大型民用飛機飛行控制系統(tǒng)架構(gòu)發(fā)展趨勢

張新慧

摘 要：為了支持國內(nèi)民用飛機的研制發(fā)展，本文對大型民用飛機飛行控制系統(tǒng)的架構(gòu)進行了研究。回顧了國內(nèi)外典型民用飛機的發(fā)展歷史，分析了典型大型民用飛機飛行控制系統(tǒng)架構(gòu)的研制特點。通過相關適航條款的探究和研制經(jīng)驗總結(jié)，給出了一種適用于未來民用飛機的飛行控制系統(tǒng)架構(gòu)方案。為了滿足民用飛機市場競爭的需求，總結(jié)出大型飛機飛行控制系統(tǒng)的發(fā)展趨勢，為國內(nèi)大型飛機研發(fā)提供借鑒。

關鍵詞：民用飛機; 大型飛機; 飛行控制系統(tǒng); 系統(tǒng)架構(gòu); 電傳

中圖分類號：V249

文獻標識碼：A

文章編號：1673-5048（2020）06-0013-06

0 引? 言

民用飛機的最大特點就是要面對市場競爭，只有滿足安全可靠性、運營經(jīng)濟性和乘坐舒適性等方面需求，才能有更大的發(fā)展空間，然而對這些性能具有關鍵影響的系統(tǒng)之一就是飛行控制系統(tǒng)（簡稱飛控系統(tǒng)），因此，飛控系統(tǒng)架構(gòu)將會對民用飛機的發(fā)展前景產(chǎn)生重要影響作用。

國內(nèi)外民用飛機的飛控系統(tǒng)經(jīng)歷了多個發(fā)展階段：機械操縱的經(jīng)典飛控系統(tǒng)、增穩(wěn)與控制增穩(wěn)系統(tǒng)、電傳飛控系統(tǒng)階段[1]，總體上是按照操縱系統(tǒng)的實現(xiàn)方式進行發(fā)展的，這其中也伴隨有新增加的系統(tǒng)功能。其發(fā)展方向涉及飛控系統(tǒng)驅(qū)動飛機操縱面作動器的電動化[2]、自動化系統(tǒng)的使用及自動識別飛機的工作狀態(tài)和飛行階段的自動化[3-4]、撓性飛機的多目標飛行控制發(fā)展的靈活化[5]，以及通過控制飛機縫翼角度進行降噪的環(huán)?；痆6]等方面。通過研究分析主要民用飛機的飛控系統(tǒng)特點，站在全新整體飛機的角度提出一種系統(tǒng)架構(gòu)，同時，指明后續(xù)飛機飛控系統(tǒng)的發(fā)展方向，以支持研制立足于市場的民用飛機。

1 系統(tǒng)架構(gòu)發(fā)展

1.1 發(fā)展概況

當前在國際市場上比較有名的大型民用飛機主要是波音系列飛機和空客系列飛機，國內(nèi)也在大力研發(fā)民用飛機，它們的飛控系統(tǒng)架構(gòu)呈現(xiàn)了各自的研制特點。

1.2 波音飛機的飛控系統(tǒng)

波音飛機作為市場上民用飛機最長久的代表，其系列飛機經(jīng)歷了較多型號的發(fā)展，例如B707，B727，B737，B747，B757，B767，B777和B787等，其中最具典型特征的飛機是B737和B787。

B737飛機是民航歷史上最成功的窄體民航客機之一[7]，其飛行控制系統(tǒng)采用機械助力操縱系統(tǒng)，采用兩套常規(guī)的駕駛盤/腳蹬為主的操縱輸入，通過鋼索滑輪傳遞操縱指令，通過液壓作動器驅(qū)動主要舵面（包括副翼、方向舵、升降舵、前緣縫翼和擾流板），其中，后緣襟翼和水平安定面作動器采用115 V交流電源通過電纜傳輸指令進行驅(qū)動。在副翼和升降舵舵面設置有調(diào)整片和自動駕駛儀伺服作動器，在副翼和方向舵通道設置有配平作動器。B737飛機的操縱系統(tǒng)是一套經(jīng)典的帶助力的操縱系統(tǒng)。

B787飛機是當前波音系列飛機中最新代表，它的飛控系統(tǒng)采用了電傳操縱系統(tǒng)，其飛控系統(tǒng)架構(gòu)[8]如圖1所示，實現(xiàn)了主飛控系統(tǒng)、高升力系統(tǒng)以及自動

飛控系統(tǒng)的功能綜合。其采用了雙套駕駛盤/腳蹬為主發(fā)送控制指令，以四臺飛行控制計算機為核心的系統(tǒng)架構(gòu)，通過遠程電子單元（REU，Remote Electronic Unit）控制液壓作動器完成主要舵面（副翼、方向舵、升降舵以及大部分擾流板）的控制，其中少部分擾流板作動器和水平安定面采用電作動器進行驅(qū)動，后緣襟翼和前緣縫翼采用以液壓馬達驅(qū)動為主、以電動馬達驅(qū)動為輔的控制方式。

波音飛機具有一定的繼承性，其飛行控制系統(tǒng)架構(gòu)由機械操縱系統(tǒng)發(fā)展到電傳飛控系統(tǒng)，同時，具有以下特點：（1）采用駕駛盤/腳蹬為主發(fā)送控制指令; （2）計算機集成化，合并了系統(tǒng)功能，減少了計算機數(shù)量; （3）向多電方向發(fā)展，部分舵面逐步采用了交流電源驅(qū)動; （4）采用了一定的新技術，比如遠程電子單元和可獨立運動的內(nèi)外襟翼，減輕了傳輸電纜的重量，減少飛機飛行中的阻力。

1.3 空客民機的飛控系統(tǒng)

空客飛機作為大型民用電傳飛機的代表，其系列飛機也經(jīng)過了多型號的發(fā)展，例如A320，A330，A340，A350和A380等，其中具有典型代表的飛機是A320和A380。

A320飛機采用被動側(cè)桿取代了傳統(tǒng)的中央桿盤控制機構(gòu)[9]，是第一架采用側(cè)桿控制的電傳控制系統(tǒng)的民用飛機，其飛控系統(tǒng)架構(gòu)如圖2所示。采用兩套側(cè)桿進行駕駛員控制輸入，采用9個飛行控制計算機，其中7個計算機根據(jù)正常、備用或者直連模態(tài)處理飛行員和自動駕駛儀的輸入[10]，可完成副翼、方向舵、升降舵、水平安定面以及擾流板的控制; 2個計算機用來處理襟翼控制手柄的指令，可完成襟翼和縫翼的控制。需要說明的是，其方向舵和水平安定面設置有機械備用操縱方式。

A380飛機是當前營運載客量最大的一種大型民用飛機。其飛控系統(tǒng)架構(gòu)[11]（如圖3所示）采用兩套側(cè)桿進行駕駛員的控制輸入，采用9個飛行控制計算機系統(tǒng)，其中7個計算機系統(tǒng)可以按照正常控制、輔助控制以及電子備用系統(tǒng)處理飛行員的輸入，完成副翼、方向舵、升降舵、水平安定面以及擾流板的作動器驅(qū)動控制; 2個計算機用來處理襟翼控制手柄的指令，可完成襟翼和縫翼的液壓驅(qū)動控制。需要說明的是，其副翼和升降舵設置有電靜液作動器（EHAs，Electro-Hydrostatic Actuators），少量擾流板和方向舵設置有電備份液壓作動器（EBHAs，Electrical Backup Hydraulic Actuators），水平安定面和縫翼設置有電動馬達驅(qū)動方式。

空客飛機也具有一定的延續(xù)性，其飛行控制系統(tǒng)架構(gòu)是在革新的電傳飛控基礎上向多電化方向發(fā)展，具有以下特點：（1）采用側(cè)桿/腳蹬為主發(fā)送控制指令; （2）計算機分布化，機械備用系統(tǒng)發(fā)展為電子備用系統(tǒng); （3）向多電方向發(fā)展，部分舵面逐步采用了交流電源驅(qū)動; （4）采用了其他的新技術，比如多種類型作動器和可獨立運動的內(nèi)外襟翼，提高系統(tǒng)舵面驅(qū)動的多樣性和減少飛機飛行中的阻力。

1.4 國內(nèi)民機的飛控系統(tǒng)

飛控系統(tǒng)的發(fā)展分為機械操縱的經(jīng)典飛控系統(tǒng)、增穩(wěn)與控制增穩(wěn)系統(tǒng)以及電傳飛控系統(tǒng)階段，而國內(nèi)已經(jīng)運營的民用飛機也經(jīng)歷了這樣一個發(fā)展過程，由初期的帶自動駕駛儀的機械操縱系統(tǒng)（MA600飛機）逐步發(fā)展到疊加自動飛行控制系統(tǒng)的電傳飛控系統(tǒng)（ARJ21-700飛機）。ARJ21-700飛機為中程支線民用客機，其自動飛行控制系統(tǒng)架構(gòu)如圖4所示。

在試飛中的民用飛機C919，飛控系統(tǒng)則采用“電傳飛行控制+部分電功率、無機械備份”[8]的電傳飛控系統(tǒng)。在電傳飛控系統(tǒng)的設計過程中，也有研究提出基于共模故障的終極備份方案，其中雙伺服回路作動器設計終極備份[13]架構(gòu)如圖5所示。遠程寬體客機采用多電飛機技術、先進氣動設計等提高飛機綜合性能[14]。在可以預見的將來，采用光傳控制技術以及結(jié)合人工智能技術完成氣動設計理念新的革命[15]的氣動設計學科，將帶動飛控系統(tǒng)取得較大發(fā)展。

2 新的系統(tǒng)架構(gòu)

2.1 架構(gòu)分析綜述

縱觀大型民用飛機飛控系統(tǒng)架構(gòu)的發(fā)展歷史特點，每個時代的飛機都充分利用了當時能夠達到的航空技術水平，才能夠占有民用航空市場的一席之地。波音飛機從機械操縱系統(tǒng)發(fā)展到了電傳飛控系統(tǒng)，空客飛機以創(chuàng)新的電傳飛控系統(tǒng)起家逐漸拓展新功能，而國內(nèi)才剛進入電傳飛控系統(tǒng)階段，只有不斷創(chuàng)新并利用最新技術才能滿足市場的需求。深入分析CCAR25.671條款[16]和CCAR25.1309條款等相關要求，明確系統(tǒng)故障綜合和功能安全共因等問題，基于適航研究的指導意義，利用現(xiàn)代的新技術，構(gòu)建一個有潛力的飛控系統(tǒng)架構(gòu)方案，拓展發(fā)展領域技術，支持民用飛機發(fā)展。

2.2 系統(tǒng)架構(gòu)方案

本文提出的系統(tǒng)架構(gòu)能夠適用于多型民用飛機，例如一種較為先進的飛機氣動外形——翼身融合體飛機[17]。其飛控系統(tǒng)架構(gòu)（如圖6所示）采用單套備用操縱裝置進行駕駛員控制輸入，每軸向配置2個控制指令傳感器提供備用操縱裝置的指令。采用5個飛控計算機系統(tǒng)，其中3個計算機系統(tǒng)可以按照正常自動控制或者輔助自動控制處理飛行員的規(guī)劃指令，其他2個計算機系統(tǒng)輔助執(zhí)行自動控制計算機指令，可完成副翼、方向舵、升降舵、襟翼、縫翼、水平安定面以及擾流板的控制; 這2個計算機系統(tǒng)還可以用來處理備用操縱裝置的指令，在應急條件下可以超越自動控制計算機執(zhí)行舵面控制指令，同樣可完成副翼、方向舵、升降舵、襟翼、縫翼、水平安定面以及擾流板的控制。對于飛控計算機系統(tǒng)控制和調(diào)參的關鍵信號也應當設置5個，采用不同的2種類型。在作動器端設置2種采用不同電子硬件的遠程電子單元與自動控制計算機和備用人工控制器進行通信。每塊副翼、方向舵和升降舵都配置2臺簡單作動器，每塊擾流板配置1臺作動器，水平安定面配置雙控制通道的單臺作動器，縫翼和襟翼都配置雙控制通道的單臺驅(qū)動作動器，其中多塊襟翼之間配置單臺差動驅(qū)動作動器。在舵面驅(qū)動能源配置中，俯仰通道升降舵配置液壓能源，水平安定面配置電源驅(qū)動，滾轉(zhuǎn)通道副翼配置液壓能源驅(qū)動，擾流板配置電源驅(qū)動，航向通道分上、下方向舵，配置液壓能源和電源驅(qū)動，縫翼和襟翼都采用電源驅(qū)動。

該系統(tǒng)架構(gòu)是基于智能控制理念提出的，飛機的正常飛行完全由自動控制計算機執(zhí)行，駕駛員的作用主要是確認規(guī)劃和備用狀態(tài)下進行操縱，因而只需要配置一名駕駛員，也可以在監(jiān)控顯示屏觸摸或音頻輸入指令操縱備用裝置，這將影響駕駛艙的操縱理念[18]; 在計算機技術發(fā)展的基礎上，自動控制計算機是可拓展的，完全可以集成所有系統(tǒng)的功能，實現(xiàn)整個飛行過程的綜合管理，即超級飛行管理系統(tǒng); 在總線通信技術進步的條件下，采用遠程電子單元完成驅(qū)動終端的指令處理，有效降低傳輸電纜的重量; 在電功率作動器的發(fā)展下，優(yōu)化分配作動器的能源配置，不但滿足安全余度的要求，而且靈活的配置也為后續(xù)功能的拓展提供了條件。為實現(xiàn)該架構(gòu)，需要倡導設計理念的改變，可以通過加強自動化、總線及無線通信、電功率作動器以及最優(yōu)氣動力設計等研究，最終得以在新型號上應用。

對比國內(nèi)外大型民用飛機的系統(tǒng)架構(gòu)，該系統(tǒng)從指令發(fā)送方式、計算機的應用、作動器多電能源配置以及新技術的使用等多方面進行了拓展，不但滿足適航的要求，而且充分利用了當代先進技術。能夠在有效降低飛控系統(tǒng)重量、減少飛控系統(tǒng)成品數(shù)量、滿足適航安全性的基礎上，縮減駕駛員數(shù)量，大幅降低飛控系統(tǒng)的使用成本，增加國內(nèi)飛機在國際市場上的競爭力。

3 系統(tǒng)架構(gòu)發(fā)展趨勢

民用飛機在發(fā)展過程中需要不斷的創(chuàng)新，才能滿足市場競爭的需求，而對于飛機飛控系統(tǒng)架構(gòu)的發(fā)展方向則需要不斷探索，在滿足安全性基礎上，追求系統(tǒng)重量最小、功能更多、性能更優(yōu)，為此需要在多個方面進一步探索發(fā)展。

（1） 飛機氣動外形設計優(yōu)化。涉及到飛控系統(tǒng)需要有多個方面的技術支持，例如靜不穩(wěn)定的飛機、多舵面耦合控制、隨重心調(diào)節(jié)控制、仿生氣動外形以及主動流表面設計等，這將使飛控系統(tǒng)架構(gòu)更加多樣化，其涉及舵面的驅(qū)動方式也更加靈活。

（2） 飛機結(jié)構(gòu)減重設計。涉及飛控系統(tǒng)的設備和新功能，例如最小化驅(qū)動設備的外形、仿生結(jié)構(gòu)設計舵面的驅(qū)動、載荷減緩功能等，這就需要飛控系統(tǒng)的作動器擁有更好的性能而體積重量最小化。

（3） 舒適性設計需求。飛控系統(tǒng)需要增加多項功能，例如直接升力控制（增加舵面控制升力功能或者發(fā)動機矢量控制）、突風過載保護功能以及噪聲減緩功能[19]（增加縫翼和襟翼適量偏轉(zhuǎn)）等，新功能讓飛控系統(tǒng)變得更加多功能化。

（4） 系統(tǒng)架構(gòu)實現(xiàn)的方法改進。主要涉及駕駛艙設計理念（智能化、駕駛員監(jiān)控角色）、計算機技術發(fā)展（小型化、模塊化、飛行管理化）、信號傳輸方式（輕量化、總線化-光傳飛行控制系統(tǒng)[20]）、舵面驅(qū)動方式（舵面功能余度分配、高壓液壓源、電功率作動器[21]、備用調(diào)整片）以及提升可靠性（自檢測技術[22]、余度容錯方案[23]）等，更多的挑戰(zhàn)讓飛控系統(tǒng)趨于現(xiàn)代化。