支線客機(jī)關(guān)鍵技術(shù)與發(fā)展方向

陳勇，鐘科林，羅悅，王淼

1.中國(guó)商用飛機(jī)有限責(zé)任公司，上海 200436

2.上海交通大學(xué) 航空航天學(xué)院，上海 200240

3.中國(guó)商用飛機(jī)有限責(zé)任公司 上海飛機(jī)設(shè)計(jì)研究院，上海 200135

對(duì)于民用運(yùn)輸類客機(jī)來說，飛機(jī)的最終目標(biāo)是面向飛行的運(yùn)輸需求，由飛機(jī)運(yùn)行的能力、性能和有效性構(gòu)成。其中，飛機(jī)運(yùn)行能力描述了飛行運(yùn)輸能力，主要由客載、商載和航程等重要特征能力構(gòu)成；飛機(jī)運(yùn)行性能描述了飛行品質(zhì)，主要由飛機(jī)環(huán)境、飛機(jī)軌跡和飛行效率構(gòu)成；飛機(jī)運(yùn)行有效性描述了飛行可用性，主要由飛行安全性、派遣率和適用性構(gòu)成。因此，不同的飛機(jī)具有不同使命、不同應(yīng)用期望和不同的飛行需求，從而形成不同的使命目標(biāo)，明確使命的過程組織，形成使命的能力需求。例如對(duì)于寬體遠(yuǎn)程運(yùn)輸機(jī)、窄體支線運(yùn)輸機(jī)、通用飛機(jī)、全天候運(yùn)輸直升機(jī)以及特種飛機(jī)等，由于不同種類的飛機(jī)具有不同的飛行使命和背景，最終形成了各自獨(dú)立的運(yùn)行模式和能力。

中國(guó)民航總局將使用70 座以下渦槳飛機(jī)和50 座以下各類飛機(jī)的航班運(yùn)輸定義為支線運(yùn)輸，航線距離＜800 km、年旅客運(yùn)輸量＜20 萬人次的航線市場(chǎng)定義為支線市場(chǎng)。國(guó)際上主要依據(jù)航線采用的飛機(jī)大小以及航線長(zhǎng)度來區(qū)分干線和支線，目前國(guó)內(nèi)外大部分?jǐn)?shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)和分析也基本按照這一原則進(jìn)行。通常認(rèn)為，連接不同樞紐機(jī)場(chǎng)的航線，一般航距遠(yuǎn)、客流量大，被稱為“干線”；而由樞紐機(jī)場(chǎng)向周圍中小城市輻射的航線，航距短、客流量小，座級(jí)在30～90 座之間，被稱為“支線”。90～120 座的大型支線飛機(jī)也經(jīng)常用于“點(diǎn)對(duì)點(diǎn)”航線（網(wǎng)狀航線）。

在市場(chǎng)需求牽引和國(guó)家政策大力扶持的背景下，支線航空發(fā)展迫在眉睫［1］，老牌支線飛機(jī)制造商逐漸謝幕，全球支線飛機(jī)競(jìng)爭(zhēng)格局正在重塑［2］，國(guó)際支線民機(jī)產(chǎn)業(yè)格局和產(chǎn)品的變革發(fā)展帶來了機(jī)遇，也提出了挑戰(zhàn)。針對(duì)支線客機(jī)行業(yè)技術(shù)門檻高，核心技術(shù)封鎖嚴(yán)重的問題，需要對(duì)支線客機(jī)關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行重點(diǎn)攻關(guān)并高度關(guān)注未來技術(shù)發(fā)展方向。因此，本文在分析支線客機(jī)任務(wù)使命要求基礎(chǔ)上，對(duì)支線客機(jī)總體氣動(dòng)、動(dòng)力、機(jī)載系統(tǒng)這3 方面的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了詳細(xì)闡述；并結(jié)合民機(jī)發(fā)展方向，提出了支線客機(jī)技術(shù)發(fā)展方向，基于未來發(fā)展，提出了基于自動(dòng)、自主和智能化的支線客機(jī)任務(wù)系統(tǒng)概念。

1 支線客機(jī)發(fā)展歷程

1.1 支線客機(jī)發(fā)展需求

隨著旅游和短途公務(wù)旅行需求激增，發(fā)展支線航空運(yùn)輸成為推動(dòng)航空運(yùn)輸發(fā)展的新戰(zhàn)略［3］。以支線飛機(jī)進(jìn)行高密度航班直達(dá)飛行，開通新城市對(duì)之間不經(jīng)停支線航線，在非高峰期時(shí)段和客流量少的航線以支線飛機(jī)替代干線飛機(jī)將會(huì)是航空公司更經(jīng)濟(jì)的戰(zhàn)略性選擇［4-5］。此外，限制支線航空運(yùn)輸市場(chǎng)發(fā)展的壁壘正在逐步清除，21 世紀(jì)以來，歐美放寬了空中交通管制，以利于支線航空運(yùn)輸市場(chǎng)發(fā)展［6-7］。美國(guó)限制干線飛機(jī)飛行員駕駛支線飛機(jī)的條款已經(jīng)開始松動(dòng)［8］，歐洲放開了邊境政策以允許支線飛機(jī)飛短途國(guó)際航線，降低起降費(fèi)和導(dǎo)航費(fèi)以鼓勵(lì)開發(fā)新支線航線［9］。雖然中國(guó)的支線航空運(yùn)輸市場(chǎng)還處于初級(jí)階段，并未形成規(guī)模，目前大多支線航線是以窄體干線飛機(jī)采用“甩辮子”的方式來運(yùn)輸，航班頻度低，經(jīng)濟(jì)效益差，制約了支線運(yùn)輸航線的發(fā)展，但是隨著近年來支線機(jī)場(chǎng)的快速發(fā)展和西部大開發(fā)戰(zhàn)略的推進(jìn)［10］以及民航關(guān)于組建新航空公司的政策要求，支線航空運(yùn)輸市場(chǎng)即將進(jìn)入高速發(fā)展期［11-12］。

1.2 支線客機(jī)研究現(xiàn)狀

新中國(guó)成立后，中國(guó)民用客機(jī)的發(fā)展歷程曲折又復(fù)雜，先后經(jīng)歷了模仿研制、自行研制、聯(lián)合研制、合作生產(chǎn)和轉(zhuǎn)包生產(chǎn)多種探索道路。ARJ21 是民機(jī)歷史上第一款從一開始就按照國(guó)際適航條例和中國(guó)適航條例全新研制的支線客機(jī)。通過ARJ21-700 項(xiàng)目，中國(guó)民機(jī)產(chǎn)業(yè)走完了從研發(fā)、取證、批產(chǎn)、交付、運(yùn)營(yíng)到客戶服務(wù)的全過程，建立了主制造商和供應(yīng)商集成創(chuàng)新體系，包括設(shè)計(jì)研發(fā)、適航取證、批生產(chǎn)、航線運(yùn)營(yíng)、客戶服務(wù)、項(xiàng)目管理等體系，為C919 大型客機(jī)項(xiàng)目順利推進(jìn)開辟了道路。目前，C919 正處在試飛取證的階段。

為了避開波音和空客雙寡頭壟斷的干線市場(chǎng)，很多航空制造商都是先從支線市場(chǎng)進(jìn)入，例如龐巴迪從支線的CRJ 系列開始，逐漸打開了支線客機(jī)市場(chǎng)，并走向準(zhǔn)干線的C 系列飛機(jī)；巴航工業(yè)從支線的ERJ 系列開始，走向準(zhǔn)干線的E2系列飛機(jī)；UAC 公司從支線的SSJ100-95 飛機(jī)開始，走向干線的MC21-300 飛機(jī)；中國(guó)商飛從支線的ARJ21-700 飛機(jī)開始，走向干線的C919 飛機(jī)，并且中俄還將聯(lián)手研制280 座的雙通道飛機(jī)；三菱也從支線的MRJ9 飛機(jī)開始［13］。雖然支線飛機(jī)與干線飛機(jī)有很多共用的技術(shù)，但是由于他們的航程不同，飛機(jī)規(guī)模不同，面向的市場(chǎng)不同，衍生出不盡相同的任務(wù)使命和關(guān)鍵技術(shù)。

1.3 支線客機(jī)的任務(wù)使命

支線客機(jī)應(yīng)用任務(wù)是指基于支線客機(jī)使命、面向飛行需求、依據(jù)環(huán)境條件，有目標(biāo)、有計(jì)劃地完成飛行過程和活動(dòng)的組織。支線客機(jī)任務(wù)系統(tǒng)針對(duì)應(yīng)用任務(wù)需求、環(huán)境和范圍，依據(jù)應(yīng)用任務(wù)能力的組織、管理和控制，實(shí)現(xiàn)應(yīng)用任務(wù)系統(tǒng)目標(biāo)、能力、過程和狀態(tài)的一體化組織與管理。

1.3.1 支線客機(jī)應(yīng)用使命與背景

應(yīng)用使命與背景是支線客機(jī)飛行應(yīng)用任務(wù)組織的基礎(chǔ)。不同的飛機(jī)具有不同使命、不同應(yīng)用期望和不同的飛行需求，從而形成不同的使命目標(biāo)，只有明確使命的過程組織，才能形成使命的能力需求［14］。

例如支線客機(jī)是短航程小型旅客運(yùn)輸機(jī)，其主要運(yùn)行模式和目標(biāo)是：小體型，一般設(shè)計(jì)座位為35～100 座，主要承擔(dān)局部地區(qū)短距離、小城市之間、大城市與小城市之間的旅客運(yùn)輸；短航程，飛行距離在600～1 200 km 之間，與主干線航班相對(duì)而言，支線航班單程航行距離較短；高收益，對(duì)于中低客流航線，選取支線客機(jī)可以降低成本，提高航線密度；高安全，包括空域交通態(tài)勢(shì)感知，飛行航路沖突管理，飛行間隔管理等；高舒適，提供機(jī)上辦公，寬帶通信，旅客自適應(yīng)娛樂等。

支線客機(jī)基于其使命和背景，在整個(gè)飛行過程，針對(duì)飛機(jī)不同飛行階段分類（如滑行、起飛、爬升等），根據(jù)各個(gè)階段環(huán)境需求（如空中交通管理、機(jī)場(chǎng)離港和進(jìn)港管理），確定不同飛行任務(wù)，支持國(guó)際民航組織（ICAO）規(guī)定的規(guī)則和要求，優(yōu)化飛行過程，滿足飛機(jī)更加安全、更少延誤、更加節(jié)省燃油、更加省時(shí)、更加準(zhǔn)時(shí)、更加環(huán)保、更加減少排放的使命要求。通過飛機(jī)使命的定義，確定飛機(jī)各個(gè)階段的應(yīng)用組織，明確各個(gè)階段的應(yīng)用任務(wù)，形成應(yīng)用任務(wù)的需求，并通過各個(gè)階段所有應(yīng)用任務(wù)集成形成飛機(jī)的使命目標(biāo)。當(dāng)飛機(jī)使命目標(biāo)確定后，依據(jù)飛機(jī)整個(gè)飛行階段的劃分，將飛機(jī)的使命目標(biāo)分解到各個(gè)階段的目標(biāo)。飛機(jī)在各個(gè)階段內(nèi)飛行模式可根據(jù)與空管或機(jī)場(chǎng)交互模式，依據(jù)飛機(jī)自身具有的能力，構(gòu)建本階段內(nèi)的目標(biāo)組織，以及構(gòu)建各階段任務(wù)組織。

1.3.2 支線客機(jī)應(yīng)用環(huán)境與情景

應(yīng)用環(huán)境與情景是支線客機(jī)飛行任務(wù)的需求與組織。針對(duì)支線客機(jī)的使命需求，根據(jù)支線客機(jī)整個(gè)飛行過程的組成，依據(jù)不同飛行階段特征和要求，能夠確定支線客機(jī)飛行過程的任務(wù)組織需求。

飛機(jī)所有任務(wù)都可以通過面向飛行應(yīng)用環(huán)境與情景設(shè)計(jì)來實(shí)現(xiàn)，即根據(jù)飛機(jī)不同的飛行階段的劃分，依據(jù)飛機(jī)各個(gè)階段分解的目標(biāo)來確定飛機(jī)飛行的環(huán)境。支線客機(jī)飛行階段環(huán)境主要包括從準(zhǔn)備、加油、上客、裝貨、啟動(dòng)、滑行、滑跑、起飛、爬升、巡航、進(jìn)場(chǎng)、著陸、下客、卸貨的整個(gè)過程中的工作環(huán)境，包括自然環(huán)境、機(jī)場(chǎng)地面支援環(huán)境、機(jī)場(chǎng)空管和航路空管要求、通信和導(dǎo)航要求等。例如，在自然環(huán)境方面，支線客機(jī)要適應(yīng)擬運(yùn)營(yíng)航線的地面和空中飛行環(huán)境要求，包括溫度、濕度、高度、沙塵、腐蝕、季候風(fēng)、氣流擾動(dòng)、雷暴天氣、結(jié)冰氣象、火山灰、越海飛行等；在機(jī)場(chǎng)地面支援環(huán)境方面，支線客機(jī)要適應(yīng)各類機(jī)場(chǎng)的地面支援條件要求，運(yùn)行要求和支援設(shè)備接口要求。

飛機(jī)應(yīng)用情景定義了飛機(jī)在飛行過程基于當(dāng)前環(huán)境，根據(jù)階段目標(biāo)，形成整個(gè)任務(wù)活動(dòng)的場(chǎng)景組織。飛機(jī)應(yīng)用情景系統(tǒng)地描述了飛行當(dāng)前任務(wù)組織，確定了任務(wù)背景環(huán)境，明確了任務(wù)活動(dòng)模式，保障了任務(wù)活動(dòng)組織的結(jié)果與飛機(jī)階段結(jié)果的統(tǒng)一，為飛行任務(wù)系統(tǒng)奠定了基礎(chǔ)。

1.3.3 支線客機(jī)應(yīng)用目標(biāo)與能力

應(yīng)用目標(biāo)與能力是支線客機(jī)飛行任務(wù)系統(tǒng)的能力與保障。針對(duì)支線客機(jī)階段飛行過程的情景需求，支線客機(jī)任務(wù)系統(tǒng)根據(jù)當(dāng)前飛行環(huán)境，建立相應(yīng)的飛行任務(wù)，形成各個(gè)場(chǎng)景任務(wù)的目標(biāo)；根據(jù)支線客機(jī)使命和飛行階段，通過各個(gè)階段場(chǎng)景任務(wù)綜合，形成階段任務(wù)目標(biāo)；最終根據(jù)飛行任務(wù)運(yùn)行模式，明確相關(guān)任務(wù)能力，確定飛行任務(wù)過程組織。

支線客機(jī)應(yīng)用目標(biāo)與能力是面向飛行任務(wù)需求與系統(tǒng)功能支撐的組織。飛機(jī)應(yīng)用目標(biāo)與能力根據(jù)飛機(jī)的不同任務(wù)階段構(gòu)成各種任務(wù)情景，形成任務(wù)情景過程組織，構(gòu)建基于任務(wù)情景活動(dòng)，通過各個(gè)任務(wù)情景活動(dòng)的運(yùn)行，評(píng)估和分析其結(jié)果與飛行階段目標(biāo)結(jié)果的符合性，包括任務(wù)組織目標(biāo)結(jié)果符合性、任務(wù)處理過程邏輯符合性、任務(wù)性能組織符合性和任務(wù)能力模式符合性。例如，有些偏遠(yuǎn)機(jī)場(chǎng)地形復(fù)雜，需要支線客機(jī)對(duì)航電RNP AR 進(jìn)行優(yōu)化來支持進(jìn)近過程，進(jìn)而影響飛機(jī)的能力配置。因此，支線客機(jī)應(yīng)用目標(biāo)與能力一方面與飛機(jī)飛行階段任務(wù)情景匹配，另一方面與飛機(jī)功能組織銜接，為系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)奠定基礎(chǔ)。

1.3.4 支線客機(jī)應(yīng)用組織與結(jié)果

應(yīng)用組織與結(jié)果是支線客機(jī)飛行任務(wù)系統(tǒng)的組織模式與結(jié)果。針對(duì)支線客機(jī)的使命需求，根據(jù)支線客機(jī)階段任務(wù)的情景設(shè)計(jì)，依據(jù)支線客機(jī)形成的任務(wù)結(jié)果和能力需求，支線客機(jī)任務(wù)系統(tǒng)必須根據(jù)整個(gè)基于使命的任務(wù)組織，依據(jù)應(yīng)用環(huán)境和變化，根據(jù)飛機(jī)各個(gè)階段任務(wù)情景，實(shí)現(xiàn)所有任務(wù)過程組織，并監(jiān)控任務(wù)結(jié)果和效能。由于飛機(jī)飛行階段是相對(duì)獨(dú)立的，對(duì)應(yīng)的環(huán)境感知能力是局部的，階段任務(wù)情景是抽象的，飛行任務(wù)能力組織是有限的，必然對(duì)飛機(jī)應(yīng)用任務(wù)的結(jié)果與預(yù)期產(chǎn)生偏離。因此，應(yīng)用組織與結(jié)果首先完成飛機(jī)整個(gè)使命的任務(wù)組織與集成，實(shí)施任務(wù)狀態(tài)的監(jiān)控與組織管理，控制與監(jiān)控各個(gè)階段結(jié)果過渡與銜接；同時(shí)實(shí)施監(jiān)控飛行任務(wù)環(huán)境的變化，激勵(lì)相關(guān)的任務(wù)模型，修改系統(tǒng)的組織與管理狀態(tài)，支持系統(tǒng)動(dòng)態(tài)組織和管理；最后實(shí)時(shí)監(jiān)視任務(wù)系統(tǒng)的結(jié)果，監(jiān)視系統(tǒng)威脅和告警，報(bào)告任務(wù)執(zhí)行結(jié)果和狀態(tài)，支持結(jié)果有效性評(píng)估。

根據(jù)飛行應(yīng)用組織和運(yùn)行過程需求，飛機(jī)應(yīng)用任務(wù)組織與結(jié)果構(gòu)建了飛行過程目標(biāo)，明確了飛行環(huán)境情景，定義了飛行任務(wù)能力，確定了飛行過程結(jié)果。支線飛機(jī)應(yīng)用組織與結(jié)果主要由飛行計(jì)劃組織、飛行環(huán)境感知、飛行任務(wù)決策和飛行過程組織構(gòu)成，即根據(jù)飛行航路計(jì)劃組織（初始計(jì)劃、飛行動(dòng)態(tài)計(jì)劃），確定飛行航路和空域交通情景，構(gòu)建飛行應(yīng)用任務(wù)規(guī)劃和能力組織；根據(jù)飛行空域環(huán)境（空域交通管理、機(jī)載交通態(tài)勢(shì)顯示），確定空域交通飛行條件，構(gòu)建飛行任務(wù)目標(biāo)和條件組織；根據(jù)飛行航路導(dǎo)引需求，確定區(qū)域?qū)Ш剑ˋrea Navigation，RNAV）和所需導(dǎo)航性能（Required Navigation Performance，RNP）模式，構(gòu)建飛行任務(wù)導(dǎo)航與導(dǎo)引性能組織；根據(jù)航跡管理組織，確定飛行航跡和飛行模式（所需到達(dá)時(shí)間、控制到達(dá)時(shí)間），構(gòu)建飛行任務(wù)協(xié)同決策和運(yùn)行管理要求；最后，根據(jù)飛行環(huán)境和任務(wù)運(yùn)行過程，確定飛機(jī)過程安全性監(jiān)視（氣象、飛行最小間隔、飛機(jī)系統(tǒng)故障），構(gòu)建飛行任務(wù)偏離和危害告警。

2 支線客機(jī)關(guān)鍵技術(shù)

2.1 支線客機(jī)總體氣動(dòng)技術(shù)

2.1.1 超臨界機(jī)翼和機(jī)體一體化設(shè)計(jì)技術(shù)

超臨界機(jī)翼能夠在不增加機(jī)翼重量的條件下有效提高臨界馬赫數(shù)，這是由于超臨界翼型的前緣鈍圓，氣流繞流時(shí)速度增加較少，平坦的上表面又使局部流速變化不大。進(jìn)而，只有在飛行馬赫數(shù)較高時(shí)，上表面局部氣流才會(huì)達(dá)到聲速，即其臨界馬赫數(shù)較高。在達(dá)到聲速后，局部氣流速度的增長(zhǎng)較慢，形成的激波較弱，阻力增加也較緩慢。超臨界機(jī)翼還可用于減輕飛機(jī)結(jié)構(gòu)重量，如果維持后掠角不變而采用厚機(jī)翼，可降低機(jī)翼重量，增加機(jī)翼容積，用以放置燃油或其他設(shè)備。

對(duì)于超臨界機(jī)翼的設(shè)計(jì)，首先通過調(diào)整翼型上下表面的形狀，以匹配目標(biāo)壓力分布，從而獲得典型翼型；在此基礎(chǔ)上，通過三維剖面的配置，實(shí)現(xiàn)機(jī)翼展向環(huán)量分布，從而提高機(jī)翼巡航效率。同時(shí)，在機(jī)翼設(shè)計(jì)時(shí)，需要考慮相應(yīng)的低速構(gòu)型設(shè)計(jì)。

對(duì)于機(jī)翼/機(jī)身一體化優(yōu)化設(shè)計(jì)，首先以“機(jī)翼+機(jī)身”組合設(shè)計(jì)機(jī)翼布局；再按照“機(jī)翼+機(jī)身+發(fā)房”組合修改布局，充分考慮機(jī)翼與發(fā)房的有利干擾；最后在裝有翼梢小翼的狀態(tài)下做最終優(yōu)化。

2.1.2 防結(jié)冰設(shè)計(jì)與驗(yàn)證技術(shù)

飛機(jī)結(jié)冰嚴(yán)重威脅著飛行安全，當(dāng)飛機(jī)經(jīng)過含有過冷水滴的云層時(shí)，在其不同部位上（如機(jī)翼、尾翼、發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣口、空速管等）將會(huì)發(fā)生結(jié)冰現(xiàn)象。結(jié)冰將會(huì)導(dǎo)致升力下降、阻力上升，并且容易導(dǎo)致飛機(jī)過早失速，對(duì)飛機(jī)的操縱性和穩(wěn)定性有很大的影響，嚴(yán)重時(shí)將會(huì)導(dǎo)致無法挽回的飛行事故。為了提高安全性，飛機(jī)采用機(jī)械、氣熱和電熱等多種形式的除冰方法來降低結(jié)冰危害，這些措施大大提升了飛機(jī)對(duì)結(jié)冰氣象條件的適應(yīng)能力。

支線客機(jī)防結(jié)冰設(shè)計(jì)及驗(yàn)證主要包括2 個(gè)方面，一方面是結(jié)冰條件下的臨界冰形確定及性能操穩(wěn)驗(yàn)證；另一方面是防冰系統(tǒng)設(shè)計(jì)與驗(yàn)證，包括機(jī)翼防冰系統(tǒng)、短艙防冰系統(tǒng)、風(fēng)擋加溫系統(tǒng)、風(fēng)擋除雨系統(tǒng)和結(jié)冰探測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與驗(yàn)證，如圖1 所示。

圖1 防結(jié)冰設(shè)計(jì)與驗(yàn)證技術(shù)Fig.1 Anti-icing design and verification technology

結(jié)冰條件下的臨界冰形確定以及性能操穩(wěn)驗(yàn)證技術(shù)要點(diǎn)包括以下幾個(gè)部分：

1）防冰系統(tǒng)防護(hù)區(qū)域確定技術(shù)

防冰系統(tǒng)防護(hù)區(qū)域確定通過數(shù)值模擬方法，對(duì)全飛行包線范圍內(nèi)、適航條款所定義的結(jié)冰條件范圍內(nèi)，結(jié)冰防護(hù)部件迎風(fēng)面的水滴撞擊特性進(jìn)行分析，確定防護(hù)部件所需的結(jié)冰防護(hù)區(qū)域。

2）臨界結(jié)冰條件和臨界冰型確定技術(shù)

臨界冰型確定需要綜合考慮適航條款所定義的結(jié)冰條件、飛機(jī)飛行條件，通過數(shù)值模擬方法開展臨界結(jié)冰狀態(tài)的篩選，然后通過冰風(fēng)洞試驗(yàn)對(duì)臨界結(jié)冰狀態(tài)進(jìn)行驗(yàn)證及確認(rèn)，最終得到用于適航取證的臨界冰形。

3）模擬冰型試飛技術(shù)

在臨界冰型確定的基礎(chǔ)上，根據(jù)適航條款要求，開展干空氣模擬冰試飛，確定帶冰后飛機(jī)性能操穩(wěn)特性，并開展帶冰情況下失速保護(hù)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及驗(yàn)證。

4）自然結(jié)冰試飛技術(shù)

在模擬冰試飛的基礎(chǔ)上，開展自然結(jié)冰試飛演示驗(yàn)證，證明飛機(jī)滿足結(jié)冰適航條款要求，在結(jié)冰條件下能夠安全運(yùn)營(yíng)。

對(duì)于防冰系統(tǒng)設(shè)計(jì)與驗(yàn)證，針對(duì)機(jī)翼防冰系統(tǒng)和短艙防冰系統(tǒng)，通過系統(tǒng)設(shè)計(jì)狀態(tài)點(diǎn)（結(jié)冰氣象條件及飛行條件）、對(duì)應(yīng)狀態(tài)點(diǎn)下選取翼型表面的局部水收集系數(shù)、對(duì)流換熱系數(shù)等關(guān)鍵參數(shù)，確定需求熱載荷，并在考慮一定余量情況下確定系統(tǒng)的供氣參數(shù)（即供氣流量、溫度等），并根據(jù)縫翼前緣外形等設(shè)計(jì)笛形管，同時(shí)考慮結(jié)構(gòu)強(qiáng)度等因素然后確定防冰腔結(jié)構(gòu)形式；風(fēng)擋加溫系統(tǒng)的主風(fēng)擋具有防冰及防霧功能，側(cè)風(fēng)擋具有防霧功能，根據(jù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)狀態(tài)點(diǎn)（結(jié)冰氣象條件及飛行條件），確定需求熱載荷，并在考慮一定余量的情況下確定玻璃內(nèi)部的加熱功率；結(jié)冰探測(cè)器需要和空速管、風(fēng)標(biāo)以及總溫探頭進(jìn)行一體化安裝設(shè)計(jì)，以保證結(jié)冰探測(cè)器、空速管、風(fēng)標(biāo)和總溫探頭既能正常工作，又互不干擾；地面結(jié)冰氣象模擬試驗(yàn)設(shè)備水霧環(huán)境中液態(tài)水含量（LWC）與水滴直徑（MVD）參數(shù)精確控制是一個(gè)極其復(fù)雜的過程，可以采用氣液兩相噴嘴產(chǎn)生水霧，通過調(diào)節(jié)兩相噴嘴的供水和供氣壓力實(shí)現(xiàn)LWC 和MVD 的精確控制。

2.1.3 氣動(dòng)彈性設(shè)計(jì)與驗(yàn)證技術(shù)

氣動(dòng)彈性設(shè)計(jì)與驗(yàn)證技術(shù)主要分為氣動(dòng)彈性理論分析技術(shù)、氣動(dòng)彈性風(fēng)洞試驗(yàn)及機(jī)上地面試驗(yàn)技術(shù)和氣動(dòng)彈性飛行試驗(yàn)技術(shù)，如圖2所示。

圖2 氣動(dòng)彈性設(shè)計(jì)與驗(yàn)證技術(shù)Fig.2 Aeroelastic design and verification technology

1）氣動(dòng)彈性理論分析

在顫振分析方面，可以采用基于N-S 方程、能計(jì)及飛機(jī)機(jī)翼翼型形狀、跨聲速激波、飛行迎角、靜變形的先進(jìn)氣動(dòng)彈性數(shù)值模擬方法計(jì)算超臨界機(jī)翼的非定常氣動(dòng)特性以及顫振特性。采用附加非定常氣動(dòng)力方法計(jì)及T 型尾翼牽連運(yùn)動(dòng)和靜氣動(dòng)力對(duì)顫振特性的影響。理論分析需對(duì)適航條款所要求的各種正常狀態(tài)，以及結(jié)構(gòu)損傷、系統(tǒng)失效、結(jié)冰、鳥撞等故障失效不利狀態(tài)進(jìn)行模擬和分析。

2）顫振風(fēng)洞試驗(yàn)

根據(jù)動(dòng)力學(xué)相似理論設(shè)計(jì)顫振風(fēng)洞試驗(yàn)?zāi)Ｐ?，保證試驗(yàn)?zāi)Ｐ团c飛機(jī)的動(dòng)力學(xué)相似，保證風(fēng)洞試驗(yàn)可用以驗(yàn)證表明飛機(jī)的氣動(dòng)彈性特性。具體技術(shù)措施包括：根據(jù)適航條款要求，通過機(jī)翼前緣加配重、大梁剛度變參設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)剛度折減等工程方法，實(shí)現(xiàn)對(duì)故障狀態(tài)參數(shù)的設(shè)計(jì)和模擬；在強(qiáng)度分析計(jì)算的基礎(chǔ)上，完成高速顫振模型大梁的靜強(qiáng)度試驗(yàn)，保證模型強(qiáng)度滿足試驗(yàn)要求；通過設(shè)計(jì)復(fù)式懸掛支持系統(tǒng)，以及基于振動(dòng)過載門檻值的程序自動(dòng)防護(hù)，保證低、高速顫振風(fēng)洞試驗(yàn)安全。

3）顫振機(jī)上地面試驗(yàn)

基于顫振機(jī)上地面試驗(yàn)結(jié)果對(duì)數(shù)學(xué)模型進(jìn)行修正，以提高分析的精確性和可靠性。通過對(duì)起落架緩沖支柱油腔注油至溢出的方法，消除起落架支持時(shí)非線性的影響，綜合采用加力、仿真分析和附加質(zhì)量的方法，消除飛機(jī)結(jié)構(gòu)非線性的影響，并實(shí)現(xiàn)了對(duì)高度密集耦合彈性模態(tài)的有效分離和識(shí)別。

4）顫振飛行試驗(yàn)

基于理論分析和風(fēng)洞試驗(yàn)結(jié)果，確定氣動(dòng)彈性飛行試驗(yàn)狀態(tài)點(diǎn)（高度和速度）、傳感器布置方案、試飛和激勵(lì)方法；采用基于小波理論的試飛數(shù)據(jù)處理方法；采用振動(dòng)過載的安全門限和緊急情況應(yīng)急預(yù)案，保證飛行試驗(yàn)安全；基于ASE 試飛結(jié)果修正ASE 計(jì)算模型，通過加裝結(jié)構(gòu)陷幅濾波器改善飛機(jī)俯仰回路幅值裕度。

2.2 支線客機(jī)動(dòng)力技術(shù)

2.2.1 全權(quán)限數(shù)字電子控制技術(shù)

在航空發(fā)動(dòng)機(jī)起步階段，工程師們通過液壓機(jī)械裝置組成的控制器對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行控制。隨著航空動(dòng)力需求的增長(zhǎng)，航空發(fā)動(dòng)機(jī)對(duì)其控制器的要求也越來越高，單變量控制模式難以滿足需求，出現(xiàn)了液壓機(jī)械式控制器與電子控制的最初結(jié)合，從而迎來了監(jiān)控型電子控制器的時(shí)代。此時(shí)，監(jiān)控式控制器只是作為液壓機(jī)械式控制器的輔助，僅用于高層監(jiān)視功能和非關(guān)鍵控制功能，而發(fā)動(dòng)機(jī)關(guān)鍵控制功能仍由液壓機(jī)械式控制器完成。隨著發(fā)動(dòng)機(jī)控制需求日益復(fù)雜化，如控制參數(shù)增加、控制精度要求提高等，擁有多輸入多輸出處理能力、更高軟硬件冗余度的全權(quán)限數(shù)字電子控制器（FADEC）應(yīng)運(yùn)而生［15］，如圖3 所示。FADEC 在動(dòng)力控制系統(tǒng)架構(gòu)中占據(jù)了核心地位，是信息處理、邏輯運(yùn)算、發(fā)布指令的中樞，多輸入多輸出處理的能力也使得FADEC 可以同時(shí)實(shí)現(xiàn)更多閉環(huán)回路的精確控制。此外，在發(fā)動(dòng)機(jī)故障檢測(cè)與隔離以及發(fā)動(dòng)機(jī)健康管理與維護(hù)中，F(xiàn)ADEC 扮演著愈來愈重要的角色，持續(xù)為當(dāng)代民用航空動(dòng)力保駕護(hù)航。

圖3 航空發(fā)動(dòng)機(jī)控制方式發(fā)展歷程［15］Fig.3 Development history of aero engine control methods［15］

2.2.2 分布式控制技術(shù)

目前的發(fā)動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)是集中式余度FADEC，所有的控制規(guī)律處理和計(jì)算、余度管理以及輸入/輸出信號(hào)的濾波和處理都經(jīng)由FADEC 進(jìn)行，控制系統(tǒng)中最重的是引線和接頭。未來的FADEC 將采用分布式控制系統(tǒng)，與集中式FADEC 相比，引線數(shù)、接頭數(shù)和重量將大大減輕。在分布式控制系統(tǒng)中，靈巧裝置通過一條余度的高速數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)總線和FADEC 通信。靈巧裝置可以是一個(gè)傳感器，或一個(gè)作動(dòng)器，或是兼有傳感和作動(dòng)功能的裝置。每個(gè)靈巧裝置有自己的處理元件，可以執(zhí)行所要求的當(dāng)?shù)毓δ?。為使溫升和功耗最小，還將采用變速和變流量泵［16］。

除了降低發(fā)動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)的復(fù)雜性和重量之外，分布式控制系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)還有：由于采用通用模塊和標(biāo)準(zhǔn)接口，縮短了研制周期和降低了成本；通過對(duì)每個(gè)靈巧裝置進(jìn)行自檢和診斷，降低了維修成本；采用新的元件級(jí)技術(shù)，對(duì)中央處理計(jì)算機(jī)的改動(dòng)最小甚至無需改動(dòng)，設(shè)計(jì)和升級(jí)的靈活性大；FADEC 可以遠(yuǎn)離發(fā)動(dòng)機(jī)安裝，進(jìn)一步降低重量，改善可靠性和控制系統(tǒng)的總和。

2.3 支線客機(jī)機(jī)載系統(tǒng)技術(shù)

2.3.1 面向飛行場(chǎng)景開發(fā)的正向設(shè)計(jì)技術(shù)

新一代支線客機(jī)的開發(fā)模式如圖4 所示。首先，基于新一代民機(jī)的需求與目標(biāo)，提出飛行使命與目標(biāo)。其次，基于新一代民用飛行應(yīng)用與飛行過程，提出飛行應(yīng)用目標(biāo)、飛行應(yīng)用環(huán)境，飛行過程構(gòu)成和飛行過程改進(jìn)。接著，面向飛行效率、飛行效能和飛行安全需求，提出新一代民機(jī)能力與需求。最終，實(shí)現(xiàn)新一代支線客機(jī)的性能與保障，包括安全性、經(jīng)濟(jì)性、環(huán)保性、舒適性。

圖4 新一代支線客機(jī)的開發(fā)模式Fig.4 Development mode of the new generation of regional airliner

新一代支線客機(jī)將采用基于飛行場(chǎng)景開發(fā)的正向設(shè)計(jì)技術(shù)，正向設(shè)計(jì)是指功能及需求自頂向下逐漸進(jìn)行分解分配和定義，再自底向上逐級(jí)進(jìn)行驗(yàn)證，最終形成V 型開發(fā)體系［17］。飛機(jī)自頂向下的正向設(shè)計(jì)過程中的需求來源于具體應(yīng)用的飛行場(chǎng)景，飛行場(chǎng)景描述了機(jī)組-飛機(jī)-環(huán)境的動(dòng)態(tài)關(guān)系，將飛行場(chǎng)景視為一個(gè)多維空間，主要包括3 個(gè)維度，即天氣條件、飛機(jī)因素和飛行環(huán)境。飛行場(chǎng)景的開發(fā)可總結(jié)為：分階段、分方面、選項(xiàng)組合，同時(shí)結(jié)合考察目標(biāo)、評(píng)估要求及準(zhǔn)則。主要分為以下步驟：①分階段，將飛行場(chǎng)景根據(jù)飛行航段分成多個(gè)階段，包括起飛場(chǎng)面、起飛、爬升、巡航、下降、進(jìn)近、著陸、著陸場(chǎng)面等；②分方面，將飛行場(chǎng)景根據(jù)核心內(nèi)容及工作負(fù)荷測(cè)量要求分為天氣情況、飛機(jī)因素、飛行環(huán)境、功能因素、數(shù)據(jù)窗口等幾個(gè)方面；③選項(xiàng)組合，選取、配置并組合飛行場(chǎng)景各個(gè)方面的內(nèi)容，先將飛行場(chǎng)景的各個(gè)方面分成若干主題專項(xiàng)，每一主題專項(xiàng)包含若干選項(xiàng)，再可根據(jù)需要選取主題專項(xiàng)并配置其選項(xiàng)；④結(jié)合考察目標(biāo)、評(píng)估要求及最小飛行機(jī)組準(zhǔn)則。

以波音787 和F-35 為例，傳統(tǒng)的大型飛機(jī)項(xiàng)目雖然嚴(yán)格按照系統(tǒng)工程進(jìn)行管理，但是其研制過程是基于文檔的，這可能導(dǎo)致信息孤島、開發(fā)效率低等問題。此外，在復(fù)雜產(chǎn)品研發(fā)過程中，需求是不斷變化的，這要求系統(tǒng)的功能、邏輯架構(gòu)和接口能夠快速響應(yīng)變化。因此，現(xiàn)代系統(tǒng)工程正在由基于文件的管理逐漸轉(zhuǎn)變到基于模型的管理?；谀Ｐ偷南到y(tǒng)正向設(shè)計(jì)方法是基于模型的系統(tǒng)工程（MBSE）在系統(tǒng)設(shè)計(jì)研制工作中的擴(kuò)展和延伸，通過系統(tǒng)正向設(shè)計(jì)過程中信息傳遞的模型化，支持系統(tǒng)需求、設(shè)計(jì)、分析、驗(yàn)證和確認(rèn)。基于模型的系統(tǒng)正向設(shè)計(jì)方法從飛行任務(wù)需求出發(fā)，自頂向下開展飛機(jī)級(jí)、系統(tǒng)級(jí)需求建模分析；接著，分配飛機(jī)級(jí)功能到系統(tǒng)級(jí)，開展系統(tǒng)級(jí)功能分析和架構(gòu)設(shè)計(jì)；然后，通過構(gòu)建系統(tǒng)的軟硬件組件開展系統(tǒng)的非功能關(guān)鍵特性分析，優(yōu)化系統(tǒng)架構(gòu)。同時(shí)，通過測(cè)試工具完成基于模型的系統(tǒng)集成測(cè)試驗(yàn)證［18］。圖5 為基于模型的正向設(shè)計(jì)流程圖。

圖5 基于模型的正向設(shè)計(jì)流程Fig.5 Model-based forward design process

隨著美國(guó)工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)、德國(guó)工業(yè)4.0 以及中國(guó)制造2025 等先進(jìn)制造戰(zhàn)略的提出，智能制造已經(jīng)成為全球制造業(yè)發(fā)展的重要方向，數(shù)字孿生（Digital Twin）作為智能制造中的關(guān)鍵技術(shù)，得到了國(guó)內(nèi)外學(xué)者的廣泛關(guān)注［19］。數(shù)字孿生是以數(shù)字化方式創(chuàng)建物理實(shí)體的虛擬模型，借助數(shù)據(jù)模擬物理實(shí)體在現(xiàn)實(shí)環(huán)境中的行為，通過虛實(shí)交互反饋、數(shù)據(jù)融合分析、決策迭代優(yōu)化等手段，為物理實(shí)體增加或擴(kuò)展新的能力［20］。美國(guó)空軍研究實(shí)驗(yàn)室、美國(guó)國(guó)家航空航天局（NASA）基于數(shù)字孿生開展了飛行器健康管控應(yīng)用［21-22］，洛克希德·馬丁公司將數(shù)字孿生概念應(yīng)用于F-35 戰(zhàn)斗機(jī)生產(chǎn)過程，提高了生產(chǎn)效率與品質(zhì)［23］。波音提出了基于全生命周期信息流的飛機(jī)數(shù)字化研發(fā)模式的轉(zhuǎn)型，借助建模與仿真的手段，從傳統(tǒng)的“V”研發(fā)模式升級(jí)為“菱形”研發(fā)模式，如圖6 所示［24］?！傲庑巍钡南掳氩糠执砦锢硐到y(tǒng)（保留傳統(tǒng)的“V”型開發(fā)模式），鉆石的上半部分代表“數(shù)字孿生”（即物理系統(tǒng)的虛擬表示），通過在飛機(jī)的整個(gè)生命周期中物理系統(tǒng)與數(shù)字模型的連接，將需求域通過設(shè)計(jì)模型映射到解決方案域，支持系統(tǒng)的深度集成和實(shí)時(shí)反饋，便于迭代設(shè)計(jì)與優(yōu)化。

圖6 波音提出的“菱形”研發(fā)模式［24］Fig.6 MBE“ Diamond” proposed by Boeing［24］

2.3.2 航空電子系統(tǒng)綜合設(shè)計(jì)與驗(yàn)證技術(shù)

航空電子系統(tǒng)是飛機(jī)的“大腦”和“中樞神經(jīng)系統(tǒng)”，其性能直接影響飛機(jī)的自動(dòng)化和智能化水平。高效、合理的航電結(jié)構(gòu)可以保證飛機(jī)的性能滿足各種重要的要求，如安全性、對(duì)設(shè)備故障的魯棒性、確定性以及實(shí)時(shí)性能。航空電子系統(tǒng)結(jié)構(gòu)經(jīng)歷了分立式、聯(lián)合式到綜合式的發(fā)展進(jìn)程［25］。在分立式結(jié)構(gòu)中，雷達(dá)、通信、導(dǎo)航等設(shè)備各自均有專用且相互獨(dú)立的天線、射頻前端、處理器和顯示器等，采用點(diǎn)對(duì)點(diǎn)連接。在聯(lián)合式結(jié)構(gòu)中，各單元之間通過數(shù)字總線交聯(lián)，只在信息鏈后端的控制和顯示環(huán)節(jié)進(jìn)行資源共享。綜合式航電系統(tǒng)又經(jīng)歷了2 個(gè)階段，第1 個(gè)階段是綜合模塊化航電系統(tǒng)（IMA），第2 個(gè)階段是分布式綜合模塊化航電系統(tǒng)（DIMA）。第1 階段又分為3 代，第1 代為互操作的子系統(tǒng)IMA，第2 代為專有的IMA，第3 代為開放式IMA。DIMA 系統(tǒng)構(gòu)架是基于IMA 綜合化思想，并針對(duì)子系統(tǒng)知識(shí)領(lǐng)域構(gòu)建專業(yè)IMA 區(qū)域組織，采用分布式構(gòu)架技術(shù)，在區(qū)域級(jí)的結(jié)構(gòu)化綜合和信息融合的基礎(chǔ)上，構(gòu)建系統(tǒng)應(yīng)用的任務(wù)信息和任務(wù)合成。

未來支線客機(jī)的航電系統(tǒng)將采用“開放式”設(shè)計(jì)理念，主要體現(xiàn)在開放式通信標(biāo)準(zhǔn)、開放式處理平臺(tái)以及開放式系統(tǒng)支持［26］。隨著航空電子系統(tǒng)規(guī)模越來越大，系統(tǒng)構(gòu)成要素越來越多，系統(tǒng)環(huán)境條件越來越復(fù)雜，任何單一的專業(yè)、能力和技術(shù)無法覆蓋系統(tǒng)的應(yīng)用領(lǐng)域、運(yùn)行環(huán)境和能力類型的組織需求，無法支撐系統(tǒng)的目標(biāo)形式、活動(dòng)領(lǐng)域和性能范圍的作用空間，無法提供系統(tǒng)運(yùn)行效能、過程效率和結(jié)果有效化的優(yōu)化過程。因此，新一代航空電子系統(tǒng)發(fā)展對(duì)系統(tǒng)綜合化提出了迫切的需求。

綜合化將航空電子系統(tǒng)的信息、資源、能力和過程綜合起來，通過共享、集成、協(xié)同和融合，形成信息統(tǒng)一歸集、資源統(tǒng)一配置、能力統(tǒng)一組織、過程統(tǒng)一協(xié)同、功能統(tǒng)一集成和系統(tǒng)統(tǒng)一管理，實(shí)現(xiàn)低成本、高效率、高效能、高性能和高可靠性的系統(tǒng)目標(biāo)。它的特點(diǎn)是提供了一種綜合的、通用的硬件及軟件資源平臺(tái)，使大量具有飛機(jī)功能的應(yīng)用程序可宿主在該平臺(tái)上；軟件加載與硬件無關(guān)，易于系統(tǒng)升級(jí)和重構(gòu)；物理資源和邏輯資源（如處理器、存儲(chǔ)器、軟件和數(shù)據(jù)等）可共享；通過魯棒式分區(qū)使功能分離和獨(dú)立，并且平臺(tái)和應(yīng)用程序級(jí)的健康監(jiān)控和故障管理可支持資源共享。

已知航電系統(tǒng)組織是由任務(wù)、功能和資源3 層組織構(gòu)成［27］。任務(wù)組織是基于多種模式、多種任務(wù)目標(biāo)過程組織，功能組織是基于多種專業(yè)功能能力過程組織，資源組織是基于多種類型資源操作過程組織。而上述3 層組織過程必須實(shí)現(xiàn)目標(biāo)過程、能力過程和操作過程綜合化。因此，如圖7 所示，航空電子系統(tǒng)綜合設(shè)計(jì)技術(shù)由3 部分構(gòu)成：①面向任務(wù)協(xié)同的任務(wù)合成，即針對(duì)不同的任務(wù)組織，系統(tǒng)具有不同應(yīng)用需求，任務(wù)組織過程是基于飛機(jī)任務(wù)系統(tǒng)的應(yīng)用目標(biāo)組織，確定系統(tǒng)有效應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)任務(wù)組織目標(biāo)和效果最優(yōu)化；②面向功能能力的功能融合，即針對(duì)不同的功能組織，系統(tǒng)具有不同能力需求，功能過程是基于飛機(jī)任務(wù)系統(tǒng)的能力品質(zhì)組織，明確系統(tǒng)有效能力，實(shí)現(xiàn)航電系統(tǒng)功能組織能力和品質(zhì)最佳化；③面向資源效能的物理綜合，即針對(duì)不同的資源組織，系統(tǒng)具有不同操作需求，資源過程是基于飛機(jī)任務(wù)系統(tǒng)的物理操作組織，建立系統(tǒng)有效資源，實(shí)現(xiàn)航電系統(tǒng)操作組織效率和有效性最大化。

圖7 航空電子綜合化系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu)Fig.7 Hierarchical structure of IMA

航空電子系統(tǒng)綜合化是面向系統(tǒng)應(yīng)用、功能和設(shè)備的組織和綜合，通過復(fù)雜飛行過程的多種應(yīng)用組織和綜合，提升系統(tǒng)應(yīng)用任務(wù)運(yùn)行能力和效能；通過復(fù)雜系統(tǒng)環(huán)境的多種功能組織和綜合，提高系統(tǒng)功能處理過程的品質(zhì)和效率，通過復(fù)雜設(shè)備類型的多種資源組織和綜合，增強(qiáng)系統(tǒng)設(shè)備資源共享和有效性，最終完成系統(tǒng)整體效能、效率和性能的提升。隨著綜合化程度增加，使得飛行員的工作角色從飛行管理者向任務(wù)管理者轉(zhuǎn)變，而隨著飛行操作需求的增加，為了提高任務(wù)執(zhí)行能力，需要將一些任務(wù)通過自動(dòng)控制系統(tǒng)來執(zhí)行，任務(wù)合成就是基于當(dāng)前系統(tǒng)能力狀態(tài)和探測(cè)到的外部環(huán)境參數(shù)完成一部分決策的自動(dòng)化，從而減輕飛行員的工作負(fù)荷。

綜合航電系統(tǒng)由諸多子系統(tǒng)構(gòu)成，為確保全部的航電子系統(tǒng)完成預(yù)定的系統(tǒng)功能，以及保證裝機(jī)后能確保系統(tǒng)的功能正常，需要在民機(jī)綜合航電系統(tǒng)集成與驗(yàn)證技術(shù)的基礎(chǔ)上，搭建綜合航電系統(tǒng)地面試驗(yàn)臺(tái)，并完成地面綜合試驗(yàn)。支線客機(jī)的航電系統(tǒng)設(shè)計(jì)驗(yàn)證以航電系統(tǒng)綜合試驗(yàn)臺(tái)Rig 為主要的試驗(yàn)系統(tǒng)平臺(tái)，包括模擬駕駛艙、航電系統(tǒng)其他被測(cè)試驗(yàn)件、仿真激勵(lì)設(shè)施（主要用于通信、導(dǎo)航設(shè)備的激勵(lì)）、試驗(yàn)管理系統(tǒng)（ACS，包括主控平臺(tái)和各試驗(yàn)系統(tǒng)管理模塊，完成如構(gòu)型管理、電源管理、配線管理以及試驗(yàn)系統(tǒng)自檢維護(hù)等功能）、仿真系統(tǒng)（NGS，包括飛行仿真和各飛機(jī)系統(tǒng)的仿真）和測(cè)試系統(tǒng)（含試驗(yàn)數(shù)據(jù)監(jiān)控和自動(dòng)測(cè)試功能）。此外，采用動(dòng)態(tài)無線通信導(dǎo)航仿真激勵(lì)技術(shù)，將分布在地面、空中和高空的無線電臺(tái)站“搬移”到試驗(yàn)室內(nèi)，并能根據(jù)需要隨意控制其參數(shù)和模式，以實(shí)現(xiàn)航電系統(tǒng)在試驗(yàn)室條件下的“飛行”驗(yàn)證。

2.3.3 系統(tǒng)集成設(shè)計(jì)與驗(yàn)證技術(shù)

機(jī)載系統(tǒng)集成貫穿了飛機(jī)的整個(gè)研制過程，包括概念設(shè)計(jì)、飛機(jī)功能定義和分配、系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)、系統(tǒng)需求的分配、系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)和驗(yàn)證、飛機(jī)級(jí)集成和驗(yàn)證等。支線客機(jī)的系統(tǒng)集成設(shè)計(jì)技術(shù)主要包括需求捕獲和功能定義、系統(tǒng)集成設(shè)計(jì)和系統(tǒng)集成驗(yàn)證，如圖8 所示。

圖8 系統(tǒng)集成設(shè)計(jì)與驗(yàn)證技術(shù)Fig.8 System integration design and verification technology

1）需求捕獲和功能定義

首先，對(duì)市場(chǎng)和運(yùn)行需求進(jìn)行捕獲，通過市場(chǎng)需求分析、同類機(jī)型競(jìng)爭(zhēng)分析、機(jī)場(chǎng)適應(yīng)性分析、航線適應(yīng)性分析和直接運(yùn)行成本分析，形成支線飛機(jī)市場(chǎng)目標(biāo)與要求MRO；接著，對(duì)MRO進(jìn)一步分解和工程分析，提煉飛機(jī)設(shè)計(jì)目標(biāo)與要求；進(jìn)一步開展利益相關(guān)方需求分析和功能識(shí)別，形成飛機(jī)級(jí)功能。通過對(duì)飛機(jī)級(jí)功能評(píng)估，形成飛機(jī)功能危害性分析，確定功能設(shè)計(jì)保證等級(jí)。結(jié)合功能分析，捕獲利益相關(guān)方需求，最終形成飛機(jī)級(jí)需求。

2）系統(tǒng)集成設(shè)計(jì)

通過飛機(jī)級(jí)功能和需求分配，可以形成系統(tǒng)級(jí)需求文檔。在完成系統(tǒng)級(jí)需求定義的基礎(chǔ)上，利用層次化、模塊化、專業(yè)協(xié)同、設(shè)計(jì)迭代等方法開展設(shè)計(jì)綜合活動(dòng)。主要包括整理設(shè)計(jì)目標(biāo)、需求和約束，開發(fā)備選概念方案、權(quán)衡并確定最終概念方案，開展詳細(xì)設(shè)計(jì)和驗(yàn)證。為降低系統(tǒng)和產(chǎn)品研制的風(fēng)險(xiǎn)，飛機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)可以采用成熟度較高的系統(tǒng)架構(gòu)和較多的貨架產(chǎn)品。例如ARJ 21飛機(jī)采用高度集成和模塊化的綜合航電系統(tǒng)，應(yīng)用數(shù)字化綜合處理系統(tǒng)和集中式數(shù)據(jù)傳輸單元形成了飛機(jī)的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，采用數(shù)字增強(qiáng)的多余度自監(jiān)控電飛行控制系統(tǒng)形成了控制中樞。此外，接口關(guān)系的數(shù)量和復(fù)雜度會(huì)隨著系統(tǒng)復(fù)雜性的提高而急劇上升，為確保接口的有效控制，通過規(guī)劃接口管理活動(dòng)、形成接口控制文件、管理接口的變更（作為構(gòu)型控制的一部分）、開展接口的驗(yàn)證最終完成支線客機(jī)的接口管理。根據(jù)失效狀態(tài)的嚴(yán)重程度（安全性評(píng)估的結(jié)果），確定飛機(jī)功能的研制保證等級(jí)FDAL，并向下分配形成系統(tǒng)、軟硬件的研制保證等級(jí)。針對(duì)不同的研制保證等級(jí)裁剪過程保證的要求。對(duì)于軟件還應(yīng)適用于DO 178 B 的要求，復(fù)雜電子硬件適用于DO 254 的要求。為實(shí)現(xiàn)軟硬件設(shè)計(jì)保證等級(jí)的管理目標(biāo)，需要建立圖9 的機(jī)載軟硬件管理體系。

圖9 機(jī)載軟硬件管理體系Fig.9 Airborne software and hardware management system

3）系統(tǒng)集成驗(yàn)證

為保證系統(tǒng)間接口的正確性和匹配性，發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)間集成問題，需要開展以航電系統(tǒng)為核心的總線網(wǎng)絡(luò)和信號(hào)接口的集成試驗(yàn)。試驗(yàn)過程中以航電綜合試驗(yàn)臺(tái)為中心，集成各機(jī)載系統(tǒng)電子試驗(yàn)器mini-rig（系統(tǒng)控制器真機(jī)+系統(tǒng)仿真器），既可以保證交聯(lián)接口的真實(shí)性，又可以降低試驗(yàn)成本。開展以鐵鳥為核心的飛行控制關(guān)聯(lián)系統(tǒng)集成和全機(jī)液壓接口集成［28］，試驗(yàn)過程接入真實(shí)的飛控系統(tǒng)、飛機(jī)傳感器、自動(dòng)飛行、綜合航電、液壓系統(tǒng)、起落架系統(tǒng)和反推作動(dòng)系統(tǒng)等，并進(jìn)行駕駛員在環(huán)試驗(yàn)，評(píng)估真實(shí)飛行控制系統(tǒng)的系統(tǒng)特性，檢查液壓接口的匹配性和動(dòng)力性能。開展以電源系統(tǒng)為核心的全機(jī)電網(wǎng)絡(luò)集成，試驗(yàn)中重要負(fù)載使用鐵鳥試驗(yàn)臺(tái)真實(shí)系統(tǒng)，其他負(fù)載采用電負(fù)載模擬設(shè)備，檢查電源供電性能和接口的匹配性，以及電源瞬態(tài)對(duì)飛機(jī)系統(tǒng)的影響。

此外，還需要開展鐵鳥、綜合航電試驗(yàn)室和供配電試驗(yàn)室的交聯(lián)試驗(yàn)，實(shí)現(xiàn)飛控系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)、起落架系統(tǒng)、航電系統(tǒng)、電源系統(tǒng)的多系統(tǒng)集成，便于檢查系統(tǒng)間接口、系統(tǒng)共因故障和系統(tǒng)級(jí)聯(lián)影響。在系統(tǒng)試驗(yàn)方案制定時(shí)就綜合考慮各相關(guān)系統(tǒng)試驗(yàn)設(shè)施的配置，既有利于各相關(guān)系統(tǒng)的單獨(dú)試驗(yàn)，又能進(jìn)行多系統(tǒng)綜合和交聯(lián)試驗(yàn)，突破了傳統(tǒng)試驗(yàn)方法中各系統(tǒng)試驗(yàn)“各自為政”的試驗(yàn)理念，創(chuàng)造了系統(tǒng)“大綜合”的試驗(yàn)思路，同時(shí)又實(shí)現(xiàn)了可分可合的試驗(yàn)功能，保證了試驗(yàn)效率［29］。

2.3.4 安全性設(shè)計(jì)與驗(yàn)證技術(shù)

民機(jī)安全性設(shè)計(jì)理念經(jīng)歷了從絕對(duì)安全設(shè)計(jì)到失效安全設(shè)計(jì)的演變，主要可以劃分為追求設(shè)計(jì)完整性階段，“單故障”概念設(shè)計(jì)階段和失效安全概念設(shè)計(jì)階段?；诓煌A段的特征，衍生出了不同的民機(jī)系統(tǒng)安全性設(shè)計(jì)與評(píng)估方法。在追求完整性或增加有限設(shè)計(jì)特征冗余的階段，提出了基于安全性試驗(yàn)的安全性評(píng)估方法，其評(píng)估內(nèi)容以專業(yè)要求的方式給出，通過安全性試驗(yàn)進(jìn)行評(píng)估驗(yàn)證，這是后續(xù)安全性評(píng)估的基礎(chǔ)。在“單故障”概念設(shè)計(jì)階段，基于“單故障”設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，提出了失效模式及其影響分析方法。該方法對(duì)每個(gè)單故障的影響進(jìn)行分析，目前已普遍應(yīng)用于安全性評(píng)估過程中。在失效安全概念設(shè)計(jì)階段，更注重多重故障型事故。在更高的安全性需求下，原先飛機(jī)研制過程中的“試驗(yàn)-改進(jìn)-試驗(yàn)”的“試錯(cuò)”方法受到了挑戰(zhàn)，要求在飛機(jī)設(shè)計(jì)階段就考慮安全性設(shè)計(jì)，以保障后續(xù)試驗(yàn)、制造、使用和保障的安全性。在此背景下，功能危險(xiǎn)性分析、初步系統(tǒng)安全性分析、系統(tǒng)安全性分析、故障模式及影響以及共因故障分析等方法應(yīng)運(yùn)而生。

民機(jī)系統(tǒng)安全性設(shè)計(jì)一般受系統(tǒng)內(nèi)外2 方面因素影響，因此，不僅需要考慮系統(tǒng)內(nèi)部由功能失效引發(fā)的系統(tǒng)安全性問題，還需要考慮由系統(tǒng)外部特定事件引發(fā)的對(duì)系統(tǒng)乃至飛機(jī)的安全性問題。從滿足適航條款角度，前者需滿足CCAR25.1309 要 求，后者不 僅要滿 足CCAR25.1309 條款，某些系統(tǒng)外部的特定風(fēng)險(xiǎn)還需滿足其他特定條款要求，例如，鳥撞風(fēng)險(xiǎn)需滿足CCAR25.571、CCAR25.631 及CCAR25.775條款；輪胎爆破風(fēng)險(xiǎn)需滿足CCAR25.729f 條款，轉(zhuǎn)子爆破需滿足CCAR25.903d1 條款。在支線飛機(jī)系統(tǒng)安全性設(shè)計(jì)過程中，為表明CCAR25.1309條款及某些專門針對(duì)特定風(fēng)險(xiǎn)的條款的符合性，可以采用安全性設(shè)計(jì)目標(biāo)的制定與分解技術(shù)、安全性目標(biāo)的設(shè)計(jì)與驗(yàn)證技術(shù)，以及基于系統(tǒng)外部風(fēng)險(xiǎn)的特定風(fēng)險(xiǎn)分析與評(píng)估技術(shù)，形成系統(tǒng)安全性設(shè)計(jì)與驗(yàn)證技術(shù)體系，如圖10 所示。

圖10 安全性設(shè)計(jì)與驗(yàn)證技術(shù)Fig.10 Safety design and verification technology

1）基于失效安全的民機(jī)安全性設(shè)計(jì)目標(biāo)制定及分解技術(shù)流程

初步系統(tǒng)安全性分析（Preliminary System Safety Analysis，PSSA）將安全性設(shè)計(jì)的目標(biāo)進(jìn)行逐級(jí)分解，以故障樹分析方法（Fault Tree Analysis，F(xiàn)TA）分解到系統(tǒng)級(jí)和設(shè)備級(jí)（包括軟件和硬件），制定各系統(tǒng)、各設(shè)備硬件、各設(shè)備軟件的安全性設(shè)計(jì)目標(biāo)。得到的安全性設(shè)計(jì)目標(biāo)包括軟硬件本身的設(shè)計(jì)目標(biāo)，還包括因其他一些特定風(fēng)險(xiǎn)（例如鳥撞擊、輪胎爆破、發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子爆破等）引發(fā)的飛機(jī)的安全性風(fēng)險(xiǎn)。最終形成以FHA-FTA-CCA-PSSA 為核心的基于失效安全的民機(jī)安全性設(shè)計(jì)目標(biāo)制定及分解的技術(shù)。

2）基于失效安全的民機(jī)安全性驗(yàn)證技術(shù)

針對(duì)各系統(tǒng)設(shè)備（包括軟件和硬件）的安全性設(shè)計(jì)目標(biāo)，利用故障模式及影響分析（Failure Mode Effect Analysis，F(xiàn)MEA）、故障樹（Fault Tree Analysis，F(xiàn)TA）、共因分析（Common Cause Analysis，CCA）等方法對(duì)其進(jìn)行多方面的安全性評(píng)估（包括系統(tǒng)架構(gòu)本身的失效狀態(tài)以及一些特定風(fēng)險(xiǎn)引發(fā)的安全風(fēng)險(xiǎn)），其中還考慮了在后續(xù)航線運(yùn)營(yíng)中帶故障飛行的情形以及“隱蔽故障”強(qiáng)制歸零的狀況，最終形成以FMEAFTA-CCA-PMMEL-CCMR-FHA 為核心的基于失效安全的民機(jī)安全性驗(yàn)證技術(shù)。

3）特定風(fēng)險(xiǎn)分析與評(píng)估技術(shù)

特殊風(fēng)險(xiǎn)分析技術(shù)是考慮系統(tǒng)之外系統(tǒng)遭受破壞后對(duì)系統(tǒng)乃至飛機(jī)的安全性影響。依據(jù)CCAR25.1309 及ARP4761，支線飛機(jī)需要考慮的鳥撞、轉(zhuǎn)子爆破、輪胎爆破等3 種風(fēng)險(xiǎn)［30-31］。針對(duì)鳥撞和輪胎爆破2 種風(fēng)險(xiǎn)，參照ARP4761 的指導(dǎo)，可以采用仿真技術(shù)與實(shí)物試驗(yàn)技術(shù)相結(jié)合的特定風(fēng)險(xiǎn)分析與評(píng)估技術(shù)；針對(duì)轉(zhuǎn)子爆破風(fēng)險(xiǎn)，參照AC20-128A 可以采用仿真技術(shù)與定量計(jì)算評(píng)估技術(shù)相結(jié)合的特定風(fēng)險(xiǎn)分析與評(píng)估技術(shù)。

以CCAR25.1309 條款為核心，CCAR25.1309等適航指導(dǎo)材料為基礎(chǔ)，可以構(gòu)建以ARP4761、ARP4754、DO-178B、DO-254等工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)為支撐的支線飛機(jī)系統(tǒng)安全性設(shè)計(jì)與驗(yàn)證體系，詳細(xì)流程如圖11所示［17］。

圖11 安全性研制與評(píng)估過程［17］Fig.11 Safety development and evaluation process［17］

隨著系統(tǒng)綜合范圍的擴(kuò)大和綜合程度的加深，任務(wù)組合模式將變得非常復(fù)雜，特別是任務(wù)綜合帶來的多重能力組織狀態(tài)、多重過程狀態(tài)組織和多重任務(wù)狀態(tài)組織會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)故障狀態(tài)難以確定、故障構(gòu)成難以診斷的安全性問題。雖然傳統(tǒng)的安全性分析方法（如危險(xiǎn)與可操作性分析（HAZOP）、FTA、FMEA）已經(jīng)發(fā)展的比較成熟［32-34］，但都是人工方法，主要依賴于工程經(jīng)驗(yàn)，并且與系統(tǒng)設(shè)計(jì)不是同步進(jìn)行的。隨著航電系統(tǒng)復(fù)雜程度的提高，很難列舉出系統(tǒng)所有的失效模式和影響，同時(shí)由于系統(tǒng)設(shè)計(jì)的迭代，很難保證失效模式同系統(tǒng)架構(gòu)的一致性。針對(duì)系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)模型和安全性分析模型不一致的問題，可以采用基于模型驅(qū)動(dòng)的安全性分析方法（MBSA）?；谀Ｐ万?qū)動(dòng)的安全性分析方法（MBSA）是以研究和實(shí)現(xiàn)復(fù)雜系統(tǒng)建模并基于系統(tǒng)模型實(shí)現(xiàn)自動(dòng)或半自動(dòng)化的安全分析及驗(yàn)證為目的的一類理論及方法的統(tǒng)稱［35］。雖然MBSA 方法眾多，技術(shù)手段千差萬別，但核心目標(biāo)是一致的，即實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)模型與安全分析模型的統(tǒng)一，以及安全分析過程及結(jié)果生成的自動(dòng)化［36］。

3 支線客機(jī)技術(shù)發(fā)展方向

3.1 支線客機(jī)先進(jìn)氣動(dòng)布局

目前國(guó)內(nèi)支線飛機(jī)市場(chǎng)的競(jìng)爭(zhēng)主力已經(jīng)從CRJ、E1 系列，變化成了現(xiàn)在的A220 和E2 系列。E2、A220 采用了目前最先進(jìn)的發(fā)動(dòng)機(jī)、氣動(dòng)設(shè)計(jì)、機(jī)載系統(tǒng)、先進(jìn)材料，性能達(dá)到了較高水平；即使重新研發(fā)一款現(xiàn)有常規(guī)布局、動(dòng)力形式的支線客機(jī)，E2、A220 的性能水平仍然是“天花板”級(jí)別，要想在未來超過E2、A220，實(shí)現(xiàn)“成為支線飛機(jī)領(lǐng)先者”的目標(biāo)，必須打破現(xiàn)有構(gòu)型限制。

在飛行器研制中，總體氣動(dòng)設(shè)計(jì)非常關(guān)鍵，直接影響飛行器的飛行性能和飛行品質(zhì)，對(duì)飛機(jī)的飛行安全、飛行效率與經(jīng)濟(jì)性等都具有決定性的影響。未來支線客機(jī)的先進(jìn)氣動(dòng)布局主要包括超聲速布局、支撐翼布局、聯(lián)接布局和飛翼布局，如圖12 所示。其中，超聲速布局可以進(jìn)一步壓縮空中飛行時(shí)間，提高支線飛機(jī)在面對(duì)高鐵等其他交通工具時(shí)的競(jìng)爭(zhēng)力，聲爆和油耗是制約民用超聲速飛行的兩大難題，超聲速商業(yè)飛行所涉及到的聲爆、噪聲控制等問題在較小型的支線飛機(jī)上解決起來也相對(duì)更為容易，因而超聲速布局更適合50 座以下的飛機(jī)。支撐翼布局具有較高的升阻比和氣動(dòng)效率，但也受支撐翼大展弦比因素約束。支撐翼布局與常規(guī)布局通用性強(qiáng)，更適合200 座以下的飛機(jī)；聯(lián)接布局具有高升阻比，更適合200～300 座的遠(yuǎn)程寬體飛機(jī)；飛翼布局在氣動(dòng)及結(jié)構(gòu)減重方面具有潛在優(yōu)勢(shì)，但為了保證客貨艙容積利用率，更適合300 座以上的客機(jī)。

圖12 未來支線客機(jī)的先進(jìn)氣動(dòng)布局Fig.12 Advanced aerodynamic layouts for future regional airliners

3.2 支線客機(jī)新能源

目前，全球航空業(yè)正在由提高燃油效率以減少碳排放的漸進(jìn)式改革向開發(fā)新推進(jìn)技術(shù)與新燃料的革命性變革轉(zhuǎn)變，進(jìn)而從根本上解決低碳排放問題。與傳統(tǒng)飛機(jī)相比，電推進(jìn)飛機(jī)在飛行過程中具有零排放和低噪聲的優(yōu)勢(shì)，NASA 的研究也表明，電推進(jìn)飛機(jī)可實(shí)現(xiàn)節(jié)能超過60%、減排超過90%、降噪超過65%的潛在收益［37］。但是基于各種條件的限制，商用飛機(jī)至今還無法實(shí)現(xiàn)完全由純電提供動(dòng)力。鋰離子電池是目前在研電動(dòng)飛機(jī)主要的能源，但是其能量密度仍然無法滿足商用航空飛行器的要求。囿于儲(chǔ)能系統(tǒng)的功率密度與能量密度，混合電推進(jìn)技術(shù)是目前支線飛機(jī)發(fā)展的重要方向。傳統(tǒng)燃油飛機(jī)在起飛、爬升、著陸、滑行階段，發(fā)動(dòng)機(jī)效率較低，而混合電推進(jìn)技術(shù)恰恰是在這些階段將電推進(jìn)分系統(tǒng)投入使用，從而讓燃油發(fā)動(dòng)機(jī)維持在最優(yōu)效率的狀態(tài)下運(yùn)行。對(duì)于中短程飛機(jī)來說，由于起飛、爬升、著陸、滑行階段的時(shí)間占總飛行時(shí)間的比例較高，使用混合電推進(jìn)系統(tǒng)能夠顯著節(jié)省燃油、降低噪音。因此從這個(gè)角度來看，混合電推進(jìn)技術(shù)十分適合應(yīng)用于航程較短、使用頻率較高的支線飛機(jī)上。在目前眾多的在研新機(jī)型中，空客的E-Fan X，波音投資研發(fā)的Zunum 和NASA的“STARCABL”是最具代表性的3 款機(jī)型［38］。

支線飛機(jī)的混合電推進(jìn)技術(shù)采用儲(chǔ)能裝置與電機(jī)的組合提供額外的推力，運(yùn)行模式靈活，能夠有效提高飛機(jī)能量使用效率；推進(jìn)系統(tǒng)布局靈活，可采用分布式布局、翼身融合等新型設(shè)計(jì)，為飛機(jī)構(gòu)型設(shè)計(jì)提供廣闊的空間。中國(guó)航空研究院提出了未來60～90 座混合電推進(jìn)CAE-X2 支線飛機(jī)概念，航程約1 200 km。采用機(jī)身尾部螺旋槳邊界層抽吸技術(shù)、混合電推進(jìn)飛機(jī)能量管理和分配方案，預(yù)計(jì)2030 年技術(shù)成熟度達(dá)到6 級(jí)［39］。

此外，氫燃料作為清潔燃料，能夠大幅降低支線飛機(jī)飛行過程中的碳排放水平，氫能航空被認(rèn)為是航空業(yè)未來實(shí)現(xiàn)污染物零排放和可持續(xù)發(fā)展的關(guān)鍵。雖然氫能具有能量密度高、綠色環(huán)保等優(yōu)勢(shì)，但是目前氫動(dòng)力系統(tǒng)技術(shù)尚不能滿足航空飛行的需求，還需要大量的研究與驗(yàn)證。歐盟將從環(huán)境潛力評(píng)估、推進(jìn)系統(tǒng)開發(fā)、飛機(jī)整合及安全認(rèn)證這4 個(gè)方面進(jìn)行氫動(dòng)力系統(tǒng)的技術(shù)研究。在環(huán)境潛力評(píng)估方面，由于氫氣燃燒產(chǎn)生的水蒸氣會(huì)散發(fā)氮氧化合物，因此需要充分評(píng)估氫能飛機(jī)對(duì)環(huán)境的影響；在推進(jìn)系統(tǒng)開發(fā)方面，氫燃料的儲(chǔ)存、分配和燃燒系統(tǒng)將成為開發(fā)氫能系統(tǒng)的關(guān)鍵；在飛機(jī)整合方面，飛機(jī)的設(shè)計(jì)將向大體積方向邁進(jìn)，混合動(dòng)力布局或?qū)⒕哂幸欢▋?yōu)勢(shì)；在安全認(rèn)證方面，氫燃料需要加壓儲(chǔ)存，以解決燃料蒸發(fā)問題，因此飛機(jī)結(jié)構(gòu)需進(jìn)行冗余設(shè)計(jì)，并驗(yàn)證使用材料的兼容性。同時(shí)，需要重新開發(fā)安全認(rèn)證環(huán)節(jié)，以保障飛機(jī)的安全性［40］。

3.3 支線飛機(jī)駕駛模式發(fā)展

隨著民用航空客運(yùn)量的持續(xù)增加以及航空物流的迅猛發(fā)展，民用航空市場(chǎng)對(duì)飛行員的需求越來越大，而飛行員的培養(yǎng)成本高、周期長(zhǎng)，使得航空市場(chǎng)出現(xiàn)供不應(yīng)求的情況。同時(shí)，隨著飛行環(huán)境、空域交通的日益復(fù)雜，飛行環(huán)境感知、飛行狀態(tài)識(shí)別、飛行航路組織和飛行過程管理對(duì)駕駛艙乘員的協(xié)同操作過程提出了非常高的要求，但是機(jī)上飛行員的感知能力、認(rèn)知能力和響應(yīng)能力有限，且協(xié)同過程中存在認(rèn)知缺陷、思維偏離和操作不一致性，對(duì)飛行安全有一定影響。圖13 描繪了未來商用飛機(jī)將呈現(xiàn)“雙乘員駕駛模式—單一飛行員駕駛模式—無人駕駛模式”的發(fā)展趨勢(shì)［41］。目前，商用飛機(jī)的運(yùn)行大多是采用的是雙乘員駕駛模式，即機(jī)長(zhǎng)和副機(jī)長(zhǎng)協(xié)同交互完成飛行駕駛操作。國(guó)內(nèi)外許多學(xué)者已經(jīng)開始對(duì)于單一飛行員駕駛的相關(guān)研究，并系統(tǒng)提出了單一飛行員駕駛模式概念和運(yùn)行架構(gòu)［42-46］。在商用飛機(jī)無人駕駛領(lǐng)域，已經(jīng)有學(xué)者開展了將遠(yuǎn)程駕駛飛機(jī)系統(tǒng)（RPAS）融入空中交通系統(tǒng)的相關(guān)研究［47-52］，并提出了商用飛機(jī)遠(yuǎn)程駕駛模式的概念架構(gòu)［53］。

圖13 未來商用飛機(jī)的發(fā)展趨勢(shì)［41］Fig.13 Development trend of future commercial aircraft［41］

3.3.1 支線客機(jī)單一飛行員駕駛模式

商用飛機(jī)單一飛行員駕駛（Single Pilot Operations，SPO）模式是目前現(xiàn)代航空技術(shù)發(fā)展的一個(gè)重要方向。飛行員作為航空運(yùn)營(yíng)的關(guān)鍵資源，培養(yǎng)周期長(zhǎng)，成本昂貴，而支線航空采取低票價(jià)、多頻次的“短、平、快”運(yùn)營(yíng)模式，需要嚴(yán)格控制成本，加上支線飛機(jī)的駕駛舒適度比干線差，飛的頻次又比干線高，加劇了支線航空的飛行員短缺問題［54］。多駕駛乘員雖然能減輕飛行員獨(dú)立操作負(fù)荷，降低飛行員專業(yè)知識(shí)范圍要求，但直接增加了飛行乘員的數(shù)量和成本，增加了飛機(jī)駕駛艙乘員空間需求，同時(shí)還增加了支持駕駛艙乘員的操作和協(xié)同設(shè)備。另外，在多乘員協(xié)同駕駛過程中，由于多乘員協(xié)同過程存在認(rèn)知缺陷、思維偏離和操作不一致性，直接影響飛行駕駛決策和飛行過程組織的性能、效率和有效性，并對(duì)飛行安全產(chǎn)生一定的影響。對(duì)比而言，支線客機(jī)單一飛行員駕駛模式能有效降低飛行員配置成本，減輕飛行員短缺壓力，縮小飛機(jī)駕駛艙空間和尺寸，減少駕駛艙顯示系統(tǒng)配置，消除飛行員決策沖突，提升飛行員決策響應(yīng)效率，具有十分重要的意義。國(guó)際民航組織規(guī)劃SPO作為2030 年新一代民用客機(jī)運(yùn)行的核心技術(shù)，根據(jù)美國(guó)FAA 預(yù)計(jì)，2030—2050 年將是商用飛機(jī)單一飛行員駕駛和雙飛行員駕駛混合運(yùn)行時(shí)代，國(guó)內(nèi)外學(xué)者都在系統(tǒng)和深入地開展SPO 技術(shù)的相關(guān)研究［42-47］。

1）單一飛行員駕駛模式需求

支線客機(jī)單一飛行員駕駛模式的研究目標(biāo)是覆蓋目前雙飛行員駕駛模式的駕駛操縱效率和品質(zhì)，實(shí)現(xiàn)駕駛乘員最少化，消除飛行環(huán)境認(rèn)識(shí)分歧和飛行任務(wù)組織決策沖突，減少飛行駕駛響應(yīng)時(shí)間，建立航空公司地面操作員、管制員和機(jī)上單一駕駛飛行員一體化協(xié)同模式，實(shí)現(xiàn)基于飛行計(jì)劃需求、基于空域交通、基于飛行狀態(tài)的空地飛行過程協(xié)同管理。相對(duì)于目前雙飛行員駕駛模式，單一飛行員駕駛模式下需要開展以下3 個(gè)方面的研究才能確保飛行安全：

①提高標(biāo)稱飛行覆蓋率

飛機(jī)的飛行過程按照飛行員是否參與決策分為標(biāo)稱飛行過程（不需要飛行員決策）和非標(biāo)稱飛行過程（需要飛行員決策），其中標(biāo)稱飛行過程占整個(gè)飛機(jī)飛行過程的70%～80%，非標(biāo)稱飛行過程占10%～20%。對(duì)于支線飛機(jī)單一飛行員駕駛模式，必須提高整個(gè)飛行過程中的標(biāo)稱飛行過程的自動(dòng)化水平，從而減少飛行員協(xié)同決策比例，最終降低單一飛行員工作負(fù)荷，確保飛機(jī)飛行安全。

② 感知單一飛行員駕駛狀態(tài)

在單一飛行員駕駛模式下，無法像雙乘員模式下通過視覺和聽覺相互判斷對(duì)方是否處于失能狀態(tài)，從而避免由于飛行員失能而導(dǎo)致的災(zāi)難。因此，對(duì)于支線飛機(jī)單一飛行員駕駛模式，需要針對(duì)飛行員在不同飛行階段的操作過程，通過駕駛艙感知設(shè)備建立駕駛艙感知環(huán)境來判斷飛行員是否處于失能狀態(tài)（包括身體原因的失能以及離崗等）或者飛行員操作邏輯是否規(guī)范，最終確保飛行員錯(cuò)誤操作及失能狀態(tài)判斷不低于雙飛行員駕駛模式。

③建立空地協(xié)同交互決策

基于飛機(jī)不同的飛行過程及飛行員操作，針對(duì)飛行員標(biāo)稱駕駛與飛行員正常能力條件、飛行員非標(biāo)稱駕駛與飛行員正常能力條件、飛行員標(biāo)稱駕駛與飛行員失能條件以及飛行員非標(biāo)稱駕駛與飛行員失能條件4 種模式，通過與駕駛艙自動(dòng)系統(tǒng)的人-機(jī)交互決策以及與航空公司地面操作員的交互決策，建立單一飛行員模式空地協(xié)同交互決策機(jī)制，確保單一飛行員代替現(xiàn)有雙飛行員駕駛工作負(fù)荷增加量不超出安全范圍。

2）單一飛行員空地協(xié)同系統(tǒng)

為了實(shí)現(xiàn)單一飛行員駕駛模式能夠覆蓋目前雙飛行員駕駛模式的駕駛操縱效率和品質(zhì)的目標(biāo)，需要建立航空公司地面操作員、管制員和機(jī)上飛行員一體化空地協(xié)同模式，即SPO 空地協(xié)同架構(gòu)。支線客機(jī)的單一飛行員空地協(xié)同系統(tǒng)包含機(jī)上飛行員系統(tǒng)、駕駛艙自動(dòng)化系統(tǒng)和地面操作員系統(tǒng)，如圖14 所示。其中，機(jī)上飛行員系統(tǒng)按照飛行計(jì)劃并實(shí)時(shí)監(jiān)控飛行路徑和偏離情況駕駛飛機(jī)，駕駛艙自動(dòng)化系統(tǒng)進(jìn)行飛行信息監(jiān)控及飛行系統(tǒng)管理，同時(shí)通過認(rèn)知人機(jī)接口、功能分配完成對(duì)機(jī)長(zhǎng)能力狀態(tài)的實(shí)時(shí)感知及任務(wù)分配，地面操作員系統(tǒng)通過數(shù)據(jù)鏈與機(jī)上飛行員系統(tǒng)實(shí)時(shí)通信及數(shù)據(jù)同步，完成不同駕駛模式的監(jiān)控輔助或遠(yuǎn)程操控。所述的機(jī)上飛行員系統(tǒng)即機(jī)上單一飛行員控制的主駕駛輔助模塊，其中：機(jī)上單一飛行員作為飛行機(jī)長(zhǎng)，負(fù)責(zé)飛機(jī)飛行操作，主駕駛輔助模塊負(fù)責(zé)協(xié)助主駕駛飛行員完成駕駛。

圖14 單一飛行員駕駛模式組織架構(gòu)圖Fig.14 Organizational structure of SPO mode

所述的機(jī)上單一飛行員，是飛機(jī)飛行過程的主駕駛飛行員，作為飛行機(jī)長(zhǎng)，負(fù)責(zé)完成飛行組織與飛行駕駛相關(guān)工作。機(jī)上飛行員需要按照飛行計(jì)劃駕駛飛機(jī)，同時(shí)要實(shí)時(shí)監(jiān)控飛行路徑和偏離情況，及時(shí)對(duì)飛機(jī)狀態(tài)進(jìn)行調(diào)整。機(jī)上單一飛行員對(duì)應(yīng)于雙飛行員駕駛中的駕駛飛行員，在本身具備正常能力條件時(shí)，是飛機(jī)在空中飛行時(shí)的實(shí)際決策與操控者。如圖15 所示，機(jī)長(zhǎng)所有控制飛機(jī)的動(dòng)作借助機(jī)載系統(tǒng)完成，獲取的飛行信息也都來源于機(jī)載系統(tǒng)的采集與展示，機(jī)長(zhǎng)通過語音通信、數(shù)據(jù)輸入或顯示觸控的方式控制駕駛艙自動(dòng)化系統(tǒng)，借助駕駛艙自動(dòng)化系統(tǒng)可更高效地完成飛行任務(wù)，機(jī)長(zhǎng)還可通過語音鏈路與航空公司地面操作員直接聯(lián)系來協(xié)同決策。

主駕駛輔助模塊用于輔助機(jī)上飛行員完成飛行駕駛與飛行組織，包括：飛行管理系統(tǒng)、座艙顯示系統(tǒng)、通信系統(tǒng)在內(nèi)的機(jī)載系統(tǒng)，這些系統(tǒng)的功能將在單一飛行員駕駛飛機(jī)中得到保留并進(jìn)一步整合，其中飛行管理系統(tǒng)能夠協(xié)助機(jī)上飛行員完成飛行計(jì)劃與飛行導(dǎo)航，座艙顯示系統(tǒng)能夠展示飛行狀態(tài)信息并對(duì)環(huán)境進(jìn)行監(jiān)視，通信系統(tǒng)可支持機(jī)上飛行員與地面航空公司操作員及空管中心實(shí)時(shí)溝通協(xié)同決策。如圖15 所示，機(jī)載系統(tǒng)支持機(jī)上飛行員對(duì)飛機(jī)的駕駛控制，也支持將飛行信息同步給駕駛艙自動(dòng)化系統(tǒng)，并根據(jù)駕駛艙自動(dòng)化系統(tǒng)轉(zhuǎn)發(fā)的控制指令完成對(duì)飛機(jī)的駕駛控制。

圖15 單一飛行員駕駛系統(tǒng)交聯(lián)關(guān)系圖Fig.15 Cross-linking diagram of SPO system

駕駛艙自動(dòng)化系統(tǒng)包括：通信管理模塊、飛行環(huán)境監(jiān)視模塊、飛行綜合管理模塊、認(rèn)知人機(jī)接口模塊以及功能分配模塊，其中：通信管理模塊用于管理數(shù)據(jù)鏈路的指揮、控制及通信功能，飛行環(huán)境監(jiān)視模塊用于依據(jù)機(jī)載設(shè)備所采集的飛行環(huán)境信息進(jìn)行融合決策，飛行綜合管理模塊用于進(jìn)行航路優(yōu)化及航跡組織，認(rèn)知人機(jī)接口模塊用于對(duì)機(jī)上單一飛行員的能力狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，功能分配模塊用于針對(duì)當(dāng)前任務(wù)需求，合理調(diào)配飛行員、地面操作員及自動(dòng)化系統(tǒng)需要處理的工作。駕駛艙自動(dòng)化系統(tǒng)能夠確保在單一飛行員駕駛模式下，和雙乘員駕駛模式下相比，不增加飛行員負(fù)擔(dān)；同時(shí)，在飛行員無法正常駕駛飛機(jī)時(shí)，可通過該系統(tǒng)確保地面操作員掌控飛機(jī)完成飛行。駕駛艙自動(dòng)化系統(tǒng)能夠減少飛行員負(fù)擔(dān)、減少駕駛艙復(fù)雜性、增加飛機(jī)系統(tǒng)監(jiān)視能力、便于空地協(xié)同及信息共享。如圖15 所示，駕駛艙自動(dòng)化系統(tǒng)受機(jī)上飛行員的直接控制，同時(shí)也可受地面操作員的指令控制，并借助機(jī)載系統(tǒng)完成對(duì)飛機(jī)的設(shè)備組織與駕駛控制。

3.3.2 支線貨機(jī)無人駕駛模式

近年來，中國(guó)航空貨運(yùn)需求不斷增長(zhǎng)，機(jī)隊(duì)規(guī)模急需擴(kuò)張?？蜋C(jī)改貨機(jī)是快速補(bǔ)充貨機(jī)的普遍做法，2020 年6 月，成都航空一架經(jīng)“客改貨”改裝的ARJ21 飛機(jī)搭載近5 t 普貨快件從成都飛往深圳，完成過程支線飛機(jī)的首個(gè)“客改貨”航班。為節(jié)約有限的空運(yùn)資源，航空物流多半采用“紅眼航班”，即夜間駕駛，給飛行員帶來了不可避免的安全威脅。為應(yīng)對(duì)飛行員數(shù)量短缺，培養(yǎng)成本高昂以及夜間駕駛安全性問題，提出將無人駕駛技術(shù)運(yùn)用于“客改貨”飛機(jī)。通過引入支線貨機(jī)無人駕駛模式，可以有效降低貨運(yùn)公司的運(yùn)營(yíng)成本，提高飛機(jī)的利用率［55］。

支線無人駕駛飛機(jī)與目前雙飛行員駕駛飛機(jī)相比，最大的差異點(diǎn)在于機(jī)上沒有了飛行員和駕駛艙，傳統(tǒng)顯示在駕駛艙儀表系統(tǒng)中數(shù)據(jù)通過指揮和控制鏈（Command and Control Link，C2 Link）向下傳輸?shù)降孛嬲尽Ｓ捎跊]有了駕駛艙中飛行員通過舷窗觀察機(jī)外信息，為了減少遠(yuǎn)程飛行員由于不在機(jī)上而導(dǎo)致的視覺信息損失，需要在機(jī)頭加裝若干個(gè)攝像頭，以便實(shí)時(shí)監(jiān)視機(jī)外信息，并通過機(jī)載數(shù)據(jù)融合與智能分析系統(tǒng)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，將處理后的有用信息通過C2鏈傳輸?shù)降孛嬲静@示給遠(yuǎn)程飛行員。目前受C2鏈帶寬以及衛(wèi)星傳輸費(fèi)用影響，機(jī)上視頻數(shù)據(jù)不下傳到地面站，但地面站可以在接收到這些數(shù)據(jù)后，通過地面仿真模擬軟件把數(shù)據(jù)進(jìn)行可視化，以便遠(yuǎn)程飛行員進(jìn)行決策。因此可見，支線客機(jī)無人駕駛模式需要可靠的通信鏈路支撐，國(guó)際民航組織（ICAO）發(fā)布了第6 版全球空中航行計(jì)劃（GANP），明確提出了現(xiàn)代空中航行系統(tǒng)的具體實(shí)施路線——航空系統(tǒng)組塊升級(jí)（ASBU）。其中指出，未來航空通信技術(shù)的路線圖包含機(jī)場(chǎng)AeroMACS、航路LDACS 以及海事衛(wèi)星等下一代衛(wèi)星通信等寬帶通信新技術(shù)。國(guó)內(nèi)也開始規(guī)劃“新一代航空寬帶通信技術(shù)”的研究，包括5G AeroMACS2.0、5G LDACS2.0、5G ATG 及5G 公共網(wǎng)絡(luò)等基于5G 的通信技術(shù)，在未來低時(shí)延、高可靠、大帶寬特性的航空寬帶通信技術(shù)的背景下，可以支持大容量的實(shí)時(shí)性數(shù)據(jù)傳輸，進(jìn)而支持遠(yuǎn)程飛行員進(jìn)行飛機(jī)決策和遠(yuǎn)程控制。

從心理學(xué)角度分析，遠(yuǎn)程駕駛飛機(jī)相對(duì)于在機(jī)上駕駛飛機(jī)的工作負(fù)荷更大，為了減輕遠(yuǎn)程飛行員的工作負(fù)荷，支線無人駕駛貨機(jī)上需要有更多的自動(dòng)化設(shè)備輔助遠(yuǎn)程飛行員駕駛飛機(jī)，從而確保飛行安全。例如，場(chǎng)面運(yùn)行自動(dòng)系統(tǒng)、機(jī)外信息監(jiān)視與告警系統(tǒng)、自動(dòng)起飛系統(tǒng)等。CCAR25 部中也指出，在飛行員駕駛飛機(jī)時(shí)，應(yīng)盡可能使用機(jī)載自動(dòng)系統(tǒng)駕駛飛機(jī)［56］。同時(shí)，為了進(jìn)一步減少遠(yuǎn)程飛行員工作負(fù)荷以及提高空域利用率和飛行安全性，支線無人駕駛貨機(jī)可以通過機(jī)載自主系統(tǒng)在空管授權(quán)的交通區(qū)域自主飛行，期間如果發(fā)生因氣象等條件導(dǎo)致的航跡調(diào)整，或者結(jié)合飛行環(huán)境和飛機(jī)狀態(tài)計(jì)算出的更節(jié)省燃油的優(yōu)化航跡等，飛機(jī)可以通過分析本機(jī)狀態(tài)，以及從空管那里自動(dòng)獲取區(qū)域內(nèi)其他飛機(jī)的飛行意圖等信息，計(jì)算出當(dāng)前飛行狀態(tài)下的最優(yōu)航跡并報(bào)空管備案。因此，在機(jī)載自主系統(tǒng)輔助下，遠(yuǎn)程飛行員僅充當(dāng)“遠(yuǎn)程副駕駛”的角色，監(jiān)控飛機(jī)飛行即可。

支線無人駕駛貨機(jī)系統(tǒng)包括支線無人駕駛貨機(jī)、用于遠(yuǎn)程駕駛的地面站以及設(shè)置于地面站和商用無人駕駛飛機(jī)之間、為遠(yuǎn)程駕駛機(jī)組通過地面站操控飛機(jī)提供通信通道的指揮和控制（C2）鏈路，其中支線無人駕駛貨機(jī)對(duì)飛行環(huán)境信息進(jìn)行自動(dòng)處理并通過指揮控制鏈路將處理結(jié)果按需輸出至地面站、航空公司和空管中心，此外，還接收來自地面站的飛行控制指令，完成對(duì)飛機(jī)的遠(yuǎn)程操控。商用無人駕駛飛機(jī)系統(tǒng)架構(gòu)如圖16所示。

圖16 支線無人駕駛貨機(jī)系統(tǒng)架構(gòu)Fig.16 System architecture of unmanned regional cargo aircraft

支線無人駕駛貨機(jī)主要由3 個(gè)系統(tǒng)構(gòu)成：機(jī)載監(jiān)視系統(tǒng)、機(jī)載飛行管理系統(tǒng)和機(jī)載通信系統(tǒng)。其中：機(jī)載監(jiān)視系統(tǒng)通過合作或非合作傳感器輸出飛行環(huán)境信息，或直接輸出飛行性能信息至飛行監(jiān)視間隔保障處理（ASSAP）模塊進(jìn)行監(jiān)視數(shù)據(jù)處理和間隔保障處理，同時(shí)機(jī)載監(jiān)視系統(tǒng)與下一代飛管系統(tǒng)（NG-FMS）交互完成基于監(jiān)視的引導(dǎo)，從而減少地面操作員工作負(fù)擔(dān)，確保飛行安全；機(jī)載飛行管理系統(tǒng)在機(jī)載自動(dòng)飛行系統(tǒng)和機(jī)載自主飛行系統(tǒng)的支持下完成航路優(yōu)化和航跡組織，并通過指揮控制鏈路將結(jié)果輸出至地面站。機(jī)載通信系統(tǒng)建立起支線無人駕駛貨機(jī)和地面站、航空公司、空管之間的數(shù)據(jù)鏈路，實(shí)現(xiàn)多方數(shù)據(jù)信息共享以支持協(xié)同決策。

4 面向智能飛行的自動(dòng)、自主、人工智能組織模式

無論是在目前雙人制駕駛模式下還是在未來的單一飛行員駕駛模式或是無人駕駛模式下，在飛行員駕駛飛機(jī)時(shí)，應(yīng)盡可能使用機(jī)載自動(dòng)系統(tǒng)駕駛飛機(jī)。同時(shí)，為了進(jìn)一步減少飛行員工作負(fù)荷以及提高空域利用率和飛行安全性，還可以通過機(jī)載自主系統(tǒng)或智能系統(tǒng)在空管授權(quán)的區(qū)域內(nèi)實(shí)現(xiàn)智能飛行［57-59］。因此，本節(jié)將重點(diǎn)介紹面向智能飛行的自動(dòng)（Automation）、自主（Autonomy）、人工智能（Artificial Intelligence，AI）組織模式。自動(dòng)、自主和人工智能（3A）組織是依據(jù)應(yīng)用計(jì)劃和任務(wù)，根據(jù)實(shí)施環(huán)境和條件，針對(duì)系統(tǒng)能力和特征，建立面向不同目標(biāo)、環(huán)境、能力、性能的任務(wù)定義、確定、運(yùn)行和控制管理。自動(dòng)、自主和人工智能（3A）組織模式如圖17 所示。

圖17 3A 組織模式Fig.17 Organization mode of 3A

4.1 自動(dòng)、自主和人工智能模式概念和任務(wù)

1）自動(dòng)模式

自動(dòng)（Automation）模式是面向任務(wù)系統(tǒng)確定性程序的自動(dòng)運(yùn)行過程。基于系統(tǒng)運(yùn)行程序，針對(duì)運(yùn)行程序定義的標(biāo)稱飛行過程組織與構(gòu)成，自動(dòng)模式提供規(guī)范的自動(dòng)操作程序，最終完成標(biāo)稱飛行過程的自動(dòng)化實(shí)現(xiàn)。對(duì)于非標(biāo)稱飛行過程，將交給自主模式（Autonomy）或飛行員進(jìn)行控制與運(yùn)行管理。

自動(dòng)模式一般面向標(biāo)稱飛行過程，例如陸基巡航飛行階段，通過調(diào)用預(yù)設(shè)在任務(wù)管理系統(tǒng)中的標(biāo)準(zhǔn)飛行程序來完成飛行任務(wù)和目標(biāo)，是預(yù)先規(guī)劃好的標(biāo)稱過程，不需要飛行員參與決策。

2）自主模式

自主（Autonomy）模式是面向任務(wù)系統(tǒng)復(fù)雜環(huán)境的自主與自治運(yùn)行過程?；谌蝿?wù)系統(tǒng)需求，根據(jù)任務(wù)環(huán)境和運(yùn)行狀態(tài)變化引起的復(fù)雜性和不確定特征，建立任務(wù)環(huán)境分析和規(guī)劃目標(biāo)推理，提供基于任務(wù)運(yùn)行環(huán)境的自主適應(yīng)和調(diào)整過程，建立面向任務(wù)系統(tǒng)使命、運(yùn)行環(huán)境和系統(tǒng)能力優(yōu)化的任務(wù)系統(tǒng)運(yùn)行過程組織，最終完成任務(wù)系統(tǒng)的自主和自治運(yùn)行管理。

自主模式一般面向非標(biāo)稱飛行過程，依據(jù)后臺(tái)的推理模型進(jìn)行決策，是基于規(guī)則的智能，類似于人的經(jīng)驗(yàn)。例如在遇到飛行沖突時(shí)，自主模式基于推理模型進(jìn)行分析，提供不同的解決方案給飛行員進(jìn)行決策。

3）人工智能模式

人工智能（AI）模式是面向任務(wù)系統(tǒng)運(yùn)行過程復(fù)雜環(huán)境的智能學(xué)習(xí)與推理運(yùn)行過程。基于機(jī)載智能化感知技術(shù)，監(jiān)視空域其他飛機(jī)運(yùn)行狀態(tài)，構(gòu)建當(dāng)前飛行環(huán)境感知和空域飛行狀態(tài)預(yù)測(cè)，智能協(xié)同運(yùn)行管理，組織空域能力、空域流量、飛行性能的優(yōu)化過程。

人工智能模式一般面向空管授權(quán)的空域內(nèi)，在算法庫的支持下對(duì)復(fù)雜空域環(huán)境進(jìn)行分析與處理，按需調(diào)用不同的智能算法，并通過機(jī)器學(xué)習(xí)將經(jīng)驗(yàn)和知識(shí)反饋到算法庫［60］，最終實(shí)現(xiàn)空域復(fù)雜環(huán)境智能飛行。

4.2 人工智能系統(tǒng)存在的不足

已知人工智能系統(tǒng)是面向飛行過程中存在的環(huán)境、任務(wù)、能力、組織、控制和管理存在的缺陷和不確定性。人工智能系統(tǒng)是基于機(jī)器的認(rèn)知和推理能力，在人機(jī)一體化飛行過程中，存在以下不足和問題。

1）缺乏自然確認(rèn)的思維

人工智能系統(tǒng)在任務(wù)處理和決策過程中，基于已有知識(shí)和規(guī)則進(jìn)行組織和推理，無法事先進(jìn)行事物變化結(jié)果的確認(rèn)，不能提供確定的結(jié)果狀態(tài)。而民機(jī)最主要的特征就是“確定性”，因此人工智能系統(tǒng)在適航取證方面還是任重而道遠(yuǎn)。

2）低透明度和可追溯性

人工智能系統(tǒng)建立在自身環(huán)境感知的基礎(chǔ)上，是基于自身所持有的假設(shè)、所考慮的數(shù)據(jù)、所使用的推理方法等來“解釋”事件和結(jié)果，無法給出真實(shí)世界的所有相關(guān)條件和因素，透明度低，可追溯性差，不能證明其解決方案集的確切性和合理性。

3）缺乏自我意識(shí)和環(huán)境意識(shí)

人工智能系統(tǒng)的有效性建立在自身有效性的基礎(chǔ)上，如果人工智能系統(tǒng)和其組件包含有故障模式，或者出現(xiàn)環(huán)境條件變化和感知偏離，可能出現(xiàn)超出原本認(rèn)知范圍的情況，那么其結(jié)果將出現(xiàn)偏離和錯(cuò)誤，影響人工智能處理的性能和有效性。

4）缺乏對(duì)共同目標(biāo)的相互理解和協(xié)同

已知飛行過程是基于飛行員對(duì)當(dāng)前場(chǎng)景感知、計(jì)劃、組織和管理的決策過程，是基于飛行員的認(rèn)知和思維過程，而人工智能系統(tǒng)是基于已有場(chǎng)景的感知、計(jì)劃、組織和管理規(guī)則的推理過程。因此，飛行員和人工智能系統(tǒng)缺乏共同目標(biāo)、任務(wù)約束、角色需求的一致理解，會(huì)導(dǎo)致認(rèn)知和決策的沖突與偏離。

5）人機(jī)非天然的通信接口

已知飛行過程組織與決策是建立在飛行員與人工智能系統(tǒng)的支持和協(xié)同的基礎(chǔ)上，由于人（飛行員）與機(jī)器（人工智能系統(tǒng)）之間缺乏傳統(tǒng)的雙向多通道通信（例如，語義、語調(diào)、面部表情、肢體語言等），不僅降低了通信數(shù)據(jù)率，而且存在信息丟失，特別是人的語氣、聲調(diào)、速度等含義的信息傳遞，導(dǎo)致協(xié)同能力、效率和有效性降低的問題。

6）未建立人機(jī)共同信任區(qū)

已知人（飛行員）和機(jī)（人工智能系統(tǒng)）對(duì)任何過程的處理是基于各自認(rèn)知的獨(dú)立感知、識(shí)別、分析和處理模式，通常不存在認(rèn)知過程的共同信任區(qū)。因此在飛行員做決策時(shí)，無法判斷處理過程中哪些是可信任的，哪些是不可信任的。

4.3 基于3A 的支線客機(jī)任務(wù)系統(tǒng)

在未來的支線飛機(jī)上，為了減輕單一飛行員/遠(yuǎn)程飛行員的工作負(fù)荷，飛機(jī)上將配備更多的自動(dòng)化設(shè)備輔助飛行員駕駛飛機(jī)，從而確保飛行安全。例如，在標(biāo)稱飛行過程中，機(jī)載自動(dòng)化系統(tǒng)通過調(diào)用預(yù)設(shè)在任務(wù)管理系統(tǒng)中的標(biāo)準(zhǔn)飛行程序來完成飛行任務(wù)和目標(biāo)，此時(shí)飛行員完成飛行過程監(jiān)視即可。同時(shí)，為了進(jìn)一步減輕飛行員的工作負(fù)荷以及提高空域利用率和飛行安全性，飛機(jī)可以在機(jī)載自主系統(tǒng)的支持下完成空管授權(quán)空域內(nèi)的自主飛行，機(jī)載自主系統(tǒng)通過分析本機(jī)狀態(tài)和從空管那里自動(dòng)獲取到的他機(jī)的信息，計(jì)算出當(dāng)前飛行狀態(tài)下的最優(yōu)航跡供飛行員決策，并報(bào)空管備案。此外，在面對(duì)更復(fù)雜的空域環(huán)境時(shí)，如果遇到未知的飛行沖突，人工智能系統(tǒng)可以通過智能學(xué)習(xí)與推理對(duì)復(fù)雜空域環(huán)境進(jìn)行分析與處理，按需調(diào)用不同的智能算法，并通過機(jī)器學(xué)習(xí)將經(jīng)驗(yàn)和知識(shí)反饋到算法庫，最終實(shí)現(xiàn)空域復(fù)雜環(huán)境智能飛行。因此，本文提出了基于自動(dòng)、自主、智能（3A）的支線客機(jī)任務(wù)系統(tǒng)。

4.3.1 任務(wù)系統(tǒng)智能化等級(jí)

支線客機(jī)的任務(wù)系統(tǒng)是典型的復(fù)雜系統(tǒng)，對(duì)于復(fù)雜系統(tǒng)管理的策略和方針應(yīng)是“分而治之”（Divide and Rule）［61］，飛機(jī)任務(wù)系統(tǒng)的處理應(yīng)該是分層次、分等級(jí)的［62］。下一代支線客機(jī)任務(wù)系統(tǒng)智能化等級(jí)如表1 所示，在不同智能化等級(jí)條件下，任務(wù)系統(tǒng)組織與運(yùn)行過程也不盡相同。隨著智能等級(jí)的提高，系統(tǒng)感知能力逐漸由自動(dòng)提升為智能，任務(wù)組織與處理過程逐漸由自動(dòng)過程提升為全自主（智能）過程。智能化等級(jí)為1 級(jí)時(shí)，自動(dòng)系統(tǒng)負(fù)責(zé)任務(wù)的所有方面，包括環(huán)境感知、生成計(jì)劃/選項(xiàng)/目標(biāo)和實(shí)現(xiàn)過程；當(dāng)智能等級(jí)達(dá)到10 級(jí)時(shí)，智能系統(tǒng)自主完成任務(wù)的所有方面，無需自動(dòng)系統(tǒng)和飛行員的干預(yù)，無需二者感知、規(guī)劃或執(zhí)行行動(dòng)。

表1 支線客機(jī)任務(wù)系統(tǒng)智能化等級(jí)Table 1 Intelligent level in mission system of regional airliner

4.3.2 基于3A 的支線客機(jī)任務(wù)系統(tǒng)支持模式

在飛行任務(wù)運(yùn)行過程中，針對(duì)不同任務(wù)需求，智能化組織與處理模式在系統(tǒng)思考（Think）、觀察（Look）、協(xié)調(diào)（Talk）、組織（Move）、運(yùn)行（Work）能力方面均有提升。下一代基于3A 的支線客機(jī)任務(wù)系統(tǒng)支持模式如表2 所示。對(duì)于思考層，基于飛行能力、作用域和結(jié)果知識(shí)進(jìn)行推理，即針對(duì)飛行計(jì)劃、任務(wù)能力和運(yùn)行條件，建立空域環(huán)境、任務(wù)需求和任務(wù)結(jié)果推理過程，對(duì)預(yù)期的行為做出合理的預(yù)測(cè)，最終完成自適應(yīng)飛行推理。對(duì)于觀察層，建立面向飛行計(jì)劃要求、飛行環(huán)境條件、系統(tǒng)能力的態(tài)勢(shì)感知組織，支持任務(wù)系統(tǒng)智能理解、推理和歸納。對(duì)于協(xié)同層，構(gòu)建基于任務(wù)需求和環(huán)境約束的人機(jī)協(xié)同決策過程，形成確定的飛行結(jié)果置信區(qū)域，支持飛行員/地面操作員決策。在組織層，3A 系統(tǒng)提供條件推理和狀態(tài)歸納，形成有效置信區(qū)域的任務(wù)運(yùn)行、能力和結(jié)果組織。在運(yùn)行層，基于任務(wù)系統(tǒng)智能化等級(jí)，提供任務(wù)運(yùn)行過程目標(biāo)、條件和能力，支持任務(wù)運(yùn)行過程動(dòng)態(tài)組織和優(yōu)化，建立基于不同智能化等級(jí)的任務(wù)自主運(yùn)行管理模式。

表2 支線客機(jī)任務(wù)系統(tǒng)支持模式Table 2 Mission system support mode of regional airliner

5 結(jié)束語

對(duì)中國(guó)來說，在包括支線飛機(jī)在內(nèi)的民用飛機(jī)技術(shù)領(lǐng)域與國(guó)外先進(jìn)水平仍存在一定差距，且國(guó)內(nèi)干、支線航空發(fā)展不平衡的現(xiàn)象遠(yuǎn)比發(fā)達(dá)國(guó)家嚴(yán)重，從而進(jìn)一步增加了支線飛機(jī)產(chǎn)業(yè)所面臨的困境。因此，需要高度關(guān)注可能對(duì)今后支線飛機(jī)發(fā)展產(chǎn)生革命性影響的先進(jìn)技術(shù)，如先進(jìn)氣動(dòng)布局、新能源、混合動(dòng)力、駕駛模式變革、智能飛行等，并及時(shí)進(jìn)行預(yù)研攻關(guān)。今后一旦條件具備，可以隨時(shí)開展與世界先進(jìn)水平同步的全新一代支線飛機(jī)研發(fā)，并與國(guó)外同類產(chǎn)品爭(zhēng)奪市場(chǎng)。