戴閏志,楊士斌,馬立群,黃銘媛
(1. 中國(guó)民用航空上海航空器適航審定中心,上海 200335;2. 中國(guó)民航大學(xué)適航學(xué)院,天津 300300)
當(dāng)前運(yùn)輸類(lèi)飛機(jī)適航規(guī)章25.1309(b)(1)款規(guī)定[1],飛機(jī)系統(tǒng)發(fā)生任何災(zāi)難性失效狀態(tài)是極不可能的,且均不會(huì)因單個(gè)失效而引起,即要求飛機(jī)系統(tǒng)發(fā)生災(zāi)難性失效狀態(tài)的概率應(yīng)小于10-9,且要求不能發(fā)生單點(diǎn)失效,不論失效概率是否低于10-9。相應(yīng)的咨詢(xún)通告中給出了滿(mǎn)足25.1309(b)(1)款的符合性方法:飛機(jī)系統(tǒng)應(yīng)滿(mǎn)足“失效-安全”設(shè)計(jì)理念?!笆?安全”要求的目標(biāo)為:在任何系統(tǒng)或子系統(tǒng)中,任何一次飛行期間的任何單個(gè)組件、部件或連接的故障都應(yīng)該被假定,而不管其概率如何。這些單個(gè)故障不應(yīng)造成災(zāi)難性失效狀態(tài)。
當(dāng)前主流運(yùn)輸類(lèi)飛機(jī),如波音B777、B787和空客A380、A350等,普遍采用了電傳飛行控制系統(tǒng)。對(duì)飛控系統(tǒng)進(jìn)行功能危害性分析(FHA)可得飛控系統(tǒng)喪失任一軸控制的影響等級(jí)都是災(zāi)難性的,因而其失效概率應(yīng)設(shè)計(jì)為極不可能(即失效概率小于1e-9)。通過(guò)分析和工程經(jīng)驗(yàn)總結(jié)得出影響這種綜合復(fù)雜系統(tǒng)安全性的故障來(lái)源包括隨機(jī)物理故障和設(shè)計(jì)差錯(cuò)等。針對(duì)已知的隨機(jī)物理故障通過(guò)余度架構(gòu)設(shè)計(jì)可實(shí)現(xiàn)失效概率要求[2],而針對(duì)設(shè)計(jì)差錯(cuò)采用ARP 4754建議的研制過(guò)程保證的方法進(jìn)行差錯(cuò)避免[3],但不能消除差錯(cuò),仍有可能發(fā)生因未知故障或差錯(cuò)引起共模故障而導(dǎo)致電傳系統(tǒng)整體失效,因此需要考慮電傳系統(tǒng)失效后的應(yīng)對(duì)措施。另一方面根據(jù)“失效-安全”要求,不論概率如何任何系統(tǒng)都應(yīng)假定其可能失效,因此需要考慮在電傳飛控系統(tǒng)喪失的情況下,運(yùn)輸類(lèi)飛機(jī)如何保證對(duì)飛機(jī)的持續(xù)控制。當(dāng)前歐美運(yùn)輸類(lèi)飛機(jī)機(jī)型都設(shè)計(jì)有電傳飛控系統(tǒng)喪失后的終極備份控制系統(tǒng),保證飛機(jī)繼續(xù)可控,以緩解電傳飛控由單點(diǎn)失效或共模故障[4]等事件引起的完全失效。
終極備份系統(tǒng)是指在電傳飛控系統(tǒng)失效的情況下對(duì)飛機(jī)可控的最終備份控制方法。本文首先介紹了當(dāng)前波音和空客主流機(jī)型在電傳飛控系統(tǒng)失效后采用的終極備份情況,對(duì)比分析了波音和空客系列終極備份方法的區(qū)別。通過(guò)仿真某運(yùn)輸類(lèi)飛機(jī)機(jī)型在不同終極備份控制方法下飛機(jī)的穩(wěn)定性和操縱性,分析終極備份的方法、目的和設(shè)計(jì)中的考慮。
波音第一架電傳飛控機(jī)型B777的終極備份是機(jī)械備份,在全部電源喪失后,可以通過(guò)對(duì)4號(hào)和11號(hào)擾流板及水平安定面的機(jī)械鏈接提供控制,如圖1所示。飛行員通過(guò)駕駛艙內(nèi)的駕駛盤(pán)機(jī)械操縱4號(hào)和11號(hào)擾流板液壓作動(dòng)器的閥,直接驅(qū)動(dòng)擾流板;通過(guò)備用平尾配平手柄機(jī)械操縱平尾控制模塊的閥,液壓作動(dòng)水平安定面,以使駕駛員可以水平直線飛行,直到電源系統(tǒng)重新啟動(dòng)[5]。
圖1 B777飛控系統(tǒng)舵面布置
B787飛控系統(tǒng)的終極備份形式同B777一致,采用水平安定面和一對(duì)擾流板保證對(duì)飛機(jī)俯仰和滾轉(zhuǎn)的控制,但采用了電備份的形式[6]。
對(duì)于俯仰軸,飛行員操縱中央控制臺(tái)上的備用俯仰配平開(kāi)關(guān),備份系統(tǒng)不經(jīng)過(guò)作動(dòng)器控制電子(ACE)和飛行控制模塊(FCM),直接將開(kāi)關(guān)信號(hào)發(fā)送給水平安定面的EMCU(電子馬達(dá)控制單元),通過(guò)機(jī)電作動(dòng)器(Electromechanical Actuator,EMA)驅(qū)動(dòng)平尾運(yùn)動(dòng)。對(duì)于滾轉(zhuǎn)軸,飛行員操縱桿盤(pán)上的滾轉(zhuǎn)控制撥輪,備份系統(tǒng)不經(jīng)過(guò)ACE和FCM,直接將對(duì)應(yīng)的傳感器信號(hào)發(fā)送給兩塊擾流板的EMCU,通過(guò)馬達(dá)配平作動(dòng)器(EMA)驅(qū)動(dòng)擾流板運(yùn)動(dòng)。
圖2 B787飛控系統(tǒng)舵面布置
綜上可知:波音機(jī)型的終極備份系統(tǒng),采用一對(duì)擾流板控制滾轉(zhuǎn),采用水平安定面控制俯仰。這樣的備份系統(tǒng),可在電傳飛控系統(tǒng)失效后,提供一定的控制能力,在短時(shí)間內(nèi)維持飛機(jī)姿態(tài),等待系統(tǒng)重啟。據(jù)有資料顯示波音的備份系統(tǒng)很難達(dá)到飛控系統(tǒng)最小可接受控制(MAC,Minimum Acceptable Control)的要求,并不能實(shí)現(xiàn)持續(xù)安全飛行和著陸。
1) A320機(jī)型
空客第一架電傳飛控機(jī)型A320的終極備份形式為:在電傳飛控系統(tǒng)完全喪失后(或所有飛控計(jì)算機(jī)均失效),采用了方向舵和水平安定面的機(jī)械備份形式[7]。
飛行員可通過(guò)腳蹬直接控制方向舵,通過(guò)平尾人工配平手輪控制水平安定面,為飛機(jī)提供一定的偏航和俯仰控制能力。對(duì)于偏航軸,飛行員操縱腳蹬,備份系統(tǒng)不經(jīng)過(guò)飛控計(jì)算機(jī),直接通過(guò)機(jī)械連接將飛行員指令發(fā)送給方向舵動(dòng)力控制單元(PCU),從而驅(qū)動(dòng)方向舵運(yùn)動(dòng);對(duì)于俯仰軸,飛行員撥動(dòng)平尾人工配平手輪,備份系統(tǒng)不經(jīng)過(guò)飛控計(jì)算機(jī),直接通過(guò)機(jī)械連接實(shí)現(xiàn)平尾控制,且機(jī)械控制的權(quán)限高于電氣控制[8]。
A320終極備份設(shè)計(jì)為使得飛行員安全地穩(wěn)定飛行軌跡,同時(shí)嘗試恢復(fù)控制律或重啟系統(tǒng),但是這種構(gòu)型下飛機(jī)不能進(jìn)近和著陸。如圖3所示為A320飛控系統(tǒng)架構(gòu)。
圖3 A320飛控系統(tǒng)架構(gòu)
2) A340機(jī)型
A340飛機(jī)采用了同A320一致的終極備份系統(tǒng),通過(guò)機(jī)械連接方向舵和水平安定面提供控制。2002年取證的A340-600機(jī)型需要精確進(jìn)行方向舵控制來(lái)抑制結(jié)構(gòu)振動(dòng),因此終極備份形式采用了完全電氣操縱方向舵,其帶有自主的能源轉(zhuǎn)換器(從液壓到電氣),完全獨(dú)立于主和輔助飛控計(jì)算機(jī)。它綜合了偏航速率陀螺、腳蹬傳感器和方向舵伺服控制回路[8]。如圖4所示為A340飛控系統(tǒng)架構(gòu)。
圖4 A340飛控系統(tǒng)架構(gòu)
3) A380機(jī)型
A380的終極備份采用了電氣備份形式。在所有的主和備用計(jì)算機(jī)或者它們的電源供給失效情況下,由電氣備份系統(tǒng)控制飛機(jī),取代了以往的直接機(jī)械備份操縱。備份控制模塊(BCM)對(duì)飛機(jī)的水平安定面、全部方向舵、內(nèi)側(cè)副翼和內(nèi)側(cè)升降舵提供應(yīng)急電氣備份控制[9]。
圖5 A380飛控系統(tǒng)架構(gòu)
A380采用模擬備份控制模塊(Backup Control Module,BCM)控制,接收側(cè)桿、腳蹬和俯仰配平開(kāi)關(guān)的指令,控制一對(duì)內(nèi)副翼、一對(duì)內(nèi)升降舵、兩塊方向舵和水平安定面運(yùn)動(dòng)。因此,在完全喪失3臺(tái)PRIM和3臺(tái)SEC后,BCM可針對(duì)飛機(jī)三軸提供必要的飛行控制和穩(wěn)定性。BCM電氣備份系統(tǒng)的控制律具有俯仰阻尼、偏航阻尼和直接滾轉(zhuǎn)功能,不僅能在空中維持飛機(jī)姿態(tài),還可實(shí)現(xiàn)安全飛行和著陸。
4) A350機(jī)型
A350采用數(shù)字BCM控制,包含一對(duì)副翼、一對(duì)升降舵、方向舵。BCM內(nèi)部有2個(gè)陀螺儀,可產(chǎn)生俯仰和偏航角速率信號(hào),提供俯仰和偏航阻尼功能。BCM接收側(cè)桿和腳蹬的指令,進(jìn)行直接控制律計(jì)算,控制部分液壓伺服作動(dòng)器運(yùn)動(dòng),對(duì)應(yīng)的控制舵面有:左升降舵(外側(cè)作動(dòng)器)、右升降舵(外側(cè)作動(dòng)器)、方向舵(上作動(dòng)器)、左內(nèi)副翼(外側(cè)作動(dòng)器)和右內(nèi)副翼(外側(cè)作動(dòng)器)。
圖6 A350飛控系統(tǒng)舵面作動(dòng)架構(gòu)
綜上所述,空客系列機(jī)型從A320/A340到A380/A350的終極備份發(fā)展從能源形式、控制舵面和功能上可以總結(jié)為以下:從機(jī)械備份形式發(fā)展到電氣模擬備份、再到A350的電氣數(shù)字備份;從采用方向舵控制偏航、水平安定面控制俯仰,擴(kuò)展到采用方向舵、升降舵和副翼作為備份舵面,其安全余度達(dá)到了前所未有的高度;從僅能在空中維持飛機(jī)姿態(tài),發(fā)展到還可實(shí)現(xiàn)安全飛行和著陸、以及必要的控制功能。
下表展示了波音與空客機(jī)型的終極備份方法的匯總。
表1 波音與空客機(jī)型終極備份方法
通過(guò)以上對(duì)比分析終極備份的形式可得,波音和空客終極備份的相同處在于:
終極備份都在兩個(gè)軸上具備了控制能力;備份形式從機(jī)械發(fā)展到電氣備份;備份舵面和備份余度增加,功能也在增強(qiáng)。
不同的是:
1) 波音的終極備份系統(tǒng)通過(guò)俯仰和滾轉(zhuǎn)軸進(jìn)行控制,采用水平安定面控制俯仰、一對(duì)擾流板控制滾轉(zhuǎn)。波音的備份系統(tǒng)很難達(dá)到飛控系統(tǒng)最小可接受控制(MAC, Minimum Acceptable Control)的要求,并不能實(shí)現(xiàn)持續(xù)安全飛行和著陸。這樣的備份系統(tǒng),可在電傳飛控系統(tǒng)失效后,提供一定的控制能力,在短時(shí)間內(nèi)維持飛機(jī)姿態(tài),等待系統(tǒng)重啟。
2) 空客的終極備份系統(tǒng)通過(guò)俯仰和偏航進(jìn)行控制,采用水平安定面控制俯仰、方向舵控制偏航,后擴(kuò)展到采用副翼、升降舵和方向舵,同時(shí)執(zhí)行直接控制律計(jì)算,終極備份控制功能更強(qiáng)。終極備份不僅能夠?qū)崿F(xiàn)穩(wěn)定飛機(jī)姿態(tài),同時(shí)能執(zhí)行基本控制功能,可以安全飛行和著陸。
由以上對(duì)比分析可得:
1) 當(dāng)前服役的電傳飛控飛機(jī)無(wú)一例外均配備終極備份。
通常,主飛控系統(tǒng)喪失任一軸的控制其FHA分析的等級(jí)都是災(zāi)難性的,因而其失效應(yīng)是極不可能的(即失效概率小于1e-9),針對(duì)已知的隨機(jī)物理故障通過(guò)架構(gòu)設(shè)計(jì)可實(shí)現(xiàn)失效概率要求,通過(guò)過(guò)程保證可減少設(shè)計(jì)差錯(cuò),但無(wú)法完全避免。對(duì)于未知的故障或設(shè)計(jì)差錯(cuò)仍需要考慮系統(tǒng)失效后的應(yīng)對(duì)措施,因而即便系統(tǒng)失效概率已滿(mǎn)足安全目標(biāo),仍需有終極備份措施。
2) 終極備份設(shè)計(jì)上控制能力低于最小可接受控制,但至少是兩軸備份(俯仰+滾轉(zhuǎn)/偏航)。以下將通過(guò)數(shù)值仿真分析其內(nèi)在原因。
3) 終極備份的目的和形式不同,取決于飛機(jī)特征。終極備份的目的是暫時(shí)保持穩(wěn)定還是繼續(xù)安全飛行和著陸取決于飛機(jī)設(shè)計(jì)特征。采用電氣備份或機(jī)械備份也可能需考慮飛機(jī)特征,例如某些主動(dòng)增穩(wěn)或模態(tài)抑制功能對(duì)飛機(jī)至關(guān)重要,因此終極備份需要通過(guò)電氣備份保留該功能。同時(shí)終極備份用于穩(wěn)定飛機(jī)時(shí)對(duì)于外部干擾的抵抗能力如何不可知。
4) 除了波音和空客這種依靠舵面進(jìn)行兩軸或三軸控制的終極備份方式外,是否還有其他的方式也可用于控制飛機(jī)。終極備份對(duì)飛機(jī)的控制能力如何,以下將通過(guò)仿真進(jìn)行分析。
下面將對(duì)通過(guò)飛行仿真對(duì)飛機(jī)的終極備份方式進(jìn)行分析,以某型運(yùn)輸類(lèi)飛機(jī)為研究對(duì)象,通過(guò)建立飛機(jī)的6自由度非線性數(shù)學(xué)模型,研究分析在常規(guī)操縱舵面失效,即電傳系統(tǒng)失效情況下,通過(guò)終極備份操縱舵面,能否滿(mǎn)足正常的飛機(jī)穩(wěn)定性和操縱性。本算例中備份的操縱面包含水平安定面、方向舵、一對(duì)擾流板,另外也可以通過(guò)發(fā)動(dòng)機(jī)的左右差動(dòng)(兩發(fā)協(xié)同控制)輔助飛機(jī)的橫航向控制。設(shè)定飛機(jī)在5km高度下平飛,速度為0.9mach,水平安定面的極限偏轉(zhuǎn)速率為0.3°/s,擾流板的物理偏轉(zhuǎn)范圍為0-45°。
建立 6自由度非線性數(shù)學(xué)模型如下所示[11][12]。
動(dòng)力學(xué)方程組
(1)
運(yùn)動(dòng)學(xué)方程組
(2)
力矩方程組
(3)
導(dǎo)航方程組
(4)
p、q、r表示三個(gè)角速度;
通過(guò)橫縱向控制系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型可知縱向和橫側(cè)向控制是解耦的,每一軸向都必須進(jìn)行單獨(dú)控制。
仿真包括以下工況:
表2 仿真工況
仿真1:在仿真過(guò)程中保持升降舵零位,通過(guò)水平安定面控制,驗(yàn)證縱向的抑制干擾能力。仿真在40s時(shí)加入峰值為15ft/s的離散垂直陣風(fēng),則飛行狀態(tài)如圖7所示。
圖7 縱向穩(wěn)定性仿真
如上圖所示,在40s時(shí)加入陣風(fēng)干擾后,對(duì)縱向的飛行狀態(tài)法向過(guò)載和迎角都有瞬時(shí)擾動(dòng)量,后通過(guò)水平安定面的偏轉(zhuǎn)可以對(duì)陣風(fēng)進(jìn)行抑制,恢復(fù)到原來(lái)的穩(wěn)定飛行狀態(tài),說(shuō)明水平安定面具有一定的抵御垂直陣風(fēng),保持穩(wěn)定飛行的能力。
仿真2:在仿真過(guò)程中保持升降舵零位,通過(guò)備份水平安定面來(lái)控制法向過(guò)載,驗(yàn)證剩余的控制能力。仿真初始保持過(guò)載指令為1,在40s時(shí)滾轉(zhuǎn)輸入為幅值為0.8g、1.3g,周期40秒的滾轉(zhuǎn)角方波信號(hào),則飛行狀態(tài)如圖8所示。
圖8 縱向操縱性仿真
由以上仿真圖可以看出,備份水平安定面可以實(shí)現(xiàn)基本的滾轉(zhuǎn)控制功能,但由于水平安定面氣動(dòng)力大、偏轉(zhuǎn)速率慢的特點(diǎn),過(guò)載控制響應(yīng)時(shí)間慢,上升時(shí)間長(zhǎng),俯仰姿態(tài)在控制過(guò)程中有較大的超調(diào)量,控制品質(zhì)不佳。
仿真3:在仿真過(guò)程中,通過(guò)分別使用擾流板、方向舵、發(fā)動(dòng)機(jī)差動(dòng)控制,來(lái)驗(yàn)證橫向抑制干擾的能力。在仿真中,40s時(shí)加入峰值為15ft/s的離散側(cè)向陣風(fēng),則飛行狀態(tài)如圖9所示。
圖9 橫側(cè)向穩(wěn)定性仿真
從以上仿真可以看出,在橫側(cè)向不加控制時(shí),機(jī)體通過(guò)自身的穩(wěn)定性就可以抑制陣風(fēng)的干擾,體現(xiàn)出收斂的趨勢(shì),但收斂時(shí)間較長(zhǎng),長(zhǎng)時(shí)間處于衰減振蕩過(guò)程中,這對(duì)于其他通道的飛行操縱和乘坐品質(zhì)都會(huì)產(chǎn)生負(fù)面影響。利用備份舵面可以在一定程度上提升抑制側(cè)風(fēng)能力,如上仿真所示,利用擾流板可以減小滾轉(zhuǎn)角振蕩幅值,利用方向舵可以減小衰減次數(shù),而利用發(fā)動(dòng)機(jī)差動(dòng)抑制效果提升幅度不明顯。
仿真4:在仿真過(guò)程中保持副翼零位,分別通過(guò)備份擾流板、方向舵、發(fā)動(dòng)機(jī)差動(dòng)來(lái)控制滾轉(zhuǎn)角,驗(yàn)證剩余滾轉(zhuǎn)控制能力。仿真初始保持滾轉(zhuǎn)角指令為0,在40s時(shí)滾轉(zhuǎn)輸入為正負(fù)30度,周期20秒的滾轉(zhuǎn)角方波信號(hào),則飛行狀態(tài)如圖10所示。
圖10 橫側(cè)向操縱性仿真
由以上仿真圖可以看出,備份擾流板、方向舵、發(fā)動(dòng)機(jī)差動(dòng)都可以實(shí)現(xiàn)基本的滾轉(zhuǎn)控制功能,但從操縱時(shí)間來(lái)看,均未達(dá)到11s內(nèi)由-30°到30°的適航性能要求。備份擾流板控制能力有限,給定30°的滾轉(zhuǎn)角指令,很快就使舵面達(dá)到45°的物理限幅;方向舵和發(fā)動(dòng)機(jī)差動(dòng)均可通過(guò)誘導(dǎo)來(lái)進(jìn)行橫控制,方向舵的控制能力和控制品質(zhì)要優(yōu)于發(fā)動(dòng)機(jī)差動(dòng)控制。
綜上仿真結(jié)果分析可以看出,在電傳飛控正常操縱舵面失效時(shí),通過(guò)終極備份可以保證飛機(jī)具有一定的穩(wěn)定性和操縱性,但部分飛行性能尚達(dá)不到適航的可控性和機(jī)動(dòng)性要求。
1) 俯仰+滾轉(zhuǎn)或俯仰+偏航的兩軸終極備份均能獲得基本的穩(wěn)定可操縱能力。通過(guò)水平安定面控制縱向,一對(duì)擾流板、方向舵或發(fā)動(dòng)機(jī)差動(dòng)控制橫側(cè)向作為終極備份可以實(shí)現(xiàn)飛機(jī)的穩(wěn)定可操縱,但達(dá)不到繼續(xù)安全飛行和著陸的能力。在終極備份設(shè)計(jì)成穩(wěn)定飛機(jī)姿態(tài)等待電傳系統(tǒng)重啟時(shí),適航需要進(jìn)行地面試驗(yàn)以驗(yàn)證可以重啟成功。若無(wú)法重啟,需考慮終極備份設(shè)計(jì)為具備繼續(xù)安全飛行和著陸能力,則需要進(jìn)行三軸控制設(shè)計(jì)。
2) 采用發(fā)動(dòng)機(jī)差動(dòng)形式的終極備份理論上可行,但實(shí)踐較為困難。兩側(cè)發(fā)動(dòng)機(jī)差動(dòng)對(duì)駕駛員操作要求高,駕駛員需要特殊的特殊技巧和體力,經(jīng)過(guò)特殊培訓(xùn);時(shí)間延遲很大,對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)性能要求高;發(fā)動(dòng)機(jī)差動(dòng)會(huì)引起縱向狀態(tài)變化,對(duì)速度變化影響大。
3) “穩(wěn)定可操縱”能力遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于“繼續(xù)安全飛行和著陸”。從終極備份的目的來(lái)看,若終極備份僅用于實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定可操縱,可等待電傳系統(tǒng)重啟;若用于繼續(xù)安全飛行和著陸則對(duì)終極備份要求會(huì)更高,但系統(tǒng)設(shè)計(jì)會(huì)更復(fù)雜。因此需要綜合考量飛機(jī)設(shè)計(jì)各方面,包括能源供給、系統(tǒng)復(fù)雜度、飛控計(jì)算機(jī)的失效重啟時(shí)間、質(zhì)量、維護(hù)性、安全性等,得到最優(yōu)設(shè)計(jì)方案。
本文從“失效-安全”的適航要求出發(fā),通過(guò)總結(jié)當(dāng)前波音和空客主流機(jī)型終極備份的應(yīng)用情況,對(duì)比分析了終極備份方法的應(yīng)用形式和目的。通過(guò)仿真某機(jī)型在終極備份情況下飛機(jī)的穩(wěn)定性和操縱性,得到結(jié)論如下:飛機(jī)兩軸可控,如水平安定面控制縱向,一對(duì)擾流板、方向舵或發(fā)動(dòng)機(jī)差動(dòng)控制橫側(cè)向,這種兩軸的終極備份方式可以實(shí)現(xiàn)飛機(jī)的穩(wěn)定可操縱,但達(dá)不到繼續(xù)安全飛行和著陸的能力。采用兩側(cè)發(fā)動(dòng)機(jī)差動(dòng)控制橫側(cè)向的方法理論可行,但實(shí)踐起來(lái)會(huì)很困難。終極備份的目的和系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案取決于飛機(jī)本身特征,需要在飛機(jī)頂層設(shè)計(jì)時(shí)綜合考量。