大型民用飛機(jī)飛行控制系統(tǒng)架構(gòu)發(fā)展趨勢

張新慧

摘 要：為了支持國內(nèi)民用飛機(jī)的研制發(fā)展，本文對大型民用飛機(jī)飛行控制系統(tǒng)的架構(gòu)進(jìn)行了研究。回顧了國內(nèi)外典型民用飛機(jī)的發(fā)展歷史，分析了典型大型民用飛機(jī)飛行控制系統(tǒng)架構(gòu)的研制特點(diǎn)。通過相關(guān)適航條款的探究和研制經(jīng)驗(yàn)總結(jié)，給出了一種適用于未來民用飛機(jī)的飛行控制系統(tǒng)架構(gòu)方案。為了滿足民用飛機(jī)市場競爭的需求，總結(jié)出大型飛機(jī)飛行控制系統(tǒng)的發(fā)展趨勢，為國內(nèi)大型飛機(jī)研發(fā)提供借鑒。

關(guān)鍵詞：民用飛機(jī); 大型飛機(jī); 飛行控制系統(tǒng); 系統(tǒng)架構(gòu); 電傳

中圖分類號：V249

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1673-5048（2020）06-0013-06

0 引? 言

民用飛機(jī)的最大特點(diǎn)就是要面對市場競爭，只有滿足安全可靠性、運(yùn)營經(jīng)濟(jì)性和乘坐舒適性等方面需求，才能有更大的發(fā)展空間，然而對這些性能具有關(guān)鍵影響的系統(tǒng)之一就是飛行控制系統(tǒng)（簡稱飛控系統(tǒng)），因此，飛控系統(tǒng)架構(gòu)將會對民用飛機(jī)的發(fā)展前景產(chǎn)生重要影響作用。

國內(nèi)外民用飛機(jī)的飛控系統(tǒng)經(jīng)歷了多個(gè)發(fā)展階段：機(jī)械操縱的經(jīng)典飛控系統(tǒng)、增穩(wěn)與控制增穩(wěn)系統(tǒng)、電傳飛控系統(tǒng)階段[1]，總體上是按照操縱系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)方式進(jìn)行發(fā)展的，這其中也伴隨有新增加的系統(tǒng)功能。其發(fā)展方向涉及飛控系統(tǒng)驅(qū)動飛機(jī)操縱面作動器的電動化[2]、自動化系統(tǒng)的使用及自動識別飛機(jī)的工作狀態(tài)和飛行階段的自動化[3-4]、撓性飛機(jī)的多目標(biāo)飛行控制發(fā)展的靈活化[5]，以及通過控制飛機(jī)縫翼角度進(jìn)行降噪的環(huán)保化[6]等方面。通過研究分析主要民用飛機(jī)的飛控系統(tǒng)特點(diǎn)，站在全新整體飛機(jī)的角度提出一種系統(tǒng)架構(gòu)，同時(shí)，指明后續(xù)飛機(jī)飛控系統(tǒng)的發(fā)展方向，以支持研制立足于市場的民用飛機(jī)。

1 系統(tǒng)架構(gòu)發(fā)展

1.1 發(fā)展概況

當(dāng)前在國際市場上比較有名的大型民用飛機(jī)主要是波音系列飛機(jī)和空客系列飛機(jī)，國內(nèi)也在大力研發(fā)民用飛機(jī)，它們的飛控系統(tǒng)架構(gòu)呈現(xiàn)了各自的研制特點(diǎn)。

1.2 波音飛機(jī)的飛控系統(tǒng)

波音飛機(jī)作為市場上民用飛機(jī)最長久的代表，其系列飛機(jī)經(jīng)歷了較多型號的發(fā)展，例如B707，B727，B737，B747，B757，B767，B777和B787等，其中最具典型特征的飛機(jī)是B737和B787。

B737飛機(jī)是民航歷史上最成功的窄體民航客機(jī)之一[7]，其飛行控制系統(tǒng)采用機(jī)械助力操縱系統(tǒng)，采用兩套常規(guī)的駕駛盤/腳蹬為主的操縱輸入，通過鋼索滑輪傳遞操縱指令，通過液壓作動器驅(qū)動主要舵面（包括副翼、方向舵、升降舵、前緣縫翼和擾流板），其中，后緣襟翼和水平安定面作動器采用115 V交流電源通過電纜傳輸指令進(jìn)行驅(qū)動。在副翼和升降舵舵面設(shè)置有調(diào)整片和自動駕駛儀伺服作動器，在副翼和方向舵通道設(shè)置有配平作動器。B737飛機(jī)的操縱系統(tǒng)是一套經(jīng)典的帶助力的操縱系統(tǒng)。

B787飛機(jī)是當(dāng)前波音系列飛機(jī)中最新代表，它的飛控系統(tǒng)采用了電傳操縱系統(tǒng)，其飛控系統(tǒng)架構(gòu)[8]如圖1所示，實(shí)現(xiàn)了主飛控系統(tǒng)、高升力系統(tǒng)以及自動

飛控系統(tǒng)的功能綜合。其采用了雙套駕駛盤/腳蹬為主發(fā)送控制指令，以四臺飛行控制計(jì)算機(jī)為核心的系統(tǒng)架構(gòu)，通過遠(yuǎn)程電子單元（REU，Remote Electronic Unit）控制液壓作動器完成主要舵面（副翼、方向舵、升降舵以及大部分?jǐn)_流板）的控制，其中少部分?jǐn)_流板作動器和水平安定面采用電作動器進(jìn)行驅(qū)動，后緣襟翼和前緣縫翼采用以液壓馬達(dá)驅(qū)動為主、以電動馬達(dá)驅(qū)動為輔的控制方式。

波音飛機(jī)具有一定的繼承性，其飛行控制系統(tǒng)架構(gòu)由機(jī)械操縱系統(tǒng)發(fā)展到電傳飛控系統(tǒng)，同時(shí)，具有以下特點(diǎn)：（1）采用駕駛盤/腳蹬為主發(fā)送控制指令; （2）計(jì)算機(jī)集成化，合并了系統(tǒng)功能，減少了計(jì)算機(jī)數(shù)量; （3）向多電方向發(fā)展，部分舵面逐步采用了交流電源驅(qū)動; （4）采用了一定的新技術(shù)，比如遠(yuǎn)程電子單元和可獨(dú)立運(yùn)動的內(nèi)外襟翼，減輕了傳輸電纜的重量，減少飛機(jī)飛行中的阻力。

1.3 空客民機(jī)的飛控系統(tǒng)

空客飛機(jī)作為大型民用電傳飛機(jī)的代表，其系列飛機(jī)也經(jīng)過了多型號的發(fā)展，例如A320，A330，A340，A350和A380等，其中具有典型代表的飛機(jī)是A320和A380。

A320飛機(jī)采用被動側(cè)桿取代了傳統(tǒng)的中央桿盤控制機(jī)構(gòu)[9]，是第一架采用側(cè)桿控制的電傳控制系統(tǒng)的民用飛機(jī)，其飛控系統(tǒng)架構(gòu)如圖2所示。采用兩套側(cè)桿進(jìn)行駕駛員控制輸入，采用9個(gè)飛行控制計(jì)算機(jī)，其中7個(gè)計(jì)算機(jī)根據(jù)正常、備用或者直連模態(tài)處理飛行員和自動駕駛儀的輸入[10]，可完成副翼、方向舵、升降舵、水平安定面以及擾流板的控制; 2個(gè)計(jì)算機(jī)用來處理襟翼控制手柄的指令，可完成襟翼和縫翼的控制。需要說明的是，其方向舵和水平安定面設(shè)置有機(jī)械備用操縱方式。

A380飛機(jī)是當(dāng)前營運(yùn)載客量最大的一種大型民用飛機(jī)。其飛控系統(tǒng)架構(gòu)[11]（如圖3所示）采用兩套側(cè)桿進(jìn)行駕駛員的控制輸入，采用9個(gè)飛行控制計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，其中7個(gè)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)可以按照正常控制、輔助控制以及電子備用系統(tǒng)處理飛行員的輸入，完成副翼、方向舵、升降舵、水平安定面以及擾流板的作動器驅(qū)動控制; 2個(gè)計(jì)算機(jī)用來處理襟翼控制手柄的指令，可完成襟翼和縫翼的液壓驅(qū)動控制。需要說明的是，其副翼和升降舵設(shè)置有電靜液作動器（EHAs，Electro-Hydrostatic Actuators），少量擾流板和方向舵設(shè)置有電備份液壓作動器（EBHAs，Electrical Backup Hydraulic Actuators），水平安定面和縫翼設(shè)置有電動馬達(dá)驅(qū)動方式。

空客飛機(jī)也具有一定的延續(xù)性，其飛行控制系統(tǒng)架構(gòu)是在革新的電傳飛控基礎(chǔ)上向多電化方向發(fā)展，具有以下特點(diǎn)：（1）采用側(cè)桿/腳蹬為主發(fā)送控制指令; （2）計(jì)算機(jī)分布化，機(jī)械備用系統(tǒng)發(fā)展為電子備用系統(tǒng); （3）向多電方向發(fā)展，部分舵面逐步采用了交流電源驅(qū)動; （4）采用了其他的新技術(shù)，比如多種類型作動器和可獨(dú)立運(yùn)動的內(nèi)外襟翼，提高系統(tǒng)舵面驅(qū)動的多樣性和減少飛機(jī)飛行中的阻力。

1.4 國內(nèi)民機(jī)的飛控系統(tǒng)

飛控系統(tǒng)的發(fā)展分為機(jī)械操縱的經(jīng)典飛控系統(tǒng)、增穩(wěn)與控制增穩(wěn)系統(tǒng)以及電傳飛控系統(tǒng)階段，而國內(nèi)已經(jīng)運(yùn)營的民用飛機(jī)也經(jīng)歷了這樣一個(gè)發(fā)展過程，由初期的帶自動駕駛儀的機(jī)械操縱系統(tǒng)（MA600飛機(jī)）逐步發(fā)展到疊加自動飛行控制系統(tǒng)的電傳飛控系統(tǒng)（ARJ21-700飛機(jī)）。ARJ21-700飛機(jī)為中程支線民用客機(jī)，其自動飛行控制系統(tǒng)架構(gòu)如圖4所示。

在試飛中的民用飛機(jī)C919，飛控系統(tǒng)則采用“電傳飛行控制+部分電功率、無機(jī)械備份”[8]的電傳飛控系統(tǒng)。在電傳飛控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)過程中，也有研究提出基于共模故障的終極備份方案，其中雙伺服回路作動器設(shè)計(jì)終極備份[13]架構(gòu)如圖5所示。遠(yuǎn)程寬體客機(jī)采用多電飛機(jī)技術(shù)、先進(jìn)氣動設(shè)計(jì)等提高飛機(jī)綜合性能[14]。在可以預(yù)見的將來，采用光傳控制技術(shù)以及結(jié)合人工智能技術(shù)完成氣動設(shè)計(jì)理念新的革命[15]的氣動設(shè)計(jì)學(xué)科，將帶動飛控系統(tǒng)取得較大發(fā)展。

2 新的系統(tǒng)架構(gòu)

2.1 架構(gòu)分析綜述

縱觀大型民用飛機(jī)飛控系統(tǒng)架構(gòu)的發(fā)展歷史特點(diǎn)，每個(gè)時(shí)代的飛機(jī)都充分利用了當(dāng)時(shí)能夠達(dá)到的航空技術(shù)水平，才能夠占有民用航空市場的一席之地。波音飛機(jī)從機(jī)械操縱系統(tǒng)發(fā)展到了電傳飛控系統(tǒng)，空客飛機(jī)以創(chuàng)新的電傳飛控系統(tǒng)起家逐漸拓展新功能，而國內(nèi)才剛進(jìn)入電傳飛控系統(tǒng)階段，只有不斷創(chuàng)新并利用最新技術(shù)才能滿足市場的需求。深入分析CCAR25.671條款[16]和CCAR25.1309條款等相關(guān)要求，明確系統(tǒng)故障綜合和功能安全共因等問題，基于適航研究的指導(dǎo)意義，利用現(xiàn)代的新技術(shù)，構(gòu)建一個(gè)有潛力的飛控系統(tǒng)架構(gòu)方案，拓展發(fā)展領(lǐng)域技術(shù)，支持民用飛機(jī)發(fā)展。

2.2 系統(tǒng)架構(gòu)方案

本文提出的系統(tǒng)架構(gòu)能夠適用于多型民用飛機(jī)，例如一種較為先進(jìn)的飛機(jī)氣動外形——翼身融合體飛機(jī)[17]。其飛控系統(tǒng)架構(gòu)（如圖6所示）采用單套備用操縱裝置進(jìn)行駕駛員控制輸入，每軸向配置2個(gè)控制指令傳感器提供備用操縱裝置的指令。采用5個(gè)飛控計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，其中3個(gè)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)可以按照正常自動控制或者輔助自動控制處理飛行員的規(guī)劃指令，其他2個(gè)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)輔助執(zhí)行自動控制計(jì)算機(jī)指令，可完成副翼、方向舵、升降舵、襟翼、縫翼、水平安定面以及擾流板的控制; 這2個(gè)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)還可以用來處理備用操縱裝置的指令，在應(yīng)急條件下可以超越自動控制計(jì)算機(jī)執(zhí)行舵面控制指令，同樣可完成副翼、方向舵、升降舵、襟翼、縫翼、水平安定面以及擾流板的控制。對于飛控計(jì)算機(jī)系統(tǒng)控制和調(diào)參的關(guān)鍵信號也應(yīng)當(dāng)設(shè)置5個(gè)，采用不同的2種類型。在作動器端設(shè)置2種采用不同電子硬件的遠(yuǎn)程電子單元與自動控制計(jì)算機(jī)和備用人工控制器進(jìn)行通信。每塊副翼、方向舵和升降舵都配置2臺簡單作動器，每塊擾流板配置1臺作動器，水平安定面配置雙控制通道的單臺作動器，縫翼和襟翼都配置雙控制通道的單臺驅(qū)動作動器，其中多塊襟翼之間配置單臺差動驅(qū)動作動器。在舵面驅(qū)動能源配置中，俯仰通道升降舵配置液壓能源，水平安定面配置電源驅(qū)動，滾轉(zhuǎn)通道副翼配置液壓能源驅(qū)動，擾流板配置電源驅(qū)動，航向通道分上、下方向舵，配置液壓能源和電源驅(qū)動，縫翼和襟翼都采用電源驅(qū)動。

該系統(tǒng)架構(gòu)是基于智能控制理念提出的，飛機(jī)的正常飛行完全由自動控制計(jì)算機(jī)執(zhí)行，駕駛員的作用主要是確認(rèn)規(guī)劃和備用狀態(tài)下進(jìn)行操縱，因而只需要配置一名駕駛員，也可以在監(jiān)控顯示屏觸摸或音頻輸入指令操縱備用裝置，這將影響駕駛艙的操縱理念[18]; 在計(jì)算機(jī)技術(shù)發(fā)展的基礎(chǔ)上，自動控制計(jì)算機(jī)是可拓展的，完全可以集成所有系統(tǒng)的功能，實(shí)現(xiàn)整個(gè)飛行過程的綜合管理，即超級飛行管理系統(tǒng); 在總線通信技術(shù)進(jìn)步的條件下，采用遠(yuǎn)程電子單元完成驅(qū)動終端的指令處理，有效降低傳輸電纜的重量; 在電功率作動器的發(fā)展下，優(yōu)化分配作動器的能源配置，不但滿足安全余度的要求，而且靈活的配置也為后續(xù)功能的拓展提供了條件。為實(shí)現(xiàn)該架構(gòu)，需要倡導(dǎo)設(shè)計(jì)理念的改變，可以通過加強(qiáng)自動化、總線及無線通信、電功率作動器以及最優(yōu)氣動力設(shè)計(jì)等研究，最終得以在新型號上應(yīng)用。

對比國內(nèi)外大型民用飛機(jī)的系統(tǒng)架構(gòu)，該系統(tǒng)從指令發(fā)送方式、計(jì)算機(jī)的應(yīng)用、作動器多電能源配置以及新技術(shù)的使用等多方面進(jìn)行了拓展，不但滿足適航的要求，而且充分利用了當(dāng)代先進(jìn)技術(shù)。能夠在有效降低飛控系統(tǒng)重量、減少飛控系統(tǒng)成品數(shù)量、滿足適航安全性的基礎(chǔ)上，縮減駕駛員數(shù)量，大幅降低飛控系統(tǒng)的使用成本，增加國內(nèi)飛機(jī)在國際市場上的競爭力。

3 系統(tǒng)架構(gòu)發(fā)展趨勢

民用飛機(jī)在發(fā)展過程中需要不斷的創(chuàng)新，才能滿足市場競爭的需求，而對于飛機(jī)飛控系統(tǒng)架構(gòu)的發(fā)展方向則需要不斷探索，在滿足安全性基礎(chǔ)上，追求系統(tǒng)重量最小、功能更多、性能更優(yōu)，為此需要在多個(gè)方面進(jìn)一步探索發(fā)展。

（1） 飛機(jī)氣動外形設(shè)計(jì)優(yōu)化。涉及到飛控系統(tǒng)需要有多個(gè)方面的技術(shù)支持，例如靜不穩(wěn)定的飛機(jī)、多舵面耦合控制、隨重心調(diào)節(jié)控制、仿生氣動外形以及主動流表面設(shè)計(jì)等，這將使飛控系統(tǒng)架構(gòu)更加多樣化，其涉及舵面的驅(qū)動方式也更加靈活。

（2） 飛機(jī)結(jié)構(gòu)減重設(shè)計(jì)。涉及飛控系統(tǒng)的設(shè)備和新功能，例如最小化驅(qū)動設(shè)備的外形、仿生結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)舵面的驅(qū)動、載荷減緩功能等，這就需要飛控系統(tǒng)的作動器擁有更好的性能而體積重量最小化。

（3） 舒適性設(shè)計(jì)需求。飛控系統(tǒng)需要增加多項(xiàng)功能，例如直接升力控制（增加舵面控制升力功能或者發(fā)動機(jī)矢量控制）、突風(fēng)過載保護(hù)功能以及噪聲減緩功能[19]（增加縫翼和襟翼適量偏轉(zhuǎn)）等，新功能讓飛控系統(tǒng)變得更加多功能化。

（4） 系統(tǒng)架構(gòu)實(shí)現(xiàn)的方法改進(jìn)。主要涉及駕駛艙設(shè)計(jì)理念（智能化、駕駛員監(jiān)控角色）、計(jì)算機(jī)技術(shù)發(fā)展（小型化、模塊化、飛行管理化）、信號傳輸方式（輕量化、總線化-光傳飛行控制系統(tǒng)[20]）、舵面驅(qū)動方式（舵面功能余度分配、高壓液壓源、電功率作動器[21]、備用調(diào)整片）以及提升可靠性（自檢測技術(shù)[22]、余度容錯(cuò)方案[23]）等，更多的挑戰(zhàn)讓飛控系統(tǒng)趨于現(xiàn)代化。