新舟飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)防誤操作設(shè)計(jì)與研究

楊百平 /

(中航西飛民用飛機(jī)有限責(zé)任公司，西安 710089)

0 引言

防誤操作設(shè)計(jì)作為飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的一個(gè)重要組成部分，防止用于反推力和低于飛行狀態(tài)的槳距調(diào)定的每一操縱器件被誤動(dòng)，避免不安全事件的發(fā)生。

根據(jù)適航條款25.1155的要求，用于反推力和低于飛行狀態(tài)的槳距調(diào)定的每一操縱器件，均必須有防止被誤動(dòng)的措施。該措施在飛行慢車位置必須有確實(shí)的鎖或止動(dòng)器，而且必須要求機(jī)組采取另外明顯動(dòng)作，才能將操縱器件從飛行狀態(tài)(對(duì)于渦輪噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)飛機(jī)為正推力狀態(tài))的位置移開[1]。

新舟飛機(jī)作為一款擁有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的國(guó)產(chǎn)渦槳飛機(jī)，按照運(yùn)輸類飛機(jī)適航標(biāo)準(zhǔn)條款要求，在中央操縱臺(tái)上設(shè)置了飛行慢車限動(dòng)系統(tǒng)。

隨著新舟飛機(jī)在國(guó)內(nèi)外多條航線上的投入運(yùn)營(yíng)，飛行慢車限動(dòng)系統(tǒng)在使用過程中暴露出著陸過程中限動(dòng)解除不及時(shí)、防誤操作動(dòng)作不明顯等問題，致使飛行機(jī)組無法迅速將功率桿收到飛行慢車以下位置，達(dá)到迅速降低飛機(jī)滑行速度的目的，增加了飛機(jī)滑行距離，為短跑道飛行帶來了一定的影響。個(gè)別機(jī)組為了能夠在飛機(jī)著陸瞬間迅速將功率桿收到飛行慢車以下位置，養(yǎng)成了空中將飛行慢車限動(dòng)系統(tǒng)限動(dòng)直接解除的不良習(xí)慣，給飛機(jī)帶來了不安全隱患。

對(duì)近年來飛行事故的分析顯示，飛行機(jī)組人為差錯(cuò)在所有事故原因中所占的比例達(dá)到2/3以上[2]。本文通過對(duì)飛行慢車限動(dòng)系統(tǒng)的控制方式和防誤設(shè)計(jì)進(jìn)行研究，提出了解決該問題的措施和方法。

1 防誤操作設(shè)計(jì)

1.1 國(guó)外飛機(jī)防誤操作設(shè)計(jì)

空客飛機(jī)在正推力桿上安裝了一個(gè)機(jī)械式反推力桿，防止正推力桿空中被誤動(dòng)越過飛行慢車位置，導(dǎo)致不安全事件的發(fā)生[3]。當(dāng)飛行機(jī)組使用反推力時(shí)，需采取明顯的提拉反推力桿動(dòng)作，正推力桿才能進(jìn)入反推力區(qū)域。當(dāng)飛行機(jī)組使用正推力時(shí)，僅需前推正推力桿即可進(jìn)入正推力區(qū)域，此時(shí)反推力桿自動(dòng)進(jìn)入鎖定狀態(tài)，防止空中正推力桿被誤動(dòng)而進(jìn)入反推力區(qū)域。

波音飛機(jī)采用機(jī)械控制與電氣控制相結(jié)合的反推力防誤操作設(shè)計(jì)[4]。正推力桿上安裝了一個(gè)相對(duì)獨(dú)立的反推手柄，在飛行慢車位置通過棘爪實(shí)現(xiàn)正推力桿與反推手柄之間的轉(zhuǎn)換。當(dāng)正推力桿進(jìn)入正推力區(qū)域時(shí)，棘爪鎖定反推手柄，防止反推手柄的移動(dòng)。當(dāng)正推力桿位于飛行慢車位置時(shí)，棘爪釋放反推手柄，允許飛行機(jī)組移動(dòng)反推手柄；后拉反推手柄時(shí)，棘爪鎖定正推力桿，防止正推力桿移動(dòng)。同時(shí)，在中央操縱臺(tái)下部設(shè)有由電子控制裝置控制的反推力聯(lián)鎖裝置，反推力聯(lián)鎖裝置鎖定狀態(tài)下，反推手柄無法移動(dòng)；當(dāng)反推手柄轉(zhuǎn)動(dòng)到設(shè)定角度時(shí)，電子控制裝置控制聯(lián)鎖裝置開鎖，允許反推手柄移動(dòng)、進(jìn)一步增大反推力。

渦槳支線運(yùn)輸機(jī)ATR72飛機(jī)為了預(yù)防機(jī)組空中誤動(dòng)功率桿，在飛行慢車位置設(shè)置了一個(gè)電磁限動(dòng)，該限動(dòng)由采集左右主起落架上的四組空地信號(hào)的多功能計(jì)算機(jī)自動(dòng)控制[5]。空中飛行時(shí)，空地信號(hào)斷開電磁限動(dòng)供電線路，使其處于限動(dòng)狀態(tài)，功率桿無法越過飛行慢車位置。飛機(jī)位于地面上時(shí)，任意一組空地信號(hào)輸出后，多功能計(jì)算機(jī)接通電磁限動(dòng)供電線路，解除限動(dòng)控制，發(fā)動(dòng)機(jī)功率桿可以自由移動(dòng)。當(dāng)電磁限動(dòng)不能自動(dòng)解除時(shí)，通過拉桿可以使電磁限動(dòng)人工解除限動(dòng)狀態(tài)。

1.2 新舟飛機(jī)防誤操作設(shè)計(jì)

為了滿足中國(guó)民用航空規(guī)章制度要求，防止飛行機(jī)組空中誤將功率桿移動(dòng)到飛行慢車以下位置，新舟飛機(jī)在飛行慢車位置設(shè)置了電磁限動(dòng)和機(jī)械限動(dòng)兩種防誤操作方式，雙重防護(hù)防止空中誤將功率桿收到飛行慢車以下位置。

電磁限動(dòng)位于中央操縱臺(tái)前部，由左主起落架上的空地開關(guān)控制其供電。其工作特點(diǎn)為通電限動(dòng)解除、斷電限動(dòng)正常工作?？罩衅鹇浼苤е幱谧杂蔂顟B(tài)，空地開關(guān)斷開電磁限動(dòng)供電，使其處于限動(dòng)狀態(tài)。地面起落架支柱壓縮狀態(tài)下，空地開關(guān)接通電磁限動(dòng)供電，使其處于限動(dòng)解除狀態(tài)。當(dāng)電磁限動(dòng)通電無法解除限動(dòng)時(shí)，位于駕駛艙機(jī)組正前方的遮光板上的故障告警燈發(fā)出告警指示，此時(shí)，機(jī)組需要手動(dòng)解除電磁限動(dòng)。

機(jī)械限動(dòng)安裝在功率桿上，受彈簧控制，其控制手柄安裝在功率桿手柄下部。向上提拉機(jī)械限動(dòng)控制手柄，機(jī)械限動(dòng)解除；松開機(jī)械限動(dòng)控制手柄，機(jī)械限動(dòng)在彈簧力的作用下自動(dòng)工作。

前推功率桿時(shí)不受電磁限動(dòng)和機(jī)械限動(dòng)限制，后拉功率桿時(shí)，電磁限動(dòng)和機(jī)械限動(dòng)同時(shí)工作，只有同時(shí)解除限動(dòng)控制方可將功率桿收到飛行慢車以下位置，從而確保飛行安全。

1.3 對(duì)比分析

對(duì)比分析國(guó)內(nèi)外飛機(jī)在防誤操作設(shè)計(jì)方面的特點(diǎn)，主要采用了純機(jī)械式或機(jī)械與電氣相結(jié)合的防誤操作設(shè)計(jì)。

純機(jī)械式防誤操作設(shè)計(jì)主要應(yīng)用于空客320系列飛機(jī)，采用獨(dú)立的反推力桿設(shè)計(jì)，并充分考慮了反推力桿被誤動(dòng)的可能性，反推力使用前必須進(jìn)行正推力桿與反推力桿之間的操作轉(zhuǎn)換，具有明顯的可見動(dòng)作，防誤操作能力強(qiáng)，可靠性高。

機(jī)械與電氣控制相結(jié)合的防誤操作設(shè)計(jì)主要應(yīng)用于波音737系列飛機(jī)和ATR72系列飛機(jī)。電氣限動(dòng)均采用多組信號(hào)控制，如波音系列飛機(jī)使用電子控制裝置采集兩組反推力桿角位移信號(hào)，輸出雙通道信號(hào)控制連鎖裝置開鎖；ATR72系列飛機(jī)采用四組空地信號(hào)控制電磁限動(dòng)開鎖，均具有較高的可靠性。機(jī)械限動(dòng)不僅采用了獨(dú)立的反推力桿設(shè)計(jì)，還需要進(jìn)行正反推力桿裝換，具有明顯的可見動(dòng)作，防誤操作能力強(qiáng)。

反觀新舟飛機(jī)，雖然也采用了機(jī)械與電氣控制相結(jié)合的防誤操作設(shè)計(jì)，但由于飛機(jī)采用短艙內(nèi)置起落架布局，起落架支柱較長(zhǎng)，壓縮變形時(shí)間長(zhǎng)，位于主起落架上控制電磁限動(dòng)的空地開關(guān)輸出信號(hào)較晚，加之僅采用左起落架上的一組空地信號(hào)控制電磁限動(dòng)，信號(hào)單一，造成電磁限動(dòng)整體可靠性較差。機(jī)械限動(dòng)控制手柄位置設(shè)置較為隱蔽、不合理，易被機(jī)組誤動(dòng)而不易覺察，且已在外場(chǎng)運(yùn)營(yíng)過程中引起過不安全事件的發(fā)生。因此，對(duì)新舟系列飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)防誤操作系統(tǒng)重新優(yōu)化設(shè)計(jì)就顯得尤為迫切。

2 系統(tǒng)分析

研究表明，國(guó)外飛機(jī)在反推力桿或反推手柄防誤操作設(shè)計(jì)方面，主要采用了機(jī)械限動(dòng)和機(jī)械與電氣控制相結(jié)合的限動(dòng)方式。機(jī)械控制設(shè)計(jì)主要采用了雙桿控制布局，實(shí)現(xiàn)了反推力桿或反推手柄與正推力桿的分離，布局上兩者之間保持一定的距離，使得操作反推力桿或反推手柄時(shí)具有明顯的可見動(dòng)作。電氣控制設(shè)計(jì)方面均采用了多組信號(hào)控制方式，大大提升了系統(tǒng)的工作可靠性。反觀新舟在反推力防誤操作設(shè)計(jì)方面，雖采用了電氣與機(jī)械限動(dòng)相結(jié)合的設(shè)計(jì)思路，但飛行機(jī)組經(jīng)常抱怨防誤操作控制可靠性低、同步性差，機(jī)械限動(dòng)控制手柄易被誤動(dòng)、無法發(fā)現(xiàn)等缺陷。因此，改善系統(tǒng)防誤操作的可靠性是非常有必要的。

2.1 提升電磁限動(dòng)控制的可靠性

針對(duì)飛行機(jī)組反饋的電磁限動(dòng)可靠性低的問題，采集了大量的外場(chǎng)運(yùn)營(yíng)飛機(jī)的飛參數(shù)據(jù)，典型數(shù)據(jù)參見表1。

表1 輪速信號(hào)與空地信號(hào)對(duì)比分析表

飛參數(shù)據(jù)顯示，左、右主起落架支柱上的空地開關(guān)在使用過程中產(chǎn)生的信號(hào)均不穩(wěn)定，信號(hào)頻繁地出現(xiàn)通斷現(xiàn)象。而新舟飛機(jī)僅采用左主起落架上的空地開關(guān)控制電磁限動(dòng)的供電，這種單一的供電方式致使電磁限動(dòng)自動(dòng)解除控制的可靠性更低。

分析認(rèn)為，造成這種現(xiàn)象的根源在于飛機(jī)的著陸姿態(tài)和著陸速度。受飛機(jī)著陸姿態(tài)和著陸速度以及機(jī)場(chǎng)跑道條件的影響，飛機(jī)滑行過程中易出現(xiàn)顛簸現(xiàn)象，該現(xiàn)象易導(dǎo)致主起落架支柱的壓縮量不穩(wěn)定。受主起落架支柱壓縮量控制通斷的空地開關(guān)就會(huì)產(chǎn)生斷斷續(xù)續(xù)的輸出信號(hào)，最終影響到電磁限動(dòng)的頻繁通斷，通斷過程中產(chǎn)生的大電流易造成電磁限動(dòng)失效，無法自動(dòng)解除電磁限動(dòng)。

要提升電磁限動(dòng)自動(dòng)解除限動(dòng)控制的可靠性，就必須改善這種單一的供電控制方式。引入右主起落架上的空地開關(guān)輸出信號(hào)控制電磁限動(dòng)的供電，使左右主起落架上的空地開關(guān)輸出信號(hào)同時(shí)控制電磁限動(dòng)的供電，且任意一組供電線路接通，電磁限動(dòng)即可自動(dòng)解除限動(dòng)，確保電磁限動(dòng)工作的可靠性。

2.2 改善電磁限動(dòng)控制的滯后性

針對(duì)飛行機(jī)組反饋的電磁限動(dòng)同步性差的現(xiàn)象，分析認(rèn)為電磁限動(dòng)的同步性主要表現(xiàn)為滯后性問題，即電磁限動(dòng)自動(dòng)解除限動(dòng)控制的時(shí)機(jī)滯后于飛行機(jī)組感知的著陸時(shí)機(jī)。

飛行機(jī)組感知的飛機(jī)著陸時(shí)機(jī)主要是通過感知主起落架輪胎接地時(shí)產(chǎn)生的撞擊感而確認(rèn)的。

結(jié)合大量的飛參數(shù)據(jù)分析表明，飛機(jī)的著陸速度和著陸姿態(tài)，特別是飛機(jī)的載重量，對(duì)電磁限動(dòng)自動(dòng)解除限動(dòng)的影響較大。飛機(jī)的著陸速度越快，越不容易解除電磁限動(dòng)；飛機(jī)的著陸迎角越小，越不容易解除電磁限動(dòng)；飛機(jī)的載重量越小，越不容易解除電磁限動(dòng)。其核心原因是起落架支柱壓縮不到位，受主起落架支柱壓縮量控制通斷的空地開關(guān)無輸出信號(hào)，電磁限動(dòng)的供電未接通而不能及時(shí)自動(dòng)解除，機(jī)組無法在主起落架輪胎接地瞬間將功率桿收到飛行慢車以下的位置，實(shí)現(xiàn)降低飛機(jī)滑行速度的目的。由于主起落架支柱壓縮本身具有一定的延遲性，故這種控制方式本身就具有一定的滯后性。

對(duì)比飛機(jī)的各種參數(shù)，參見表1，結(jié)合大量的數(shù)據(jù)分析，以及新舟飛機(jī)的設(shè)計(jì)特點(diǎn)，發(fā)現(xiàn)飛機(jī)著陸時(shí)主起落架輪胎從接地瞬間就迅速轉(zhuǎn)動(dòng)起來，這與飛行機(jī)組感知的著陸接地時(shí)機(jī)是非常同步的。從飛參數(shù)據(jù)也可以看出，主起落架空地信號(hào)總是比輪速信號(hào)晚，最長(zhǎng)延遲6 s，統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)如圖1所示。

圖1 空地信號(hào)延遲時(shí)間統(tǒng)計(jì)分析圖

比較而言(參見表1)，輪速信號(hào)具有較高的穩(wěn)定性與連續(xù)性，能夠在主起落架輪胎觸地的瞬間迅速發(fā)出信號(hào)，作為電磁限動(dòng)自動(dòng)解除限動(dòng)控制信號(hào)，較之空地信號(hào)更為迅速有效。

目前，該項(xiàng)技術(shù)已廣泛應(yīng)用于新舟系列飛機(jī)上，再未出現(xiàn)電磁限動(dòng)控制滯后現(xiàn)象，深受用戶好評(píng)。

2.3 提升機(jī)械限動(dòng)的防誤操作能力

從人機(jī)界面角度及防誤操作能力來看，機(jī)械限動(dòng)現(xiàn)有的布局是將控制手柄布署在功率桿操作手柄的下方，機(jī)組在后拉功率桿的過程中，容易提拉機(jī)械限動(dòng)控制手柄，解除機(jī)械限動(dòng)，但防誤操作動(dòng)作不明顯。

從國(guó)外飛機(jī)的設(shè)計(jì)特點(diǎn)來看，反推力桿或反推手柄與正推力桿均保持一定的距離，且通過轉(zhuǎn)換裝置實(shí)現(xiàn)兩者之間的轉(zhuǎn)換，操縱反推力桿或反推手柄時(shí)，有明顯的伸長(zhǎng)手臂的動(dòng)作。新舟飛機(jī)要提升機(jī)械限動(dòng)的防誤操作能力，就必須對(duì)機(jī)械限動(dòng)控制手柄重新設(shè)計(jì)，改進(jìn)控制手柄的操作行程，使飛行機(jī)組在操作過程中具有明顯的手臂前探動(dòng)作。

對(duì)比改進(jìn)前后的機(jī)械限動(dòng)設(shè)計(jì)，如圖2所示，改進(jìn)后的機(jī)械限動(dòng)控制手柄相對(duì)于改進(jìn)前具有明顯的可見動(dòng)作，易被發(fā)現(xiàn)，手柄的外形、手感和防誤操作能力較之改進(jìn)前有了顯著的提升。

(a)改進(jìn)前設(shè)計(jì) (b)改進(jìn)后設(shè)計(jì)圖2 機(jī)械限動(dòng)防誤設(shè)計(jì)對(duì)比分析圖

3 結(jié)論

本文通過對(duì)比分析國(guó)內(nèi)外飛機(jī)在防誤操作設(shè)計(jì)方面的特點(diǎn)，針對(duì)新舟飛機(jī)防誤操作設(shè)計(jì)方面的不足，提出了新舟飛機(jī)防誤操作設(shè)計(jì)改進(jìn)的方向：

1) 采用空地信號(hào)與輪速信號(hào)相結(jié)合的控制方式控制飛行慢車電磁限動(dòng)，提高了系統(tǒng)的工作可靠性，改善了系統(tǒng)的工作滯后性；

2) 結(jié)合人機(jī)界面設(shè)計(jì)，降低了機(jī)械限動(dòng)的誤動(dòng)概率，提升了系統(tǒng)的防誤操作能力。