光傳飛控系統(tǒng)發(fā)展的必要及現(xiàn)狀

劉倩倩

摘 要：現(xiàn)代飛機(jī)機(jī)艙內(nèi)的電子設(shè)備在不斷增多，機(jī)艙內(nèi)線纜布局量在不斷增大，電磁干擾、電子對抗問題越來越嚴(yán)重，電傳飛控系統(tǒng)存在局限，面臨巨大挑戰(zhàn)，光傳飛控系統(tǒng)由于諸多優(yōu)點(diǎn)，成為重點(diǎn)研究的對象。

關(guān)鍵詞：飛控系統(tǒng)；電傳飛控；光傳飛控；光纖；光傳感器

引言

飛控系統(tǒng)是將飛行員輸入的命令， 利用傳感器輸入， 經(jīng)過控制律解算， 產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)飛機(jī)舵面運(yùn)動(dòng)指令， 驅(qū)動(dòng)飛機(jī)副翼、方向舵等控制面運(yùn)動(dòng)， 改變飛機(jī)運(yùn)動(dòng)方向和速度。飛控系統(tǒng)的發(fā)展經(jīng)歷了以下幾個(gè)階段，飛控系統(tǒng)從最開始的由一個(gè)簡單的電纜、滑輪及曲柄組成的機(jī)械系統(tǒng)，發(fā)展為通過尖端電子設(shè)備與數(shù)字模擬技術(shù)的電傳控制系統(tǒng)，使飛控系統(tǒng)發(fā)生了革命性變化。但是，電傳控制系統(tǒng)在實(shí)際使用過程中，仍然存在各種問題和弊端：（1）不能防御雷擊電和電磁干擾；（2）電纜布局相對遙遠(yuǎn)， 電纜用量增大， 不僅增加了飛機(jī)重量， 還會引起導(dǎo)線間的干擾及地環(huán)流影響， 對電信號的正常傳輸造成較嚴(yán)重干擾。近些年，光傳飛控系統(tǒng)因具有抗干擾性強(qiáng)、傳輸量大、可靠性高等優(yōu)點(diǎn)被作為研究的重點(diǎn)，取得了很大的突破。

二、光傳飛控系統(tǒng)的研究現(xiàn)狀

在最初的實(shí)現(xiàn)過程中，涉及到用光纖替代電線的數(shù)據(jù)通訊媒體。在近期的應(yīng)用中也能見到光傳傳感器的應(yīng)用實(shí)例， 例如機(jī)械位置測量裝置的傳感器等。

自20 世紀(jì)70 年代以來， 光傳部件已開始應(yīng)用。美國空軍懷特實(shí)驗(yàn)室在此期間開始對光纖通訊在飛控系統(tǒng)中的應(yīng)用進(jìn)行研究。1974 年， 電傳飛控系統(tǒng)的樣機(jī)被改進(jìn)， 以便在其四余度通道的每一個(gè)通道中引入光纖。1978 年， Digitac 計(jì)劃研制出一類數(shù)字式飛控系統(tǒng)， 該系統(tǒng)采用具有電傳和光傳操縱能力的雙通道MIL-STD-1553B 多路傳輸數(shù)據(jù)總線。1994 年， NASA Dryden 系統(tǒng)（ 即改進(jìn)的McDoug las F/ A -18） 完成了對光電傳感器的開環(huán)測試， 該測試方法是由NASA Lew is 研究中心在光纖控制系統(tǒng)綜合方案中所提出的[3]。20 世紀(jì)末， 光控設(shè)備在無人機(jī)上有了長足的發(fā)展。1997年， 美國“ 羅福來特”無人機(jī)在第二次試飛中采用了光纖通信和控制。2000-2002 年， 日本航空開發(fā)協(xié)會主管的下一代航空器研究計(jì)劃開發(fā)了一種PBW/FBL操縱系統(tǒng)， 主要開發(fā)了光傳數(shù)據(jù)總線、新型的飛控計(jì)算機(jī)以及靈巧作動(dòng)器。其中靈巧作動(dòng)器有電動(dòng)機(jī)械作動(dòng)器（EMA） 和電動(dòng)靜液作動(dòng)器（EHA）兩種 [4]。21 世紀(jì)， 全數(shù)字化光傳感器、光纖傳輸、光傳控制將廣泛應(yīng)用于飛機(jī)上， 特別是軍機(jī)上。

三、光傳飛控系統(tǒng)的重要組成

1）光纖傳輸

光纖傳輸主要的光電器件包括： 光源、光檢測器、光纖。

由于半導(dǎo)體激光器（ LD） 不適合作光源。因?yàn)長D 對溫度非常敏感， 需要復(fù)雜的電路來穩(wěn)定溫度和功率， 對傳輸速度小于50 Mb/ s 的系統(tǒng)，選擇LED 作航空光傳系統(tǒng)的光源[5]。若對功率要求較高，可用用高亮度的LED 來改進(jìn)。

目前， 光檢測器主要有光電二極管和雪崩光電二極管，由于光電二極管使用簡單、偏壓較低（通常為10-20V），適合航空系統(tǒng)環(huán)境多變，且對可靠性要求高的實(shí)際情況，所以選擇光電二極管作光電檢測較為適宜。

光纖從材料類型上， 可分為石英光纖、玻璃光纖和塑料光纖三種，石英光纖比玻璃光纖柔韌度好，比塑料光纖耐高溫性能好，因此，石英光纖優(yōu)勢更明顯，選用石英光纖作為航空領(lǐng)域用光纖。

2）光傳感器

飛機(jī)需要上千個(gè)傳感器分別用于線位移、角位移、溫度、氣壓、速度、加速度等參數(shù)的測定和監(jiān)控，光傳感器按功能可分為：速率陀螺、線性加速度計(jì)、線性位置傳感器、等。目前，國內(nèi)光傳感器的研究已經(jīng)取得了部分成果，光纖陀螺、光纖加速度計(jì)、測量元件線性光纖位移傳感器、光纖溫度傳感器等已進(jìn)入實(shí)用階段[6]。

四、光傳輸?shù)姆诸?/p>

光傳輸分為單通道光傳輸和波分復(fù)用的多通道光傳輸。

1）單通道光傳輸采用脈沖頻率調(diào)制，流程框圖如下圖所示：

2）光傳飛控系統(tǒng)的波分復(fù)用，波分復(fù)用技術(shù)就是為了充分利用單模光纖低損耗區(qū)帶來的巨大帶寬資源[7] ， 根據(jù)每一信道光波的頻率（ 或波長） 不同可以將光纖的低損耗窗口劃分成若干個(gè)信道， 把光波作為信號的載波， 在發(fā)送端采用合波器將不同規(guī)定波長的信號光載波合并起來送入一根光纖進(jìn)行傳輸。在接收端， 再由分波器將這些不同波長承載不同信號的光載波分開的復(fù)用方式。

飛控系統(tǒng)信號的特點(diǎn)是大信號、超低頻， 甚至直流信號， 而且需傳輸?shù)男盘枖?shù)量有限， 距離也很短，使用波分復(fù)用技術(shù)優(yōu)點(diǎn)明顯， 可在同一根光纖上同時(shí)傳輸不同速率、不同數(shù)據(jù)格式的信號而互不影響， 并且當(dāng)有新的信號需要傳輸時(shí)， 可通過增加新的波長來實(shí)現(xiàn)， 而不必增加光纖數(shù)量， 使擴(kuò)容簡便化。

五、光傳的優(yōu)點(diǎn)及缺點(diǎn)

光傳的優(yōu)點(diǎn)如下：

1）光纖網(wǎng)絡(luò)抗干擾強(qiáng)：因?yàn)楣饫w的基本成分是石英，只傳光，不導(dǎo)電，不受電磁場的作用，在其中傳輸光信號不受電磁場的影響，故光纖傳輸對電磁干擾、工業(yè)干擾有很強(qiáng)的抵御能力。

2）傳輸容量大：由于SiO2 晶體制成的光纖又輕又細(xì)， 極大地減小了傳輸線的重量和體積， 節(jié)省了機(jī)內(nèi)空間， 便于敷設(shè)[2]。

3）系統(tǒng)的安全性和可靠性更高：由于工作溫度低， 不會產(chǎn)生火花， 耐高溫和腐蝕。另外，光纖的故障隔離性能好， 當(dāng)一個(gè)通道發(fā)生故障時(shí)一般不會影響其它通道。

光傳的缺點(diǎn)：容易折段，更換和連接需要很細(xì)的工藝，安置比較復(fù)雜，但是隨著科技的發(fā)展和新工藝的出現(xiàn)，改問題已經(jīng)取得了很大的進(jìn)步和解決。

就以上光纖傳輸?shù)膬?yōu)缺點(diǎn)對比來看，新一代飛機(jī)采用光傳飛控系統(tǒng)代替或部分代替電傳飛控系統(tǒng)， 可將其抗電磁干擾、電磁脈沖和雷擊等諸多優(yōu)點(diǎn)充分展現(xiàn)，為飛機(jī)提供全時(shí)間、全權(quán)限的飛行控制。增強(qiáng)飛機(jī)安全性和生存能力。

六、總結(jié)

光傳飛控憑借諸多優(yōu)點(diǎn)，因而備受關(guān)注，但由于光計(jì)算機(jī)、光作動(dòng)器等全光傳控制系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)還遠(yuǎn)未成熟，目前，僅是將電傳元件和光傳部件相結(jié)合來測試，也就是光-電集成階段，考察飛行環(huán)境的適應(yīng)性，而涉及到系統(tǒng)級的方法和設(shè)計(jì)，就需要綜合未來飛機(jī)的實(shí)際應(yīng)用的部件設(shè)計(jì)。預(yù)計(jì)在未來相當(dāng)長的一段時(shí)間里， 新一代的飛機(jī)控制系統(tǒng)將采用電傳/光傳混合體系結(jié)構(gòu)。

參考文獻(xiàn)：

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