有了“它”，開飛機(jī)，so easy

薛驍

人在開車的時(shí)候會(huì)根據(jù)目的地規(guī)劃路徑，開車過程中根據(jù)實(shí)時(shí)路況變道、加減速度甚至更改路線，這一切大都離不開人的計(jì)算、思考和操作。近幾年，各大科技公司、汽車廠商不惜重金砸向無人駕駛汽車項(xiàng)目，無非就是想在汽車上實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)對(duì)人的替代，而自動(dòng)飛行控制系統(tǒng)讓飛機(jī)早就具備了這一功能。

一次偉大的飛行

一切還要從百余年前的一次飛行說起。1914年，巴黎航展上，年輕的勞倫斯？斯佩里和他的助手胸有成竹地起飛了，平穩(wěn)的飛行似乎并沒有什么新奇。

而當(dāng)飛機(jī)低飛接近人群時(shí)，觀眾們清楚地看到勞倫斯站在機(jī)艙里，雙手高高舉過頭頂，他的助手則爬出機(jī)艙，走上一側(cè)機(jī)翼。現(xiàn)場的人們都震驚了——這架飛機(jī)在沒有人操縱的情況下竟然也能正常飛行！接著，助手走到機(jī)身后部，飛機(jī)一下子失去了平衡，然而，在不需要駕駛員操作的情況下，飛機(jī)很快又恢復(fù)了正常，平穩(wěn)地繼續(xù)飛行。

飛機(jī)一落地，勞倫斯就成了名人，而這次飛行也成為人類歷史上第一次自動(dòng)飛行。

實(shí)現(xiàn)這次偉大飛行的關(guān)鍵器件是由陀螺控制的自動(dòng)駕駛儀，其裝備的4個(gè)陀螺儀能感受飛機(jī)的姿態(tài)和航向，發(fā)送指令給飛行操縱面的伺服裝置，自動(dòng)糾正偏航、俯仰和滾轉(zhuǎn)趨勢(shì)，實(shí)現(xiàn)飛機(jī)的平穩(wěn)飛行。這就解釋了為什么勞倫斯在駕駛艙里高舉雙手，不進(jìn)行任何操作，飛機(jī)仍然能糾正姿態(tài)正常飛行。

此后，隨著技術(shù)的發(fā)展，自動(dòng)駕駛儀的功能也越來越完善。到了20世紀(jì)60年代，自動(dòng)駕駛儀可以接收無線電導(dǎo)航、慣性導(dǎo)航的指令輸入，增加了外回路控制部分。而隨著民航的發(fā)展，對(duì)飛機(jī)自動(dòng)進(jìn)近、自動(dòng)著陸的要求進(jìn)一步擴(kuò)大了自動(dòng)駕駛儀外回路控制部分，其與自動(dòng)油門結(jié)合后形成了較為完整的自動(dòng)飛行控制系統(tǒng)。

目前，自動(dòng)飛行控制系統(tǒng)已發(fā)展為集飛行導(dǎo)引控制系統(tǒng)、自動(dòng)推力、自動(dòng)著陸、飛行包線保護(hù)、告警通告等為一體的復(fù)雜系統(tǒng)。除起飛階段外，其他飛行階段均可以通過計(jì)算機(jī)進(jìn)行自動(dòng)控制。

對(duì)人的部分替代

當(dāng)人控制飛行時(shí)，他會(huì)通過儀表盤等知道飛機(jī)的位置、速度、姿態(tài)等信息，通過大腦進(jìn)行計(jì)算，明確如何操縱側(cè)桿、腳蹬等來控制飛機(jī)。

而當(dāng)自動(dòng)飛行控制系統(tǒng)控制飛行時(shí)，它也會(huì)像人一樣獲取各種信息，例如，導(dǎo)航的大氣數(shù)據(jù)系統(tǒng)會(huì)為其提供大氣數(shù)據(jù)信息，從而確定飛機(jī)的速度和高度；慣導(dǎo)系統(tǒng)會(huì)提供飛機(jī)的姿態(tài)信息以及在幾個(gè)方向上的過載、爬升率和下降率；發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)會(huì)提供其自身當(dāng)下的工作狀態(tài)信息；飛行管理系統(tǒng)會(huì)提供規(guī)劃好的路徑，給自動(dòng)飛行控制系統(tǒng)發(fā)送指令，即下一步到哪兒、怎么飛。自動(dòng)飛行控制系統(tǒng)對(duì)上述輸入進(jìn)行解析后，輸出指令給主飛控系統(tǒng)，通過主飛控系統(tǒng)控制舵面，實(shí)現(xiàn)平穩(wěn)飛行。

“這種對(duì)人的駕駛功能的部分替代是自動(dòng)飛行控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的主要出發(fā)點(diǎn)之一?！敝袊田w上飛院飛管系統(tǒng)部自動(dòng)飛行室主任柯劼介紹道。目前，民航飛行通常采用兩人機(jī)組，除操縱飛機(jī)外，正副駕駛還要完成檢查、空地對(duì)話等很多任務(wù)。在長時(shí)間巡航過程中，飛行員對(duì)飛機(jī)的操縱很單一。“飛行員大多數(shù)時(shí)候都是根據(jù)空管給的指令，沿著一條建在空中的‘高速公路飛行，整個(gè)巡航階段飛機(jī)的機(jī)動(dòng)比較小。這時(shí)候，自動(dòng)飛行系統(tǒng)的介入就解放了飛行員的雙手雙腳，減輕了飛行員在長時(shí)間，尤其是跨國、跨洋飛行中的工作負(fù)擔(dān)。全程手動(dòng)控制飛機(jī)對(duì)飛行員來說，無論是在生理上還是心理上都是一種考驗(yàn)。就像一直開高速，人也會(huì)疲憊一樣?！?/p>

通常，利用自動(dòng)飛行控制系統(tǒng)，飛行員可以通過兩種模式來控制飛機(jī)：管理模式和選擇模式。

說起管理模式，就不得不提到飛行管理系統(tǒng)，其主要功能是對(duì)飛行計(jì)劃進(jìn)行管理，也就是規(guī)劃了飛機(jī)從起飛機(jī)場到目標(biāo)機(jī)場如何飛行的全路徑。它具有強(qiáng)大的導(dǎo)航計(jì)算、性能計(jì)算和制導(dǎo)功能，可以實(shí)現(xiàn)飛機(jī)的全自動(dòng)導(dǎo)航，提供從起飛到進(jìn)近著陸的最優(yōu)水平飛行軌跡和垂直飛行剖面。在這種模式下，自動(dòng)飛行控制系統(tǒng)根據(jù)飛行管理系統(tǒng)的指令進(jìn)行飛行，這也是在實(shí)際飛行中使用較多的模式。

然而，由于每片空域的繁忙程度、飛機(jī)的實(shí)時(shí)飛行情況可能不會(huì)完全與飛行管理系統(tǒng)預(yù)設(shè)的情況一致，這時(shí)，空管就會(huì)給飛行員指令，飛行員就要通過選擇模式進(jìn)行控制。就像一些汽車雖然有定速巡航模式，但是真正開到路上的時(shí)候，駕駛員也不能一直用定速巡航，即便在高速公路上，也需要根據(jù)實(shí)時(shí)路況進(jìn)行調(diào)整。

通常，在駕駛艙遮光罩的中央，有一塊飛行模式控制板（FMCP），飛行員可以通過它選擇不同的自動(dòng)飛行模式?！癈919飛機(jī)共有二十多種模式，每種模式都有其特點(diǎn)。例如，高度保持模式可以讓飛機(jī)保持在固定的高度飛行，垂直速度模式就是保持固定的爬升率或者下降率，達(dá)到飛行員設(shè)定的目標(biāo)高度。航向/航跡選擇模式能幫助飛行員從當(dāng)前的航向/航跡轉(zhuǎn)變到其選擇的目標(biāo)航向/航跡，”柯劼介紹說，“航線運(yùn)行中飛機(jī)所需完成的所有動(dòng)作都可以通過這二十多種飛行模式來實(shí)現(xiàn)?！?/p>

CATⅢa自動(dòng)著陸功能

眾所周知，進(jìn)近著陸階段是飛行過程中的事故高發(fā)階段，此時(shí)飛行員需要進(jìn)行的操作較多，若是再遇到大霧、雨雪等天氣，能見度較低，更是對(duì)飛行員心理素質(zhì)和專業(yè)素質(zhì)的雙重考驗(yàn)。

若是在這一過程中能利用精密的電子設(shè)備輔助飛行員進(jìn)行降落著陸，豈不大大減小了飛行員的壓力？貼心的飛機(jī)設(shè)計(jì)師們?cè)缇涂紤]到了這一點(diǎn)。C919飛機(jī)自動(dòng)飛行控制系統(tǒng)所具備的CATⅢa自動(dòng)著陸功能可以幫助飛行員在能見度較低的情況下完成安全著陸。

CATⅢa自動(dòng)著陸屬于一種精密進(jìn)近著陸。國際通用的精密進(jìn)近著陸等級(jí)一般按照能見度條件劃分，即綜合考慮決斷高度（DH）和跑道視距（RVR）兩個(gè)因素，將精密進(jìn)近著陸等級(jí)劃分為Ⅰ、Ⅱ和Ⅲ類。前兩類為精密進(jìn)近著陸，最后一類即自動(dòng)著陸，其中自動(dòng)著陸等級(jí)又分為三類，分別為CATⅢa、CATⅢb、CATⅢc。

“CATⅢa是指跑道視距在600英尺、決斷高度50英尺的時(shí)候才能建立目視參考的氣象條件，”柯劼介紹道，“C919自動(dòng)飛行控制系統(tǒng)所具備的CATⅢa自動(dòng)著陸功能要保證在這種情況下，能夠自動(dòng)地控制飛機(jī)安全落地。在多霧地區(qū)或能見度不高的情況下，CATⅢa自動(dòng)著陸能保證航班的準(zhǔn)點(diǎn)率，提高航空公司的運(yùn)行效率，節(jié)約成本?！?/p>

此時(shí)，要保證飛機(jī)能夠安全著陸，對(duì)自動(dòng)飛行控制系統(tǒng)來說是個(gè)不小的挑戰(zhàn)。這就需要自動(dòng)飛行控制系統(tǒng)的控制律能夠根據(jù)導(dǎo)航系統(tǒng)提供的信號(hào)對(duì)飛機(jī)下降率、航向等進(jìn)行調(diào)整，確保飛機(jī)速度方向始終與跑道中心線保持一致。“CATⅢa自動(dòng)著陸功能的設(shè)計(jì)研發(fā)在國內(nèi)尚屬首次，我們?cè)趯?duì)標(biāo)國際先進(jìn)的基礎(chǔ)上，努力探索適合C919飛機(jī)的設(shè)計(jì)，讓我們的國產(chǎn)大飛機(jī)在今后進(jìn)入市場時(shí)能夠更具競爭優(yōu)勢(shì)?！?/p>