飛機綜合應急儀表系統(tǒng)設(shè)計

章拔邦 郭星燦 張宏志

(中航通飛研究院有限公司 廣東 珠海 519040)

飛機綜合應急儀表系統(tǒng)設(shè)計

章拔邦 郭星燦 張宏志

(中航通飛研究院有限公司 廣東 珠海 519040)

綜合應急儀表綜合地平儀、空速表、高度表的功能，信息顯示豐富直觀、易于識別，占用空間小，能實現(xiàn)玻璃化座艙設(shè)計，在大中型民航飛機和公務機上獲得普遍應用。本文論述飛機綜合應急儀表系統(tǒng)的設(shè)計、綜合應急儀表的構(gòu)成和特點、綜合應急儀表系統(tǒng)的基本組成和在主要機型上的設(shè)計方案。

綜合應急儀表；姿態(tài)；空速；高度；磁羅盤；備份

為保障飛行安全，多數(shù)類型的飛機（包括旋翼機）都要求安裝一套與機上其他系統(tǒng)和設(shè)備相對獨立的應急備份儀表系統(tǒng)。當機上大氣數(shù)據(jù)系統(tǒng)、慣性導航系統(tǒng)、航向姿態(tài)系統(tǒng)、電子飛行儀表系統(tǒng)等部分或全部失效，導致機上主要的飛行儀表顯示失效時，應急備份儀表系統(tǒng)能為駕駛員提供一組對飛行安全必不可少的包括航向、姿態(tài)、空速、高度等參數(shù)的信息顯示，讓駕駛員駕駛飛機盡快安全著陸。目前，應急備份儀表系統(tǒng)已經(jīng)從傳統(tǒng)的分離式機械或機電儀表系統(tǒng)發(fā)展為高度綜合化數(shù)字化的綜合應急儀表系統(tǒng)。本文論述了飛機綜合應急儀表系統(tǒng)的設(shè)計需求、主要方案和設(shè)計方法。

1.系統(tǒng)設(shè)計需求

航向、姿態(tài)、空速、高度等參數(shù)是飛機最基本的飛行參數(shù)，當飛機（特別是按儀表飛行規(guī)則飛行的飛機）各種主要的儀表顯示失效，處于應急狀態(tài)時，若飛機仍能為駕駛員提供一組備用的儀表顯示的航向、姿態(tài)、空速、高度等參數(shù)信息，駕駛員可以依靠這組基本飛行參數(shù)盡快安全著陸。應急備份儀表系統(tǒng)與機上其他系統(tǒng)和設(shè)備相對獨立，且使用自動儀表進行信息指示，能在機上主要的儀表系統(tǒng)發(fā)生任何單個故障或故障組合后，無需增加機組成員的動作，提供一組由儀表提供的對飛行安全必不可少的，包括航向、姿態(tài)、空速、高度等參數(shù)的信息顯示。因此，為了讓駕駛員在應急狀態(tài)下能駕駛飛機盡快安全著陸，保障飛行安全，中國民用航空規(guī)章對應急備份儀表系統(tǒng)需求做出了明確規(guī)定。

2.系統(tǒng)基本組成

傳統(tǒng)的應急備份儀表系統(tǒng)包括磁羅盤、地平儀、空速表和高度表四個分離式的機械或機電儀表，以及一個空速管（或者全壓受感器和靜壓受感器）和相應的全靜壓管路，整個系統(tǒng)簡單成熟經(jīng)濟，在輕小型飛機上仍廣泛使用，如海鷗300、小鷹500、SR22等飛機。但四個傳統(tǒng)儀表不僅重量大，包含膜盒和陀螺等運動部件，可靠性低故障多，而且占用儀表板空間大，無法滿足現(xiàn)代飛機減重、高可靠性和玻璃化座艙設(shè)計要求。因此，在快速發(fā)展的微電子技術(shù)、微型傳感器技術(shù)和顯示技術(shù)的推動下，歐美航空強國率先研制出采用液晶顯示器顯示的綜合了地平儀、空速表和高度表三個儀表功能的數(shù)字化綜合應急儀表，使傳統(tǒng)應急備份儀表系統(tǒng)演變?yōu)闈M足玻璃化座艙設(shè)計要求的綜合應急儀表系統(tǒng)，如下圖1所示。

圖1 三合一的綜合應急儀表

綜合應急儀表的結(jié)構(gòu)緊湊，表盤面積與地平儀相當；沒有膜盒和陀螺等運動部件，可靠性高，抗振動性好，能適應一定傾斜角度的安裝；重量比地平儀、空速表、高度表的總重量輕。因此，綜合應急儀表迅速取代地平儀、空速表和高度表，廣泛運用于大中型飛機上，如A380、B787等大中型民航飛機和灣流G650、挑戰(zhàn)者650等大中型公務機。在新近研制的高端的小型飛機和直升機上，綜合應急儀表也開始獲得廣泛應用，如西瑞SF-50、貝爾429、阿古斯塔AW139等高端機型。

3.綜合應急儀表

綜合應急儀表內(nèi)置大氣數(shù)據(jù)測量模塊和姿態(tài)測量模塊，運用微處理器進行數(shù)據(jù)解算和處理，通過液晶顯示器實現(xiàn)信息顯示，主要功能是提供姿態(tài)（橫滾角、俯仰角）、空速（指示空速或校正空速、最大使用空速提示）、氣壓高度顯示，并具備場壓裝訂、姿態(tài)校準、亮度調(diào)節(jié)及晝夜切換、自檢與故障診斷功能。根據(jù)需要，綜合應急儀表還可以顯示真空速、馬赫數(shù)、升降速度、公制空速、公制高度、側(cè)滑指示等信息，同時還具備豐富的總線和離散接口，可與外部的數(shù)據(jù)記錄器、控制盒等設(shè)備交聯(lián)。部分廠家的綜合應急儀表能與外部的捷聯(lián)磁傳感器或機上慣性導航系統(tǒng)、航向姿態(tài)系統(tǒng)、GPS定位系統(tǒng)、VOR/ADF/ILS導航系統(tǒng)等交聯(lián)，顯示接收的航向信息和位置、地速、VOR/ADF導航、ILS著陸指示等導航信息，并可通過內(nèi)置構(gòu)型數(shù)據(jù)模塊存儲各種構(gòu)型選項的方式獲得良好的構(gòu)型設(shè)置能力，使用戶能通過軟件進行構(gòu)型設(shè)置更改顯示內(nèi)容，實現(xiàn)同一型號儀表適用于不同的機型。

綜合應急儀表的主要結(jié)構(gòu)組成如下圖2所示，主要包含大氣數(shù)據(jù)測量模塊、姿態(tài)測量模塊、信號處理模塊、圖形處理模塊、液晶顯示模塊、電源模塊、轉(zhuǎn)接板、底板和導光板等。

大氣數(shù)據(jù)測量模塊采用硅壓阻傳感器代替空速表的開口膜盒和高度表的真空膜盒，將全靜壓管路采集的全壓和靜壓壓力信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，輸出給數(shù)據(jù)處理模塊。硅壓阻傳感器的全靜壓測量精度優(yōu)于0.03％FS，長期穩(wěn)定性優(yōu)于0.02％FS/年，耐壓能力可達數(shù)百兆帕，過壓保護能力強，具有體積小、重量輕、精度高、抗振性能良好等特點。

姿態(tài)測量模塊采用高精度的微機電姿態(tài)傳感器代替地平儀中的機械式垂直陀螺，可測量飛機的俯仰角、橫滾角和加速度信息，輸出給數(shù)據(jù)處理模塊。姿態(tài)模塊包含微機電陀螺和加速度計，陀螺精度可達1°/小時，加速度計精度可達100μg，俯仰角和橫滾角動態(tài)精度可達±3°（2σ），具有體積小、重量輕、精度高等特點，沒有運動部件，可靠性高。

圖2 綜合應急儀表結(jié)構(gòu)組成

數(shù)據(jù)處理模塊包括信號處理模塊和圖形處理模塊。信號處理模塊負責儀表內(nèi)各模塊以及外部交聯(lián)設(shè)備的通信，通過數(shù)字信號處理器對大氣數(shù)據(jù)測量模塊、姿態(tài)測量模塊和外部交聯(lián)設(shè)備傳來的各種數(shù)字和離散信號進行處理，將處理后的數(shù)據(jù)傳遞給圖形處理模塊或外部交聯(lián)設(shè)備。圖形處理模塊通過圖形芯片對接收的數(shù)據(jù)進行運算處理，生成繪圖指令，將繪圖指令轉(zhuǎn)換為RGBW四色信號及顯示控制信號發(fā)送至液晶顯示器顯示，并及時響應儀表面板的各種控制信號。

液晶顯示模塊用于顯示圖形處理模塊傳來的RGBW四色信號和顯示控制信號，采用機載多功能液晶顯示器（AMLCD）代替?zhèn)鹘y(tǒng)儀表的指針式和機電式指示方式，性能穩(wěn)定可靠，且具有與飛行顯示器相似的圖形顯示，增大了顯示數(shù)據(jù)信息量，直觀豐富易于識別，視覺感觀性好。部分綜合應急儀表的液晶顯示模塊還包含環(huán)境光線傳感器，可以根據(jù)飛機駕駛艙內(nèi)的環(huán)境光線自動調(diào)整顯示器的亮度。

電源模塊由DC/DC模塊、電壓轉(zhuǎn)換器、前端穩(wěn)壓模塊、濾波器、高容量鉭電容、TVS管等構(gòu)成，對外部輸入的28VDC電源進行濾波、穩(wěn)壓、變換，為儀表內(nèi)部各模塊提供所需的24V、±15V、5V、3.3V等直流電源。

4.主要機型的系統(tǒng)方案

綜合應急儀表系統(tǒng)已廣泛應用于大中型民航飛機和公務機上，在高端的小型飛機和直升機上也開始推廣使用。早期的A320、B737和B777采用傳統(tǒng)備份儀表系統(tǒng)，后期改進版則采用綜合應急儀表系統(tǒng)。國內(nèi)的新舟60使用傳統(tǒng)備份儀表系統(tǒng)，但新舟600、ARJ21-700和C919上已采用綜合應急儀表系統(tǒng)。大中型公務機為了吸引大眾客戶，普遍采用綜合應急儀表系統(tǒng)。

綜合應急儀表系統(tǒng)的主流設(shè)計方案是配置1塊磁羅盤、1塊綜合應急儀表、1個全壓受感器和1對靜壓受感器，并可與慣性導航系統(tǒng)、航向姿態(tài)系統(tǒng)、GPS系統(tǒng)、ILS系統(tǒng)等交聯(lián)，提供航向、GPS數(shù)據(jù)、ILS著陸信息的備份顯示。但在A380和A350XWB飛機上配備了2塊綜合應急儀表，互為備份，分別備份飛行數(shù)據(jù)和備份導航數(shù)據(jù)。另外，獎狀XLS+、灣流G650、環(huán)球6000等公務機以及Y8F600采用了更為激進的綜合應急儀表系統(tǒng)設(shè)計方案，已經(jīng)不再配置獨立的磁羅盤，而采用其他技術(shù)方法實現(xiàn)磁航向的備份顯示，且灣流G650等機型還使用了大屏幕的綜合應急儀表。

傳感器配置方面，綜合應急儀表系統(tǒng)只配置全靜壓測量傳感器，不配置總溫傳感器、迎角傳感器和側(cè)滑角傳感器，因為總溫、迎角、側(cè)滑角傳感器不是綜合應急儀表系統(tǒng)所必須的。總溫傳感器測量的總溫雖然能提高的空速和高度信息的精度，但當飛機必須依靠綜合應急儀表系統(tǒng)飛行時，這已經(jīng)不重要；迎角和側(cè)滑角不是民航規(guī)章所要求的對飛行安全必不可少的信息，綜合應急儀表系統(tǒng)不需要提供迎角和側(cè)滑角的備份顯示。

綜合應急儀表不是機上最有效地指示姿態(tài)、空速、高度、航向的儀表，因此不必安裝在駕駛員向前視線所在的垂直平面附近、儀表板上部中心位置處，但應盡可能地安裝在最有效的姿態(tài)指示儀表的附近，使駕駛員盡可能少地偏移正常姿勢和視線即可看清儀表，且綜合應急儀表顯示的信息應按中間姿態(tài)、左邊空速、右邊高度、下邊航向的T字組合要求排列。綜合應急儀表的安裝位置有三種，最主要的一種是安裝在主儀表板中線或偏左位置處，夾在大尺寸顯示器中間，如A380、B787、C919等；第二種是安裝在主儀表板中線附近，大尺寸顯示器下邊，如A350XWB、灣流G450、灣流G550等；第三種是安裝在主儀表板中線附近，大尺寸顯示器上邊，如Hawker 900XP、飛鴻300。因為目前安裝綜合應急儀表的飛機幾乎都是雙駕駛體制，所以上述三種安裝位置都在主儀表板中線附近，從而使兩個駕駛員都能看清該儀表，但以左駕駛為主。對于安裝2塊綜合應急儀表且并非分別顯示備份飛行信息和備份導航信息的飛機，則可將綜合應急儀表安裝在駕駛員正前方儀表板的上部，如灣流G650、灣流G650ER等。

5.總結(jié)

本文論述了民航規(guī)章對應急備份儀表系統(tǒng)設(shè)計要求、綜合應急儀表的構(gòu)成和特點、主要機型上的系統(tǒng)設(shè)計方案，并結(jié)合某型機的設(shè)計實例討論了綜合應急儀表系統(tǒng)設(shè)計中要考慮的相關(guān)問題。綜合應急儀表系統(tǒng)以其信息顯示豐富直觀易于識別、占用空間小、能實現(xiàn)玻璃化座艙設(shè)計等優(yōu)點獲得普遍應用，必將在國產(chǎn)飛機上得到推廣應用，并向更可靠、更綜合化和更大尺寸方向發(fā)展。

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Comprehensive emergency aircraft instrument system design

ZHANG Ba-bang, GUO Xing-can, ZHANG Hongzhi. China Aviation Industry General Aircraft Co., Ltd. Guangdong Province, Zhuhai 519040, China

Comprehensive emergency instrument synthetically instrument, the function of the airspeed indicator and altimeter, rich information display, intuitive and easy to identify small footprint, can achieve a glass cockpit design, widely used in large and medium-sized passenger aircraft and official on board. This paper discusses the plane comprehensive emergency instrument system design, composition and characteristics of comprehensive emergency instrument, comprehensive emergency instrument system basic composition and design on the main model.

Comprehensive emergency instrument; Attitude; Space velocity. Height; Magnetic compass; The backup

F764.4

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1009-5624-（2016）03-0021-03