航空電子儀表的發(fā)展與應(yīng)用

摘 要：通過介紹航空電子儀表的發(fā)展現(xiàn)狀，指出了現(xiàn)代航空電子儀表的主要發(fā)展趨勢，并對航空儀表的各個(gè)發(fā)展階段的應(yīng)用進(jìn)行了詳細(xì)的說明，最后對優(yōu)化我國航空電子儀表和測試的發(fā)展和應(yīng)用提出了可行性建議。這對加強(qiáng)航空電子儀表的國內(nèi)外的技術(shù)交流與合作等相關(guān)研究與應(yīng)用有一定的參考作用。

關(guān)鍵詞：航空；電子儀表；發(fā)展；應(yīng)用

中圖分類號：TH89 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：2095-6835（2014）02-0028-02

伴隨著儀表等技術(shù)的快速發(fā)展，航空電子儀表的發(fā)展與應(yīng)用不斷出現(xiàn)新的變化。本文從航空電子儀表的發(fā)展與應(yīng)用的層面出發(fā)對航空電子儀表進(jìn)行研究。

1 航空電子儀表的現(xiàn)狀

航空電子儀表從現(xiàn)有的應(yīng)用情況來看，由于其自身受計(jì)算機(jī)技術(shù)、通信技術(shù)和ASIC芯片技術(shù)的影響較大，因而導(dǎo)致在傳感器與執(zhí)行器等設(shè)備上添加智能接口已經(jīng)成為航空電子儀表的應(yīng)用現(xiàn)實(shí)。也就是說，目前已經(jīng)進(jìn)入了智能化儀表的應(yīng)用階段。在這一時(shí)期，帶有微處理器芯片的儀表開始不斷擴(kuò)大其應(yīng)用范圍。此類航空電子儀表在應(yīng)用過程中，實(shí)現(xiàn)了傳輸信號的數(shù)字化，進(jìn)而為現(xiàn)場總線的出現(xiàn)提供了基礎(chǔ)。以飛機(jī)為例，20世紀(jì)70年代航空儀表多數(shù)還是隸屬于機(jī)械系統(tǒng)，但是從20世紀(jì)70年代末期開始，航空電子開始成為飛機(jī)設(shè)計(jì)中相對獨(dú)立的一個(gè)部門。在航空電子儀表市場需求與技術(shù)發(fā)展兩者的推動下，現(xiàn)場總線在20世紀(jì)80年代開始出現(xiàn)，它又被稱作開放式、數(shù)字化、多點(diǎn)通信的底層控制網(wǎng)絡(luò)。其應(yīng)用的本質(zhì)就是將微處理器置入到傳統(tǒng)儀表，讓自控系統(tǒng)和設(shè)備之間存在通信能力。通過現(xiàn)場總線的應(yīng)用，能夠有效地連接成網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，進(jìn)而加入到信息網(wǎng)絡(luò)中。以飛機(jī)為例，為飛行員或者飛行控制系統(tǒng)提供以規(guī)定航線飛向預(yù)定目標(biāo)而需要的導(dǎo)航信息，進(jìn)而修正因?yàn)殚L時(shí)間飛行所導(dǎo)致的航線誤差。

2 現(xiàn)代航空電子儀表的發(fā)展趨勢

2.1 開放式控制的發(fā)展方向

伴隨著與航空電子儀表相關(guān)技術(shù)的發(fā)展，尤其是自動化技術(shù)的快速發(fā)展，航空電子儀表自動控制系統(tǒng)的可信軟件已經(jīng)開始在航空中得到廣泛應(yīng)用。通過開放式控制的應(yīng)用，在航空中實(shí)現(xiàn)了完整的網(wǎng)絡(luò)連接，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)了過程控制、智能化控制等。

2.2 智能化的發(fā)展方向

科技的發(fā)展促使人們對航空電子儀表提出了更高的要求。實(shí)現(xiàn)航空電子儀表的智能化控制也是現(xiàn)代航空電子儀表的發(fā)展趨勢之一，其目的是能夠在航空中實(shí)現(xiàn)智能的操作和控制。從航空電子儀表在智能化發(fā)展方向的應(yīng)用核心來看，主要是現(xiàn)場總線技術(shù)——航空電子儀表的進(jìn)一步研發(fā)，總線技術(shù)在其中有著重要的地位，因?yàn)樗鼘τ诤娇针娮觾x表控制系統(tǒng)的優(yōu)化有著重要的作用。簡而言之，在航空電子儀表的發(fā)展趨勢中，智能化的主要作用是將各類技術(shù)較好地融合，進(jìn)而促進(jìn)航空電子儀表的快速發(fā)展。

2.3 網(wǎng)絡(luò)化的發(fā)展方向

伴隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的應(yīng)用發(fā)展，在航空電子儀表中實(shí)現(xiàn)了計(jì)算機(jī)的數(shù)字化和網(wǎng)絡(luò)化控制，這就使得自動控制系統(tǒng)和設(shè)備兩者之間能夠有效連接，極大地得到了信息數(shù)據(jù)采集問題的解決效果，這就促使航空電子儀表的應(yīng)用能夠?qū)崿F(xiàn)與自動化之間的完美結(jié)合。

2.4 DCS 系統(tǒng)應(yīng)用的發(fā)展方向

在航空電子儀表的發(fā)展中，逐漸開始實(shí)現(xiàn)全數(shù)字式、開放式的 DCS 系統(tǒng)應(yīng)用，這是因?yàn)橛?jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展推動了DCS體系結(jié)構(gòu)的不斷優(yōu)化，進(jìn)而使得數(shù)字通信技術(shù)能夠延伸應(yīng)用到現(xiàn)場。傳統(tǒng)的4～20 mA直流模擬信號制會被雙向數(shù)字通信的現(xiàn)場總線替代，進(jìn)而通過智能變送器與智能執(zhí)行器的應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)量程的擴(kuò)展和精度的優(yōu)化，同時(shí)有效地提高可用性與可靠性。

3 航空電子儀表的應(yīng)用

3.1 簡單機(jī)械式儀表的應(yīng)用

在沒用應(yīng)用儀表以前，飛機(jī)只在白天能夠目視的情況下才飛行。引入了簡單的機(jī)械膜盒式儀表后，機(jī)械膜盒式儀表通過對外界氣壓的感知，把壓力值轉(zhuǎn)化成高度數(shù)值和速度數(shù)值，并通過機(jī)械連桿帶動儀表指針讓數(shù)值能夠在刻度盤上顯示出來，進(jìn)而為飛機(jī)的飛行高度與速度方面提供必要的保障。但是該類儀表在引用過程中有著較大的誤差，優(yōu)點(diǎn)是很少出現(xiàn)故障。目前，還有第三代戰(zhàn)機(jī)應(yīng)用該類儀表。

3.2 機(jī)電式儀表的應(yīng)用

20世紀(jì)二三十年代以后，其他機(jī)載儀表設(shè)備得到了廣泛應(yīng)用，尤其是把經(jīng)典力學(xué)作為基礎(chǔ)的航空陀螺儀表得到了應(yīng)用。通過該類儀表的應(yīng)用，飛行員可以將地平儀等機(jī)電式儀表作為基礎(chǔ)進(jìn)行飛行。機(jī)電儀表在應(yīng)用過程中通過利用顯示元件的相對位移來實(shí)現(xiàn)對信息的顯示，如在應(yīng)用中利用指針和刻度盤等。這個(gè)階段的航空儀表比較簡單，通常自身是獨(dú)立的系統(tǒng)，有著獨(dú)立的傳感器和傳送機(jī)構(gòu)，在儀表板上也有獨(dú)立顯示控制方面的空間，實(shí)現(xiàn)的是對某類單一航空參數(shù)的顯示控制。在數(shù)字技術(shù)與電子技術(shù)發(fā)展下，機(jī)電儀表開始在應(yīng)用中向測量、處理和顯示三位一體的儀表方向發(fā)展，如大氣數(shù)據(jù)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的應(yīng)用實(shí)現(xiàn)了對測量信號的集中處理，通過數(shù)字傳送方式的應(yīng)用，將計(jì)算結(jié)果分別發(fā)送給多個(gè)系統(tǒng)和儀表進(jìn)行應(yīng)用與顯示。這種應(yīng)用的結(jié)果讓航空儀表所指示的數(shù)值準(zhǔn)確度得到了極大的提高，也有效地降低飛機(jī)的重量和體積。同時(shí)，機(jī)電儀表在加工工藝方面也得到了極大的改進(jìn)——儀表通過小型化與組合化處理，在性能上得到了極好的優(yōu)化，但此時(shí)期的航空儀表存在著容易導(dǎo)致飛行員注意力分散的問題。

3.3 電子儀表的應(yīng)用

20世紀(jì)60年代和70年代，飛機(jī)的性能得到了極大的提高。與此同時(shí)，飛機(jī)在高空、高速等作戰(zhàn)環(huán)境下進(jìn)行工作的需求極高，這就使得傳統(tǒng)的機(jī)電式儀表所具有的弊端極大地限制了飛機(jī)性能的進(jìn)一步改善。主要表現(xiàn)在原有的航空儀表增加了飛行員的工作難度，無法滿足飛機(jī)性能需求增加的需要。在這種背景下，促使了平視顯示器與多功能下視顯示器等作為使用代表的電子飛行儀表的出現(xiàn)。這一時(shí)期的航空電子儀表通過電子發(fā)光的方式來實(shí)現(xiàn)對信息的顯示，在應(yīng)用中通過對不同控制指令的執(zhí)行來實(shí)現(xiàn)對參數(shù)與數(shù)值格式的轉(zhuǎn)變。該時(shí)期的航空儀表具有集中處理與整體顯示等方面的優(yōu)點(diǎn)。通過對電子儀表周邊所設(shè)置的案件的控制來實(shí)現(xiàn)對儀表指示操作過程的優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)了即使在同一個(gè)顯示區(qū)間也能對不同時(shí)間的信息進(jìn)行顯示。該時(shí)期的航空儀表已經(jīng)發(fā)展為屏顯的方式，也就是說，航空儀表的顯示已經(jīng)發(fā)展為時(shí)分制的方式。這一時(shí)期的航空電子儀表在使用中的優(yōu)點(diǎn)主要是實(shí)現(xiàn)了一表多用，同時(shí)還能通過計(jì)算機(jī)的應(yīng)用實(shí)現(xiàn)按需顯示。除此以外，該時(shí)期航空電子儀表的形式種類也比較多。

3.4 航空電子儀表現(xiàn)階段的應(yīng)用

航空電子儀表的應(yīng)用在現(xiàn)階段主要是通過計(jì)算機(jī)技術(shù)對工作界面進(jìn)行優(yōu)化。伴隨著多功能顯示技術(shù)和總線技術(shù)的發(fā)展，在航空電子儀表的發(fā)展中最終裝有電子儀表座艙的顯示完成了綜合顯示控制系統(tǒng)的應(yīng)用。也就是說，在現(xiàn)有的航空電子儀表的應(yīng)用中，傳統(tǒng)的航空儀表已經(jīng)不存在了，一切都是通過顯示器來實(shí)施。以第三代飛機(jī)為例，普遍應(yīng)用的是綜合顯示控制系統(tǒng)。換句話說，航空電子儀表的發(fā)展過程與現(xiàn)有的應(yīng)用方式?jīng)Q定了在我國的航空電子儀表的發(fā)展中應(yīng)不斷促進(jìn)各類技術(shù)發(fā)展，促進(jìn)各類技術(shù)的優(yōu)化。這些都與人才和技術(shù)的融合有著密不可分的關(guān)系。

4 優(yōu)化航空電子儀表的發(fā)展與應(yīng)用的建議

通過對我國航空電子儀表的發(fā)展與應(yīng)用的分析可以看出，人才和技術(shù)對促進(jìn)航空電子儀表應(yīng)用水平的進(jìn)步有著重要的作用，因此提出以下優(yōu)化建議。

4.1 技術(shù)水平的優(yōu)化

在航空電子儀表的技術(shù)水平優(yōu)化中，主要是以我國現(xiàn)有的航空院校和研究院所為基礎(chǔ)，結(jié)合與航空電子儀表生產(chǎn)制造聯(lián)系緊密的生產(chǎn)制造單位，通過建設(shè)高水平科研隊(duì)伍的方式來優(yōu)化技術(shù)水平。在技術(shù)水平的優(yōu)化方面，主要從自動測試、復(fù)雜工程系統(tǒng)、儀表與測試裝置等方面進(jìn)行。從自動測試的層面來看，主要優(yōu)化的是自動測試技術(shù)和自動測試系統(tǒng)兩個(gè)方面，其技術(shù)優(yōu)化的對象主要是航空工業(yè)和與此相關(guān)的軍事應(yīng)用方面。通過在自動測試平臺技術(shù)方面的相關(guān)技術(shù)研究，實(shí)現(xiàn)各類測試系統(tǒng)的高水平研發(fā)，進(jìn)而促進(jìn)航空電子儀表應(yīng)用的發(fā)展。在儀表和測試裝置技術(shù)優(yōu)化方面，主要關(guān)注的是儀表和測試裝置設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)新技術(shù)及其在工程方面技術(shù)應(yīng)用的優(yōu)化，主要針對的技術(shù)優(yōu)化對象是航空復(fù)雜產(chǎn)品和民用設(shè)施等。通過此類技術(shù)的優(yōu)化和平臺的設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)對產(chǎn)品的元件級、組件級、系統(tǒng)級以及全生命周期等進(jìn)行有效的維護(hù)。

4.2 人才建設(shè)的優(yōu)化

航空電子儀表的發(fā)展和應(yīng)用離不開人才建設(shè)的支持。我國應(yīng)以現(xiàn)有的國內(nèi)航空院校和研究院所為基礎(chǔ)，不斷加強(qiáng)航空電子儀表方面人才的培養(yǎng)。通過各種培養(yǎng)措施和管理方式的優(yōu)化，不斷提高人才建設(shè)方面的水平。例如，通過提高儀表和測試技術(shù)學(xué)科的教學(xué)條件與實(shí)踐環(huán)節(jié)結(jié)合的方式來促進(jìn)人才建設(shè)水平的提高，為提高航空電子儀表的應(yīng)用水平提供良好的培養(yǎng)與實(shí)踐環(huán)境。在人才建設(shè)優(yōu)化方面，應(yīng)主要側(cè)重技術(shù)人員在理論聯(lián)系實(shí)際方面的能力，將工程技術(shù)實(shí)踐作為培養(yǎng)環(huán)節(jié)，提高技術(shù)人才在分析問題和解決問題方面的能力。通過以實(shí)際工程課題研究與應(yīng)用為培養(yǎng)環(huán)節(jié)，促使技術(shù)人才在技術(shù)能力、協(xié)調(diào)能力、組織能力和管理能力等方面綜合水平的提升。

4.3 優(yōu)化科研技術(shù)工作環(huán)境

我國應(yīng)從航空電子儀表的發(fā)展趨勢和應(yīng)用水平出發(fā)，分層次、分階段地促進(jìn)我國在此方面科研技術(shù)工作環(huán)境的優(yōu)化，加強(qiáng)在航空電子儀表實(shí)驗(yàn)室資源方面的建設(shè)，通過重大科研項(xiàng)目的立項(xiàng)與推進(jìn)，促進(jìn)相應(yīng)科技成果的出現(xiàn)。在優(yōu)化科研技術(shù)工作環(huán)境中，應(yīng)堅(jiān)持以人為本的理念，提高技術(shù)人員參與科研工作的主動性和積極性。

除此以外，還應(yīng)加強(qiáng)在航空電子儀表方面的學(xué)術(shù)交流，通過舉辦學(xué)術(shù)交流與技術(shù)交流會議等多種方式促進(jìn)航空電子儀表應(yīng)用技術(shù)的整體發(fā)展。應(yīng)密切關(guān)注國外在航空電子儀表方面的最新動態(tài)和研究成果，通過聯(lián)合申請項(xiàng)目等方式，增強(qiáng)國內(nèi)外技術(shù)交流與合作。

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作者簡介：李凱（1981—），男，工作于上海飛機(jī)設(shè)計(jì)研究院綜合航電部，工程師，主要研究民用航空電子。

〔編輯：白潔〕

The Development and Application of Aviation Electronic Instrument

Li Kai

Abstract： Through the introduction of the current situation of the development of aviation electronic instrument， points out the main trends of development of modern aviation electronic instrument， and each stage of development of the aviation instrument application in detail， finally， the optimization of Chinas aviation electronic instrument and testing the development and application of feasible Suggestions are put forward. To strengthen aviation electronic device technology exchanges and cooperation at home and abroad related research and application has certain reference function.

Key words： air； electronic instrument； development； application