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标题 民用飞机高度综合化自动飞行控制系统研究
范文 柯劼　王兴波　魏强


摘 要：系统高度综合化对于提高安全性、增加功能可靠性、提升性能、降低运营成本至关重要。研究了民用飞机自动飞行控制系统功能综合架构，结合波音和空客公司最先进民用飞机自动飞行控制系统设计现状和发展趋势，得出高度综合化是民用飞机自动飞行控制系统发展趋势的结论。
关键词：民用飞机；自动飞行控制系统；系统综合化
DOIDOI：10.11907/rjdk.151589
中图分类号：TP319 文献标识码：A 文章编号：1672-7800（2015）007-0090-03
0 引言
自动飞行装置（方向稳定器）早在1873年就被应用于无人多翼滑翔机上[1]。自动飞行控制系统的雏形是自动驾驶仪，自1914年应用于飞机以来，经历了气动液压式、电动式、模拟电子式、数字电子式等发展类型[2]。自20世纪70 年代起，自动飞行控制系统逐步发展为集飞行导引控制系统（FGCS或AP/FD）、自动推力（A/THR）、自动着陆、飞行包线保护、告警通告等为一体的复杂系统[3]。
大型客机自动飞行控制系统（AFCS）以提高乘坐舒适性、减轻飞行员工作负担，提高飞行任务适应能力和效率为设计目标，接收飞行员手动设置、飞行管理系统（FMS）发送的指令和相关传感器输入信号等，提供自动控制飞机按设定的姿态、飞行路径、空速飞行的能力。随着民航界对空域使用效率要求的提升，航空公司和旅客对准点率要求的提高，自动飞行控制系统作为辅助飞行员控制飞机的系统，需支持所需导航性能RNP 0.1（DO-236B）、缩小垂直间隔RVSM（CCAR 91）和CAT III自动着陆（AC 120-28D）运行的要求。
为实现日益增多的功能，自动飞行控制系统在安全性、可靠性、架构、接口等方面进行了改进，并优化硬件配置，满足复杂逻辑带来的数据计算、处理等对资源消耗增加的要求。
1 民用飞机自动飞行控制系统
1.1 系统功能
民用飞机自动飞行控制系统主要包含飞行导引控制、自动推力、自动着陆、飞行包线保护、告警通告等功能。
飞行导引控制功能使用传感器提供的飞机姿态、位置偏差、姿态偏差及控制指令，提供飞行指引和自动驾驶，其工作模式分为垂直模式、水平模式和多轴模式，可提供纵向控制和横向控制。
自动推力功能根据飞行阶段、空速、发动机状态信息等，自动调节油门杆位置，控制发动机转速以实现发动机推力的自动控制。
自动着陆功能可在恶劣气象条件下自动、安全地完成对着陆阶段飞行路径、姿态和速度的精确控制，减轻飞行员工作负担。
飞行包线保护功能根据飞行导引控制工作模式、姿态角、空速等信息，通过飞行指引（FD）、自动驾驶（AP）和自动油门（AT）协同工作，限制自动飞行控制系统工作时的包线，提供全时的速度保护。
告警通告功能向飞行员通告自动飞行控制系统工作状态，包含飞行指引、自动驾驶、自动油门接通状态、飞行导引控制工作模式、自动着陆等级和接通状态等，并以视觉和听觉的方式提供自动飞行控制系统及设备的故障告警。
1.2 工作原理
自动飞行控制系统硬件包括驻留软件功能模块的计算机、驾驶舱遮光罩上提供飞行员与自动飞行控制系统接口的飞行模式控制板（FMCP）、驾驶杆上自动驾驶断开开关、油门杆上自动油门（AT）断开开关和起飞复飞（TOGA）开关。此外，飞行员通过超控驾驶杆、脚蹬、油门杆也能影响自动飞行控制系统工作。
飞行模式控制板是自动飞行控制系统人机交互设备，提供正、副驾驶员对自动飞行控制系统操作控制。飞行员通过操纵飞行模式控制板，进行飞行导引控制管理、垂直/水平模式导引选择和速度控制。
自动飞行控制系统接收来自传感器信号，通过飞行管理系统提供控制指令，飞行模式控制板选择飞行导引控制工作模式和速度，将轨迹指令转换为姿态角速率指令发送给主飞行控制系统（PFCS），主飞行控制系统指令作动器控制相应的舵面。此外，自动飞行控制系统控制油门杆和全权限数字发动机控制系统（FADEC），为飞机提供合适推力。自动驾驶飞行指引系统与主飞行控制系统、飞行管理系统、动力系统的交联如图1所示[4]。
1.3 系统架构与接口
为满足民用飞机复杂程度高、接口系统多、数据传输量大的要求，自动飞行控制系统采用电传飞控技术，减少了机械部件，简化飞机结构设计，减轻重量，增加了系统扩展能力，降低了费用，提高了系统功能可靠性；与其它机载系统共用计算机硬件，以软件功能模块的形式存在，减少硬件数量，减小设备体积；通过ARINC 664总线与其它系统互联，数据传输速率提高，且能简化布线，减轻飞机重量。自动飞行控制系统的数据传输架构如图 2所示。
图2 自动飞行控制系统数据传输架构
从最初只能控制姿态、航向稳定功能的自动驾驶仪，发展为具有独立的自动飞行计算机硬件、软件，可实现较多自动飞行功能的自动飞行控制系统，再到目前与其它机载系统共用计算机硬件、以驻留计算机的软件功能模块实现高度复杂自动飞行功能的自动飞行控制系统，民用飞机自动飞行控制系统的发展体现了机载系统硬件综合化、功能综合化的趋势。
2 民用飞机自动飞行控制系统介绍
以波音和空客公司最先进民用飞机B787及A380的自动飞行控制系统为例，对其设计现状态和发展趋势进行了研究，分析了民用飞机自动飞行控制系统功能架构的发展趋势。
2.1 B787飞机自动飞行控制系统
B787飞机自动飞行系统结构包括自动驾驶飞行指引系统（AFDS）和推力管理系统（TMS），使用通用数据网络（CDN）与其它机载系统连接。自动驾驶飞行指引系统硬件组成包括模式控制板（MCP）、驾驶盘上自动驾驶断开开关、驾驶盘反驱作动器、方向舵脚蹬反驱作动器、油门杆上自动油门断开开关和起飞/复飞开关。推力管理系统硬件组成包括油门杆上的自动油门断开开关。
自动驾驶飞行指引系统在飞行员手动操纵飞机时提供飞行指引，指示飞行员控制飞机，也可对飞机进行自动控制。推力管理系统自动油门控制油门杆运动，从而控制飞机推力。推力管理系统通过不同的工作模式与自动驾驶飞行指引系统协同工作，控制飞机纵向运动。自动驾驶飞行指引系统架构见图3，推力管理系统架构见图4。
从图3、图4可以看出，与波音公司首架采用电传飞控系统的B777飞机不同，B787飞机没有使用独立的自动驾驶飞行指引计算机，而是将主飞行控制功能、自动飞行功能、高升力功能综合进飞行控制电子（FCE），由驻留在其内部的软件功能模块实现；也未使用独立的推力管理计算机（TMC），而是将推力管理系统驻留在2套通用核心系统（CCS）中，以软件功能模块实现自动油门功能。此外，B787飞机自动飞行控制系统使用通用数据网络，提高了数据传输量和传输速率，并在传感器、计算机、执行机构和软件实现均采用多余度设计技术，提高了系统可靠性。
2.2 A380飞机自动飞行控制系统
A380飞机自动飞行系统（AFS）包括飞行导引（FG）系统、飞行管理系统、飞行包线（FE）和飞控数据集中（FCDC）等功能，包含3台主飞行控制和导引计算机（PRIM）、3台飞行管理计算机（FMC）等硬件。飞行员通过1个自动飞行系统控制面板（CP）、2个多功能显示器（MFD）、2个主飞行显示器（PFD）、2个导航显示器（ND）、2个侧杆上自动驾驶断开开关、4根油门杆和2个自动推力断开按钮与自动飞行系统进行交互。
飞行导引系统基于飞行员或飞行管理系统设置的目标值，提供水平和垂直导引，通过自动飞行系统控制面板设置的速度、航向、航迹、高度、垂直速度、飞行航迹角目标值进行短时控制，通过飞行管理系统将飞行计划转换为目标值进行长时控制，利用主飞行控制系统控制操纵面，通过全权限数字发动机控制系统控制发动机。飞行管理系统提供飞行计划和导航信息，计算并优化性能数据，并向飞行员显示相关信息。飞行包线功能计算飞机正常飞行包线，并防止飞机飞出包线。飞控数据集中功能发送系统告警，生成系统维护信息等。自动飞行系统架构见图5。
A380飞机与空客公司以往的A320、A330、A340型号飞机有显著区别，使用了高度综合化系统，取消了独立飞行管理导引计算机和飞控数据集中计算机，将自动飞行系统的飞行导引功能与主飞行控制系统驻留在3台采用主-从-从工作方式的主飞行控制和导引计算机中，将飞控数据集中功能驻留在核心处理输入输出C模块中（CPIOM-C），增加了独立飞行管理计算机，区分了飞行管理与自动飞行。此外，A380飞机自动飞行系统通过不同的网络交换机与两余度航电网络连接，与其它机载系统进行通讯，提升了数据传输能力，保证了输入输出数据完整、可用，提高了系统安全性、可靠性。
3 结语
高度综合化具有系统间传输效率高、安全性高、功能可靠性高、经济性好、维修操作便利、维修成本低等优点，在提高系统安全性、增加功能可靠性、提升性能、降低运营成本方面效果显著。
现役最先进的民用飞机均将自动飞行控制系统（AFCS）与其它机载系统集成在同一硬件中，体现了高度综合化特点和发展趋势。高度综合化使系统重量、体积、导线和接头、备件等数量减少，增加了系统的可靠性，使系统具有更大的灵活性，便于功能扩展，降低了系统全寿命周期成本。
高度综合化自动飞行控制系统架构清晰，便于管理维修；利于扩展，既节约费用又提高了系统的功能可靠性；兼容性好，采用模块化设计满足系统要求；灵活性强，可通过航电网络与不同的系统接口连接；维修成本低，采用集中管理，有利于分析、检查、测试和维修，提高了工作效率；项目费用合理，虽然研发投入较大，但系统技术指标可靠，有足够余量满足后续扩展，减少了维修工作，节省了管理费用。
高度综合化会耗费大量的计算机资源，但随着科技进步，尤其是电子技术的发展，控制系统的运算能力、处理能力都将显著提高。自动飞行控制系统在功能和实现上高度综合化，可与其它机载系统共用硬件资源，以软件功能模块的形式存在。另一方面，民用飞机的机载系统功能、架构愈来愈复杂，取消独立设备，使软、硬件高度综合化，成为系统发展趋势。
参考文献：
[1] 申安玉，申学仁，李云保，等. 自动飞行控制系统 [M]. 北京：国防工业出版社，2003：1-2.
[2] 周其焕. 民用飞机自动飞行控制系统的发展[J].航空电子技术， 2001，32（4）：43-47.
[3] Approval of Flight Guidance Systems [S]. AC 25.1329-1B. U.S：FAA，2006：15-16.
[4] 伊恩.莫伊尔. 民用航空电子系统 [M]. 范秋丽，译. 北京：航空工业出版社，2009：214.
（责任编辑：杜能钢）
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更新时间：2024/12/22 17:01:39