大型民用飛機飛控系統(tǒng)設(shè)計理念研究

謝殿煌

摘 要：飛控系統(tǒng)設(shè)計理念是大型民用飛機飛控系統(tǒng)設(shè)計的頂層輸入，直接影響著飛控操縱器件、系統(tǒng)架構(gòu)、控制律架構(gòu)等設(shè)計。該文從方法論角度探索和研究了民用飛機飛控系統(tǒng)設(shè)計理念，重點分析了設(shè)計理念影響因素，建立了設(shè)計理念體系結(jié)構(gòu)，提出了設(shè)計理念評估方法，建立了民機事故與設(shè)計理念的關(guān)系數(shù)據(jù)庫，為民機制造商確立自己的民用飛機飛控系統(tǒng)設(shè)計理念提供了理論方法指導(dǎo)和技術(shù)基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞：飛控系統(tǒng) 設(shè)計理念 影響因素 體系結(jié)構(gòu) 評估方法 關(guān)系數(shù)據(jù)庫

中圖分類號：TP911 文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：1674-098X（2015）08（c）-0040-02

The Study of Large Civil Aircraft Flight Control System Design Philosophy

Xie Dianhuang1，2

（1. State Key Laboratory of Civil Aircraft Flight Simulation， Commercial Aircraft Corporation of China， Shanghai，201210， China；2.Shanghai Aircraft Design and Research Institute， Shanghai，201210， China）

Abstract：Design philosophy shall be an idea which will be built before project starts to launch. As the flight control systems top level input， it will directly affect the design of control handling device， system architecture， control law architecture and so on. Civil aircraft flight control systems design philosophy was studied from the view of methodology. Lifecycle， philosophy characteristics and strategic essence were erected， the influence factors were analyzed importantly， architecture and evaluation method were set up， and the relative database between aircraft accidents and design philosophy were developed， provided aircraft manufacturers to define the flight control systems design philosophy for the theoretical method direction and technical basis.

Key Words：Flight Control System；Design Philosophy；Influence Factor；Architecture；Evaluation Method；Relative Database

在民用飛機飛控系統(tǒng)研制過程中，飛控設(shè)計理念直接影響著飛行控制系統(tǒng)的功能和性能設(shè)計、操縱器件選取、系統(tǒng)架構(gòu)選取、飛控計算機設(shè)計、控制律架構(gòu)制定、系統(tǒng)接口設(shè)計、系統(tǒng)試驗方法確定、適航取證、供應(yīng)商選取、駕駛員培訓(xùn)和系統(tǒng)維護等方面。飛控系統(tǒng)設(shè)計理念高于系統(tǒng)設(shè)計，采用不同的設(shè)計理念會設(shè)計出不同的飛控產(chǎn)品。而飛控系統(tǒng)設(shè)計理念的匱乏和滯后不僅會使民機制造商無法設(shè)計合理的方案，而且會增加后期的系統(tǒng)設(shè)計更改和設(shè)計成本。因此，確立設(shè)計理念是民機飛控系統(tǒng)研制首先要解決的問題。

但是由于設(shè)計理念相對比較抽象，存在著一些未知的、不斷更新的因素，給民機制造商確立自己的飛控設(shè)計理念帶來難度。雖然民機制造商可以通過自己長期的經(jīng)驗積累確立了自己的設(shè)計理念和大量市場調(diào)查，但這不是科學(xué)地解決問題的辦法。

該文從方法論角度探索和研究了飛控系統(tǒng)設(shè)計理念，首先定義了其概念、生命周期和哲學(xué)特點，重點分析了飛控系統(tǒng)設(shè)計理念的影響因素，建立了其體系結(jié)構(gòu)，提出了設(shè)計理念評估方法，建立民機事故與飛控系統(tǒng)設(shè)計理念關(guān)系數(shù)據(jù)庫等。

1 飛控系統(tǒng)設(shè)計理念定義

飛控系統(tǒng)設(shè)計理念是飛控系統(tǒng)設(shè)計人員設(shè)計飛控產(chǎn)品時，綜合歷史、文化、市場、新技術(shù)、駕駛員、航空公司和適航等因素，所確立的設(shè)計思想和頂層原則，浸透在具體設(shè)計細(xì)節(jié)中，使飛控系統(tǒng)具有個性化、專業(yè)化和獨立的產(chǎn)品特征。

2 飛控系統(tǒng)設(shè)計理念生命周期

飛控設(shè)計理念生命周期具體如圖1所示，在立項論證階段，建立飛控設(shè)計理念和提出新的設(shè)計理念；在可行性論證階段，確認(rèn)與評估新的設(shè)計理念；在預(yù)發(fā)展階段、工程發(fā)展階段中，具體應(yīng)用設(shè)計理念

3 飛控系統(tǒng)設(shè)計理念哲學(xué)特點

飛控設(shè)計理念哲學(xué)本質(zhì)是正確處理設(shè)計理念與客觀世界（市場、技術(shù)、駕駛員、航空公司等）的關(guān)系，正確認(rèn)識和洞察客觀世界，把握變化，發(fā)展規(guī)律，遵循其規(guī)律辦事情，具體有以下特點：創(chuàng)新性、發(fā)展性、系統(tǒng)性和適用性。

4 飛控系統(tǒng)設(shè)計理念影響因素分析

影響先進飛控設(shè)計理念的因素有駕駛員、航空公司、新技術(shù)、歷史、文化、市場、關(guān)于飛控的民機事故、適航當(dāng)局、飛機級設(shè)計理念等，具體如圖2所示。

4.1 駕駛員

駕駛員已習(xí)慣飛機傳統(tǒng)中央駕駛桿盤操縱方式。操縱習(xí)慣必然影響著側(cè)桿或者其他新型操縱方式的設(shè)計，也影響著“駕駛艙操縱理念”。

駕駛員具有自己邏輯思維能力，包括定性和定量判斷，直接影響飛控設(shè)計人員的“駕駛員邏輯思維設(shè)計理念”和“駕駛員感知設(shè)計理念”。反過來講，設(shè)計人員不要以自己的邏輯思維推測駕駛員的邏輯思維。針對駕駛桿盤的邏輯思維必然不同于側(cè)桿的邏輯思維。

4.2 航空公司

由于航空公司維修成本占有一定的比重，為了降低維修成本，民用飛機MSG（MaintenanceSteering Group）維修理念是飛機設(shè)計制造方、使用維修方和管理當(dāng)局共同研究的成果，成為各國管理當(dāng)局共同認(rèn)可和使用的維修理念。

同時，航空公司不僅考慮到自己的運行成本，同時也考慮減少培訓(xùn)成本。而側(cè)桿培訓(xùn)成本顯然高于駕駛桿盤的培訓(xùn)成本，航空公司需要設(shè)計人員擁有“高效的培訓(xùn)理念”和“減少多余的功能和操縱動作”，從而降低側(cè)桿培訓(xùn)成本。

4.3 歷史文化

針對民用飛機而言，先期大多數(shù)飛行員來源于軍機，擁有超高技能，能夠嫻熟操縱飛機。但是由于市場迫切需求，目前大部分飛行員來自民航培訓(xùn)，直接影響“培訓(xùn)理念”和“自動化與自動控制”設(shè)計理念。

由于民用飛機飛控系統(tǒng)一直采用駕駛桿盤為特征的機械操縱系統(tǒng)，機械操縱系統(tǒng)和駕駛桿盤必然對駕駛桿盤操縱方式設(shè)計、控制律設(shè)計、飛行品質(zhì)影響，直接影響到“飛行品質(zhì)評定”和“遵守傳統(tǒng)機械操縱特性”設(shè)計理念。

先進飛控設(shè)計理念與飛機制造商本國文化不可分割，比如“浪漫悠閑”、“封閉文化”、“社會責(zé)任感”等文化直接影響了飛控系統(tǒng)設(shè)計理念。

4.4 市場

市場不僅包含目標(biāo)市場份額，而且包含產(chǎn)業(yè)鏈價值，是創(chuàng)造性需求的源泉，也是飛控系統(tǒng)設(shè)計理念重要來源。

同時，為了占領(lǐng)市場和增加市場份額，直接影響到先進飛控系統(tǒng)“營銷設(shè)計理念”。比如：采用陣風(fēng)減緩技術(shù)并沒有對航空公司運行和駕駛員產(chǎn)生良好的效果，但是為了配合市場，而采用的“市場營銷”理念。

4.5 新技術(shù)

針對新型民機而言，不是為了新技術(shù)而上新技術(shù)，其核心不是代表先進性。新技術(shù)的應(yīng)用理念是必須為“民航運輸創(chuàng)造成效”，比如多電飛控、駕駛艙隨動一體化等。

4.6 民機事故

2009年6月1日凌晨，法國航空公司一架A330飛機在執(zhí)行巴西里約熱內(nèi)盧-巴黎的AF447航班中，在正常巡航高度上，突然失去升力，從10 668米（35 000英尺）巡航高度急墜入海，沉入大西洋海底，全機228人全部罹難。初步分析認(rèn)為，飛機在高空飛行時遭遇過冷水滴，這些過冷水滴導(dǎo)致空速管結(jié)冰。飛機因缺乏有效空速指示，飛行人員無法準(zhǔn)確操作，導(dǎo)致飛機進入失速狀態(tài)。

為了避免事故，在飛控系統(tǒng)設(shè)計中必然采用“場景分析設(shè)計理念”和“場景培訓(xùn)設(shè)計理念”。

4.7 適航

針對共模故障而言，F(xiàn)AA審定設(shè)計理念與EASA的理念不同，F(xiàn)AA批準(zhǔn)過沒采用非相似設(shè)計的飛控系統(tǒng)。而EASA審定理念，必須采用非相似硬件和非相似軟件。

針對審定結(jié)果和過程而言，F(xiàn)AA理念更傾向于結(jié)果，而EASA更傾向于過程審定。

4.8 飛機級設(shè)計理念

“飛機級設(shè)計理念”是先進飛控設(shè)計理念的頂層輸入，是先進飛控系統(tǒng)設(shè)計理念的重要組成部分，比如“靜暗駕駛艙”設(shè)計理念、國際標(biāo)準(zhǔn)化、系列化等設(shè)計理念。

5 飛控系統(tǒng)設(shè)計理念體系結(jié)構(gòu)

先進飛控系統(tǒng)設(shè)計理念體系結(jié)構(gòu)分為4層，第1層：歷史文化；第2層：適航理念和市場理念；第3層與飛控相關(guān)的飛機級設(shè)計理念（“系列化與通用化”、“靜暗駕駛艙”、“安全、高效、舒適”、“國際開放標(biāo)準(zhǔn)化”、“嚴(yán)格流程化”）、“以人為中心”的設(shè)計理念、新技術(shù)（多電、多總線、分布式）；第4層：系統(tǒng)設(shè)計理念（“簡單可靠”、“獨立功能”、“獨立通道”、“余度”、“容錯”、“場景分析”、“ad hoc （突發(fā)奇想）驗證”等）。

6 飛控系統(tǒng)設(shè)計理念評估方法

結(jié)合設(shè)計理念影響因素，從市場調(diào)查、民機飛機事故、新技術(shù)研究、歷史文化等中提取新的設(shè)計理念，建立一套評估方法：飛行員、航空公司、航空專家、概率計算、確認(rèn)方法和確認(rèn)平臺等，對飛控系統(tǒng)設(shè)計理念確認(rèn)和評估。

7 民機事故與飛控系統(tǒng)設(shè)計理念關(guān)系數(shù)據(jù)庫

飛機設(shè)計史上很多的技術(shù)進步以及設(shè)計理念的演變都來源于飛行事故的教訓(xùn)和啟發(fā)，飛控系統(tǒng)設(shè)計理念同樣如此。

查詢和收集關(guān)于飛控的民機事故，梳理和總結(jié)關(guān)于飛控的民機事故原因，利用概率統(tǒng)計方法，結(jié)合C++Builder界面開發(fā)工具+數(shù)據(jù)庫SQL+Excel豐富圖標(biāo)，建立關(guān)于飛行控制民機事故與設(shè)計理念的關(guān)系數(shù)據(jù)庫。

利用該數(shù)據(jù)庫能夠?qū)γ駲C事故進行統(tǒng)計生成各種圖表，近30年與飛控相關(guān)的統(tǒng)計表具體如圖3所示，為提取新的設(shè)計理念提供有效的數(shù)據(jù)支持，比如：在近30年，失去液壓故障為2次，表明：現(xiàn)有概率設(shè)計3套液壓系統(tǒng)存在不合理地方，需要改變設(shè)計理念，增加電源方面?zhèn)浞?，提高系統(tǒng)安全性

8 結(jié)語

該文系統(tǒng)地研究了設(shè)計理念定義、生命周期、哲學(xué)特點和戰(zhàn)略本質(zhì)等內(nèi)容，重點分析了先進飛控設(shè)計理念8個關(guān)鍵影響因素：歷史文化、市場、駕駛員、航空公司、新技術(shù)、民機事故、適航和飛機級設(shè)計理念，建立了設(shè)計理念的“金字塔“式體系結(jié)構(gòu)和評估方法，形成一套先進飛控系統(tǒng)設(shè)計理念體系，能夠為確立民用飛機飛控系統(tǒng)設(shè)計理念提供理論指導(dǎo)和方法基礎(chǔ)。

參考文獻

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