國內光傳操縱系統在飛控系統中應用研究

楊濤 何志國

摘? 要：隨著電傳操縱技術的日趨與廣泛應用，在科學技術快速發展的背景下，對操縱系統進行創新研究至關重要。與電傳控制系統相比，光傳控制系統具有抗電磁干擾特性，并且傳輸容量相對較大，體積小，重量也相對較輕，是未來飛行控制技術發展的重要趨勢。在實際研究中需要從操縱系統的發展情況出發，在掌握光傳操縱系統的應用優勢的同時，對光傳操縱系統的實現技術進行充分把握，并根據國內當前光傳操縱系統的具體研究現狀，分析相關設計技術，確保光傳操縱系統能夠滿足現實需求，逐步發展成熟。

關鍵詞：光傳操縱系統? 抗電磁干擾? 技術分析? 應用實踐

中圖分類號：V224 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2021）07（b）-0001-03

Application of Fly-by-Light Control System

in Aircraft Control System

YANG Tao? HE Zhiguo

（Design and Research Institute of Shaanxi Aircraft Industry Co.， Ltd.，? Hanzhong， Shaanxi Province，

723000 China）

Abstract： With the increasing and wide application of fly by wire control technology， it is very important to innovate the control system under the background of the rapid development of science and technology. Compared with the fly by wire control system， the optical transmission control system has the characteristics of anti -electromagnetic interference， relatively large transmission capacity， small volume and relatively light weight. It is an important trend in the development of flight control technology in the future. In the actual research， we need to start from the development of the control system， grasp the application advantages of the optical control system， fully grasp the implementation technology of the optical control system， and analyze its design technology according to the specific research status of the domestic optical control system， so as to ensure that the optical control system can meet the practical needs and gradually develop and mature.

Key Words： Fly-by-light control system; Anti-electromagnetic interference; Technical analysis; Application practice

目前，大多數飛機使用的是電傳操縱技術。在電傳操縱系統中，飛機的控制信號是通過電纜發送的，因為有限的帶寬會影響高數據速率的傳輸，電纜的傳輸速率在數字系統中具有明顯的局限性;以及在復雜電磁環境和強電磁脈沖環境中，抗干擾能力弱。光纖被認為是解決這些限制的替代方案。光傳操縱系統用光纖，消除了操縱信號受到電磁干擾的可能性，并大為減輕操縱系統的重量[1]。

為了提高操縱系統的應用效果，保證飛機能夠安全穩定飛行，需要使飛機舵面作動器能夠有順利接收操縱運動指令。在飛行開始與飛行過程中，可以將命令下放傳輸，經過機器運算與推進，從而獲取正確的指令。在飛機飛行時，機動升降舵、方向舵都是比較重要的環節。在運行過程中，會對飛機的速度和方向產生直接影響[2]。光傳操縱系統是未來飛行控制技術的重要發展方向[3]，對于未來的飛機，光傳操縱系統可謂是能夠決定其“生死”的技術。目前，日本已在第6代戰機的研究中采取光傳操縱技術，如P-1巡邏機上成功使用了光傳操縱系統。國內光傳操縱系統尚無成功的工程應用，而操縱系統本身的復雜程度比較高，在整個系統研究過程中，需要對先進技術進行充分應用。

1? 光傳操縱系統概述

1.1 光傳操縱系統優點

光傳操縱系統是指對飛機的副翼、升降舵和方向舵等舵面進行控制時，以光纖作為信號傳輸媒介的系統。該系統將光作為信號進行傳輸的操縱系統，利用光纖作為傳輸介質，在實際應用過程中具有明顯的優勢。第一，能夠防御電磁干擾與因雷電或者閃電產生的電磁沖擊。該系統特別是對核爆炸等產生的電磁脈沖具有較強的抗干擾性，這代表在光纖信號傳輸過程中，即使是在強電磁干擾環境以及電磁沖擊的條件下，光纖仍然可以準確無誤地完成數據傳輸，這是光纖信號在操縱系統中進行應用的最主要原因。第二，光纖頻帶寬容量相對較大，能夠大大提升信號傳輸速率，并且在實際應用中可以利用時分復用或者波分復用技術開展多路傳輸，能夠降低傳輸通道所占用的空間，從而減小操縱系統的體積。第三，光纖一般是由Sio2晶體組成的，纖芯比較細，能夠減輕整個控制系統的重量。例如，1km長的8芯光纖重量為60kg，而1km長的8芯銅纜重量達到4.8t。第四，光纖作為介質材料不會向外發出輻射能量，因此不存在金屬導線自有的地環流與因為地環流產生的瞬間擾動等情況[4]。

1.2? 光傳操縱系統的研究現狀

現階段，我國部分高校與研究機構對光傳飛行控制技術的研究相對較晚，尤其是與國外光傳操縱系統的研究現狀相比。我國在對光傳操縱系統進行研究的過程中還存在明顯的差距，主要表現在以下幾個方面。第一，國外對光傳飛行控制技術的研究已經有計劃、系統性地開展了較長時間，但是我國并沒有國家或者部級重大專項支持該技術研究，相關的研究機構和高校仍然是以各自研究為主，并沒有統一的部署和規劃。第二，其他國家對于光傳操縱系統進行研究的過程中，已經專門開發了光學傳感器、光纖傳輸系統與光學作動器等關鍵設備，原創性相對突出，并且對光傳操縱系統在民用領域的應用也開始進行研究。我國該方面的相關研究仍然處于技術跟蹤的階段，并沒有突出的原創性研究成果。第三，一些歐美國家從20世紀70年代就開始進行光傳飛行控制技術研究工作，起步相對較早，并且已經開展了多項研究計劃，進行了應用驗證。我國的相關研究從20世紀90年代才開始進行，起步相對較晚，并且現階段在光傳飛行控制技術研究過程中，仍然處于理論探索與地面半物理仿真實驗的階段[5]。

2? 光傳操縱系統實現技術

2.1? 光計算機

光計算機是將光子作為主要信息載體的，在實際運行過程中光學系統是其主體，可以開展光運算。其具體的工作原理與數字計算機有一定的相似度，但是光計算機在運行中將光子代替電子進行應用，直接利用光纖代替導線進行連接。光計算機的主要特點是超高速運行、強抗干擾性能、寬頻帶及超并行性等，應用價值較高，在航空航天、軍事等領域具有突出的應用價值。

2.2? 光傳感器

光傳感器主要包括光驅動傳輸的位移傳感器、壓力傳感器、溫度傳感器及速度傳感器等，這些光傳感器是確保光傳操作系統能夠順利運行的重要基礎。現階段，光傳感器在研發過程中，還有激光陀螺傳感器、光纖陀螺傳感器及線性位移傳感器等，為光傳操縱系統的研發和創新奠定了基礎。

2.3? 光作動器

在未來的光傳操縱系統應用過程中，需要利用激光舵機，也就是需要使用光信號對輸出大功率的機械裝置進行控制。現階段，小功率光化學反應舵機已經被成功研發，在具體運行中需要利用光的明滅反應分解化學物質或者合成化學物質，從而產生壓力差，實現對機械機構進行驅動的目的。雖然光作動器的研發還處于試驗應用階段，但這是促進光動舵機完善發展的重要基礎，也是實現光傳操縱系統高效應用的關鍵技術之一。

2.4? 光電與電光轉換裝置

光電轉換裝置主要是將光信號轉變為電信號。現階段在光纖通信系統中使用的光電檢測器是以6PIN二極管和雪崩光二極管為主。其中PIN管的使用過程比較簡單，偏壓相對較低，一般為10～20V，并且也不需要利用偏壓對電路進行控制。但是因為PIN管內部不存在電流放大作用，在PIN管應用過程中，光接收機的靈敏度相對較低。雪崩光電二極管內部具有10～200倍的內部電流倍增作用，可以有效改善信噪比。因此，現階段PIN光電二極管的應用更加廣泛。

電光轉換裝置主要是將電信號轉變為光信號。現階段，在光傳操縱系統中使用的電光轉換器主要包括半導體激光器與半導體發光二極管兩種。因為半導體激光器為閾值器件，如果環境溫度變化比較大或者使用的時間比較長，激光器的閾值與電流都會增加，為了穩定輸出光功率，在對半導體激光器進行選擇時，需要利用自動功率控制電路與自動溫度控制電路。發光二極管為非閾值器件，將半導體發光二極管作為光源時，可以節省自動功率控制電路與自動溫度控制電路。航空系統的整個工作環境相對惡劣，溫度變化幅度比較大，在這種情況下將半導體發光二極管作為電光轉換裝置的光源，其使用過程更加簡單，可靠性也相對較高，能夠適應航空系統的運行環境[6]。

3? 光傳操縱系統的發展與突破

3.1? 降低損耗，保證信息傳輸的準確度

在光傳操縱系統研發之初，是利用光纖代替電線開展系統運行與控制工作的。這種技術雖然具有一定的進步性，但是其實現難度相對較大。在電纜運用過程中存在較大弊端，特別是電纜實際應用中的物力及人力投資都相對較大，因為效果不佳，很容易出現信號中斷問題，這是促進光傳操縱系統創新研發的重要原因。在光傳操縱系統應用過程中，光傳感器至關重要，只有對光傳感器進行快速處理，才能夠保證光傳操縱系統的穩定性，從而降低光傳操縱系統在運行過程中的損耗，保證信息的傳輸能夠準確、及時[7]。

3.2? 加強故障隔離技術研發

為了保證光傳操縱系統的安全性，降低其在運行過程中的危險，要保證光傳操縱系統處于低溫工作狀態，防止火災。一方面，材料技術可以提高系統設備的耐高溫性能，保證能夠有效預防高溫爆炸等各種問題，提升整個系統的故障隔離效果;另一方面，其他故障隔離技術的發展與應用使光傳操縱系統可以及時隔離故障。因此，可以保證整個控制系統穩定正常運行，不會對整個系統的運行產生負面影響，即使是系統上出現故障或者錯誤情況，也能夠在最大程度上保障系統的運行穩定性[8]。

3.3? 加快光傳操縱系統工程應用

在電傳操縱系統應用的初期，機械操縱作為備份系統，如美國第一型采用電傳操縱系統的C17軍用運輸機就在電傳操縱系統的基礎上，對主要舵面的控制進行了機械操縱備份;隨著技術的成熟，機械備份模式逐漸被電備份取代，如波音公司在后續研制的飛機B787、空客公司研制的飛機A380，以及歐盟研制的A400M飛機都取消了機械備份，采用了“純”電傳操縱系統飛機。國內電傳操縱系統已在多型飛機上成功應用，為加快光傳操縱系統的應用，可借鑒電傳操縱系統發展經驗[9]。

4? 結語

總而言之，在各種先進技術不斷研發和應用的過程中，加強光傳操縱技術的研發至關重要。同時要將計算機技術、信息化技術及傳感器技術等與光傳操縱系統進行有效結合。這樣才能夠提升光傳操縱系統的發展水平。除此之外，為了加快光傳操縱系統在國內飛機的快速應用，首先需要建立機械、光學、電學、液壓的聯合模型對光傳操縱系統進行機光電液聯合仿真分析，進行設計優化，提高光傳操縱系統的可靠性及穩定性;其次借鑒電傳操縱系統發展經驗，逐步發展光傳操縱系統。

參考文獻

[1] 張中含.直升機電傳飛行控制系統操縱裝置發展分析[J].科技風，2019，378（10）：163-163.

[2] 石鵬飛，譚智勇，陳潔.先進民機飛控系統發展的需求與設計考慮[J].中國科學：技術科學，2018，48（3）：237-247

[3] 李良玉，張琦，張兆璨.電傳飛控系統曲線測量方法探究[J].科技風，2020（13）：117，119.

[4] 李宏亮，張革命，吝繼鋒，等.模式轉換在飛機操縱系統試驗中的應用[J].工程與試驗，2019，59（1）：42-44.

[5] 徐堅，車意彬.光傳飛行控制系統實現技術研究[J].科技創新導報，2018，15（33）：10，12.

[6] S·比特，R·哈特利，F·烏貢，等.用于在電傳操縱飛行器系統中進行操縱器控制的系統：CN105366036B[P].2019.

[7] 張如佩.飛控系統的故障樣本選取與故障注入方法研究[D].南京：南京航空航天大學，2017.

[8] 邱軼峰.基于需求模型的復雜飛控系統軟件安全性分析方法研究[D].成都：電子科技大學，2020.

[9] 周青，張銳.波音777電傳飛控系統的容錯設計淺析[J].信息通信，2019（10）：51-52.