程中，飛行員對飛機的操縱很單一。“飛行員大多數(shù)時候都是根據(jù)空管給的指令，沿著一條建在空中的‘高速公路飛行，整個巡航階段飛機的機動比較小。這時候，自動飛行系統(tǒng)的介入就解放了飛行員的雙手雙腳，減輕了飛行員在長時間，尤其是跨國、跨洋飛行中的工作負擔(dān)。全程手動控制飛機對飛行員來說，無論是在生理上還是心理上都是一種考驗。就像一直開高速，人也會疲憊一樣。”

通常，利用自動飛行控制系統(tǒng)，飛行員可以通過兩種模式來控制飛機：管理模式和選擇模式。

說起管理模式，就不得不提到飛行管理系統(tǒng)，其主要功能是對飛行計劃進行管理，也就是規(guī)劃了飛機從起飛機場到目標機場如何飛行的全路徑。它具有強大的導(dǎo)航計算、性能計算和制導(dǎo)功能，可以實現(xiàn)飛機的全自動導(dǎo)航，提供從起飛到進近著陸的最優(yōu)水平飛行軌跡和垂直飛行剖面。在這種模式下，自動飛行控制系統(tǒng)根據(jù)飛行管理系統(tǒng)的指令進行飛行，這也是在實際飛行中使用較多的模式。

然而，由于每片空域的繁忙程度、飛機的實時飛行情況可能不會完全與飛行管理系統(tǒng)預(yù)設(shè)的情況一致，這時，空管就會給飛行員指令，飛行員就要通過選擇模式進行控制。就像一些汽車雖然有定速巡航模式，但是真正開到路上的時候，駕駛員也不能一直用定速巡航，即便在高速公路上，也需要根據(jù)實時路況進行調(diào)整。

通常，在駕駛艙遮光罩的中央，有一塊飛行模式控制板（FMCP），飛行員可以通過它選擇不同的自動飛行模式。“C919飛機共有二十多種模式，每種模式都有其特點。例如，高度保持模式可以讓飛機保持在固定的高度飛行，垂直速度模式就是保持固定的爬升率或者下降率，達到飛行員設(shè)定的目標高度。航向/航跡選擇模式能幫助飛行員從當前的航向/航跡轉(zhuǎn)變到其選擇的目標航向/航跡，”柯劼介紹說，“航線運行中飛機所需完成的所有動作都可以通過這二十多種飛行模式來實現(xiàn)。”

CATⅢa自動著陸功能

眾所周知，進近著陸階段是飛行過程中的事故高發(fā)階段，此時飛行員需要進行的操作較多，若是再遇到大霧、雨雪等天氣，能見度較低，更是對飛行員心理素質(zhì)和專業(yè)素質(zhì)的雙重考驗。

若是在這一過程中能利用精密的電子設(shè)備輔助飛行員進行降落著陸，豈不大大減小了飛行員的壓力？貼心的飛機設(shè)計師們早就考慮到了這一點。C919飛機自動飛行控制系統(tǒng)所具備的CATⅢa自動著陸功能可以幫助飛行員在能見度較低的情況下完成安全著陸。

CATⅢa自動著陸屬于一種精密進近著陸。國際通用的精密進近著陸等級一般按照能見度條件劃分，即綜合考慮決斷高度（DH）和跑道視距（RVR）兩個因素，將精密進近著陸等級劃分為Ⅰ、Ⅱ和Ⅲ類。前兩類為精密進近著陸，最后一類即自動著陸，其中自動著陸等級又分為三類，分別為CATⅢa、CATⅢb、CATⅢc。

“CATⅢa是指跑道視距在600英尺、決斷高度50英尺的時候才能建立目視參考的氣象條件，”柯劼介紹道，“C919自動飛行控制系統(tǒng)所具備的CATⅢa自動著陸功能要保證在這種情況下，能夠自動地控制飛機安全落地。在多霧地區(qū)或能見度不高的情況下，CATⅢa自動著陸能保證航班的準點率，提高航空公司的運行效率，節(jié)約成本。”

此時，要保證飛機能夠安全著陸，對自動飛行控制系統(tǒng)來說是個不小的挑戰(zhàn)。這就需要自動飛行控制系統(tǒng)的控制律能夠根據(jù)導(dǎo)航系統(tǒng)提供的信號對飛機下降率、航向等進行調(diào)整，確保飛機速度方向始終與跑道中心線保持一致。“CATⅢa自動著陸功能的設(shè)計研發(fā)在國內(nèi)尚屬首次，我們在對標國際先進的基礎(chǔ)上，努力探索適合C919飛機的設(shè)計，讓我們的國產(chǎn)大飛機在今后進入市場時能夠更具競爭優(yōu)勢。”