大型民用飞机飞行控制系统架构发展趋势.docx

大型民用飞机飞行控制系统架构发展趋势张新慧摘 要：为了支持国内民用飞机的研制发展，本文对大型民用飞机飞行限制系统的架构进行了探讨。回顾了国内外典型民用飞机的发展历史，分析了典型大型民用飞机飞行限制系统架构的研制特点。通过相关适航条款的探究和研制阅历总结，给出了一种适用于将来民用飞机的飞行限制系统架构方案。为了满意民用飞机市场竞争的需求，总结出大型飞机飞行限制系统的发展趋势，为国内大型飞机研发供应借鉴。关键词：民用飞机; 大型飞机; 飞行限制系统; 系统架构; 电传中图分类号：V249文献标识码：A文章编号：1673-5048（2022）06-0013-060 引  言民用飞机的最大特点就是要面对市场竞争，只有满意平安牢靠性、运营经济性和乘坐舒适性等方面需求，才能有更大的发展空间，然而对这些性能具有关键影响的系统之一就是飞行限制系统（简称飞控系统），因此，飞控系统架构将会对民用飞机的发展前景产生重要影响作用。国内外民用飞机的飞控系统经验了多个发展阶段：机械操纵的经典飞控系统、增稳与限制增稳系统、电传飞控系统阶段1，总体上是根据操纵系统的实现方式进行发展的，这其中也伴随有新增加的系统功能。其发展方向涉及飞控系统驱动飞机操纵面作动器的电动化2、自动化系统的运用及自动识别飞机的工作状态和飞行阶段的自动化3-4、挠性飞机的多目标飞行限制发展的敏捷化5，以及通过限制飞机缝翼角度进行降噪的环保化6等方面。通过探讨分析主要民用飞机的飞控系统特点，站在全新整体飞机的角度提出一种系统架构，同时，指明后续飞机飞控系统的发展方向，以支持研制立足于市场的民用飞机。1 系统架构发展1.1 发展概况当前在国际市场上比较出名的大型民用飞机主要是波音系列飞机和空客系列飞机，国内也在大力研发民用飞机，它们的飞控系统架构呈现了各自的研制特点。1.2 波音飞机的飞控系统波音飞机作为市场上民用飞机最许久的代表，其系列飞机经验了较多型号的发展，例如B707，B737，B737，B747，B757，B767，B777和B787等，其中最具典型特征的飞机是B737和B787。B737飞机是民航历史上最胜利的窄体民航客机之一7，其飞行限制系统采纳机械助力操纵系统，采纳两套常规的驾驶盘/脚蹬为主的操纵输入，通过钢索滑轮传递操纵指令，通过液压作动器驱动主要舵面（包括副翼、方向舵、升降舵、前緣缝翼和扰流板），其中，后缘襟翼和水平安定面作动器采纳115 V沟通电源通过电缆传输指令进行驱动。在副翼和升降舵舵面设置有调整片和自动驾驶仪伺服作动器，在副翼和方向舵通道设置有配平作动器。B737飞机的操纵系统是一套经典的带助力的操纵系统。B787飞机是当前波音系列飞机中最新代表，它的飞控系统采纳了电传操纵系统，其飞控系统架构8如图1所示，实现了主飞控系统、高升力系统以及自动飞控系统的功能综合。其采纳了双套驾驶盘/脚蹬为主发送限制指令，以四台飞行限制计算机为核心的系统架构，通过远程电子单元（REU，Remote Electronic Unit）限制液压作动器完成主要舵面（副翼、方向舵、升降舵以及大部分扰流板）的限制，其中少部分扰流板作动器和水平安定面采纳电作动器进行驱动，后缘襟翼和前缘缝翼采纳以液压马达驱动为主、以电动马达驱动为辅的限制方式。波音飞机具有肯定的继承性，其飞行限制系统架构由机械操纵系统发展到电传飞控系统，同时，具有以下特点：（1）采纳驾驶盘/脚蹬为主发送限制指令; （2）计算机集成化，合并了系统功能，削减了计算机数量; （3）向多电方向发展，部分舵面逐步采纳了沟通电源驱动; （4）采纳了肯定的新技术，比如远程电子单元和可独立运动的内外襟翼，减轻了传输电缆的重量，削减飞机飞行中的阻力。1.3 空客民机的飞控系统空客飞机作为大型民用电传飞机的代表，其系列飞机也经过了多型号的发展，例如A320，A330，A340，A350和A380等，其中具有典型代表的飞机是A320和A380。A320飞机采纳被动侧杆取代了传统的中心杆盘限制机构9，是第一架采纳侧杆限制的电传限制系统的民用飞机，其飞控系统架构如图2所示。采纳两套侧杆进行驾驶员限制输入，采纳9个飞行限制计算机，其中7个计算机依据正常、备用或者直连模态处理飞行员和自动驾驶仪的输入10，可完成副翼、方向舵、升降舵、水平安定面以及扰流板的限制; 2个计算机用来处理襟翼限制手柄的指令，可完成襟翼和缝翼的限制。须要说明的是，其方向舵和水平安定面设置有机械备用操纵方式。A380飞机是当前营运载客量最大的一种大型民用飞机。其飞控系统架构11（如图3所示）采纳两套侧杆进行驾驶员的限制输入，采纳9个飞行限制计算机系统，其中7个计算机系统可以根据正常限制、协助限制以及电子备用系统处理飞行员的输入，完成副翼、方向舵、升降舵、水平安定面以及扰流板的作动器驱动限制; 2个计算机用来处理襟翼限制手柄的指令，可完成襟翼和缝翼的液压驱动限制。须要说明的是，其副翼和升降舵设置有电静液作动器（EHAs，Electro-Hydrostatic Actuators），少量扰流板和方向舵设置有电备份液压作动器（EBHAs，Electrical Backup Hydraulic Actuators），水平安定面和缝翼设置有电动马达驱动方式。空客飞机也具有肯定的持续性，其飞行限制系统架构是在革新的电传飞控基础上向多电化方向发展，具有以下特点：（1）采纳侧杆/脚蹬为主发送限制指令; （2）计算机分布化，机械备用系统发展为电子备用系统; （3）向多电方向发展，部分舵面逐步采纳了沟通电源驱动; （4）采纳了其他的新技术，比如多种类型作动器和可独立运动的内外襟翼，提高系统舵面驱动的多样性和削减飞机飞行中的阻力。1.4 国内民机的飞控系统飞控系统的发展分为机械操纵的经典飞控系统、增稳与限制增稳系统以及电传飞控系统阶段，而国内已经运营的民用飞机也经验了这样一个发展过程，由初期的带自动驾驶仪的机械操纵系统（MA600飞机）逐步发展到叠加自动飞行限制系统的电传飞控系统（ARJ21-700飞机）。ARJ21-700飞机为中程支线民用客机，其自动飞行限制系统架构如图4所示。在试飞中的民用飞机C919，飞控系统则采纳“电传飞行限制+部分电功率、无机械备份”8的电传飞控系统。在电传飞控系统的设计过程中，也有探讨提出基于共模故障的终极备份方案，其中双伺服回路作动器设计终极备份13架构如图5所示。远程宽体客机采纳多电飞机技术、先进气动设计等提高飞机综合性能14。在可以预见的将来，采纳光传限制技术以及结合人工智能技术完成气动设计理念新的革命15的气动设计学科，将带动飞控系统取得较大发展。2 新的系统架构2.1 架构分析综述纵观大型民用飞机飞控系统架构的发展历史特点，每个时代的飞机都充分利用了当时能够达到的航空技术水平，才能够占有民用航空市场的一席之地。波音飞机从机械操纵系统发展到了电传飞控系统，空客飞机以创新的电传飞控系统起家渐渐拓展新功能，而国内才刚进入电传飞控系统阶段，只有不断创新并利用最新技术才能满意市场的需求。深化分析CCAR25.671条款16和CCAR25.1309条款等相关要求，明确系统故障综合和功能平安共因等问题，基于适航探讨的指导意义，利用现代的新技术，构建一个有潜力的飞控系统架构方案，拓展发展领域技术，支持民用飞机发展。2.2 系统架构方案本文提出的系统架构能够适用于多型民用飞机，例如一种较为先进的飞机气动外形翼身融合体飞机17。其飞控系统架构（如图6所示）采纳单套备用操纵装置进行驾驶员限制输入，每轴向配置2个限制指令传感器供应备用操纵装置的指令。采纳5个飞控计算机系统，其中3个计算机系统可以根据正常自动限制或者协助自动限制处理飞行员的规划指令，其他2个计算机系统协助执行自动限制计算机指令，可完成副翼、方向舵、升降舵、襟翼、缝翼、水平安定面以及扰流板的限制; 这2个计算机系统还可以用来处理备用操纵装置的指令，在应急条件下可以超越自动限制计算机执行舵面限制指令，同样可完成副翼、方向舵、升降舵、襟翼、缝翼、水平安定面以及扰流板的限制。对于飞控计算机系统限制和调参的关键信号也应当设置5个，采纳不同的2种类型。在作动器端设置2种采纳不同电子硬件的远程电子单元与自动限制计算机和备用人工限制器进行通信。每块副翼、方向舵和升降舵都配置2台简洁作动器，每块扰流板配置1台作动器，水平安定面配置双限制通道的单台作动器，缝翼和襟翼都配置双限制通道的单台驱动作动器，其中多块襟翼之间配置单台差动驱动作动器。在舵面驱动能源配置中，俯仰通道升降舵配置液压能源，水平安定面配置电源驱动，滚转通道副翼配置液压能源驱动，扰流板配置电源驱动，航向通道分上、下方向舵，配置液压能源和电源驱动，缝翼和襟翼都采纳电源驱动。该系统架构是基于智能限制理念提出的，飞机的正常飞行完全由自动限制计算机执行，驾驶员的作用主要是确认规划和备用状态下进行操纵，因而只须要配置一名驾驶员，也可以在监控显示屏触摸或音频输入指令操纵备用装置，这将影响驾驶舱的操纵理念18; 在计算机技术发展的基础上，自动限制计算机是可拓展的，完全可以集成全部系统的功能，实现整个飞行过程的综合管理，即超级飞行管理系统; 在总线通信技术进步的条件下，采纳远程电子单元完成驱动终端的指令处理，有效降低传输电缆的重量; 在電功率作动器的发展下，优化安排作动器的能源配置，不但满意平安余度的要求，而且敏捷的配置也为后续功能的拓展供应了条件。为实现该架构，须要提倡设计理念的变更，可以通过加强自动化、总线及无线通信、电功率作动器以及最优气动力设计等探讨，最终得以在新型号上应用。对比国内外大型民用飞机的系统架构，该系统从指令发送方式、计算机的应用、作动器多电能源配置以及新技术的运用等多方面进行了拓展，不但满意适航的要求，而且充分利用了当代先进技术。能够在有效降低飞控系统重量、削减飞控系统成品数量、满意适航平安性的基础上，缩减驾驶员数量，大幅降低飞控系统的运用成本，增加国内飞机在国际市场上的竞争力。3 系统架构发展趋势民用飞机在发展过程中须要不断的创新，才能满意市场竞争的需求，而对于飞机飞控系统架构的发展方向则须要不断探究，在满意平安性基础上，追求系统重量最小、功能更多、性能更优，为此须要在多个方面进一步探究发展。（1） 飞机气动外形设计优化。涉及到飞控系统须要有多个方面的技术支持，例如静不稳定的飞机、多舵面耦合限制、随重心调整限制、仿生气动外形以及主动流表面设计等，这将使飞控系统架构更加多样化，其涉及舵面的驱动方式也更加敏捷。（2） 飞机结构减重设计。涉及飞控系统的设备和新功能，例如最小化驱动设备的外形、仿生结构设计舵面的驱动、载荷减缓功能等，这就须要飞控系统的作动器拥有更好的性能而体积重量最小化。（3） 舒适性设计需求。飞控系统须要增加多项功能，例如干脆升力限制（增加舵面限制升力功能或者发动机矢量限制）、突风过载爱护功能以及噪声减缓功能19（增加缝翼和襟翼适量偏转）等，新功能让飞控系统变得更加多功能化。（4） 系统架构实现的方法改进。主要涉及驾驶舱设计理念（智能化、驾驶员监控角色）、计算机技术发展（小型化、模块化、飞行管理化）、信号传输方式（轻量化、总线化-光传飞行限制系统20）、舵面驱动方式（舵面功能余度安排、高压液压源、电功率作动器21、备用调整片）以及提升牢靠性（自检测技术22、余度容错方案23）等，更多的挑战让飞控系统趋于现代化。 猜你喜爱 系统架构民用飞机 基于互联网+医疗模式的内涵与系统架构分析数字技术与应用(2022年5期)2022-08-26云计算的系统架构及技术探析新一代(2022年12期)2022-10-12MSOTN关键技术探讨无线互联科技(2022年1期)2022-06-07民用飞机线型感温探测器对比探讨科技视界(2022年19期)2022-05-18基于水平测量的飞机改装顶升实践科技视界(2022年8期)2022-04-05民用飞机平安性分析探讨科技资讯(2022年19期)2022-10-09南京市地铁票务清算管理系统需求分析和架构设计科技与创新(2022年8期)2022-07-17 第12页 共12页第 12 页 共 12 页第 12 页 共 12 页第 12 页 共 12 页第 12 页 共 12 页第 12 页 共 12 页第 12 页 共 12 页第 12 页 共 12 页第 12 页 共 12 页第 12 页 共 12 页第 12 页 共 12 页