作者：學(xué)術(shù)plus高級(jí)評(píng)論員  高書亮

現(xiàn)代大型飛機(jī)的飛行控制系統(tǒng)(以下簡(jiǎn)稱飛控系統(tǒng))的主要作用是保證飛機(jī)的穩(wěn)定性和操縱性, 改善飛行品質(zhì), 確保飛機(jī)能夠在其許可的性能包線中飛行，從而保證飛行的安全與效率，同時(shí)盡可能減輕飛行員的工作負(fù)擔(dān)。

飛行控制系統(tǒng)包括：（1）主飛行控制系統(tǒng)(MFCS，人工飛行操縱系統(tǒng))和（2）自動(dòng)飛行控制系統(tǒng)(AFCS，也即我們平時(shí)所說(shuō)的“自動(dòng)駕駛儀”)。

主飛行控制系統(tǒng)的功能是：飛行員通過(guò)駕駛桿(或桿/盤)以及腳蹬控制飛機(jī)的升降舵、副翼和方向舵等飛機(jī)操縱面, 實(shí)施對(duì)飛機(jī)俯仰、傾斜和航向的控制。自動(dòng)飛行控制系統(tǒng)主要是與飛機(jī)相關(guān)傳感器（如慣性導(dǎo)航系統(tǒng)、大氣數(shù)據(jù)系統(tǒng)、無(wú)線電高度表等）交聯(lián)，根據(jù)各類傳感器提供的實(shí)時(shí)飛行數(shù)據(jù)和飛行員操作指令，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化的飛機(jī)航跡、航向、高度和姿態(tài)控制，從而進(jìn)一步減輕飛行員工作負(fù)擔(dān)，為飛機(jī)提供自動(dòng)化的控制手段，確保飛行安全和品質(zhì)。

n 安全性需求：安全性需求是民機(jī)飛控的第一需求, 一般要求飛控系統(tǒng)失效導(dǎo)致災(zāi)難性結(jié)果的概率小于10^–9/小時(shí), 這帶來(lái)了設(shè)計(jì)技術(shù)、評(píng)估和驗(yàn)證技術(shù)以及流程方法方面的諸多挑戰(zhàn)。這意味著現(xiàn)代飛控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)往往需要采用諸如功能分區(qū)、物理隔離、非相似余度設(shè)計(jì)/監(jiān)控等多種技術(shù)；

n 經(jīng)濟(jì)性需求：經(jīng)濟(jì)性需求是確保飛機(jī)運(yùn)行效率和商業(yè)成功的基本要求, 對(duì)飛控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、開(kāi)發(fā)、制造和維護(hù)提出新的挑戰(zhàn)，這往往要求飛控系統(tǒng)采用一體化設(shè)計(jì)技術(shù), 實(shí)現(xiàn)多種不同功能綜合, 減少機(jī)上LRU設(shè)備數(shù)量、重量和體積，進(jìn)一步提高系統(tǒng)簽派效率。

從人類實(shí)現(xiàn)有動(dòng)力飛行開(kāi)始，現(xiàn)代飛行控制系統(tǒng)經(jīng)歷了近百年的發(fā)展歷史。上世紀(jì)六十年代以前，當(dāng)時(shí)的飛機(jī)主要特點(diǎn)是飛行速度低，飛行力矩負(fù)載小，因此主要采用機(jī)械操縱系統(tǒng)，初步解決了飛機(jī)的平衡與可控、穩(wěn)定性與操縱性的矛盾以及航跡自動(dòng)控制等問(wèn)題，不斷地減輕了飛行員的工作負(fù)荷，提高了飛機(jī)的操控品質(zhì)。

而從上世紀(jì)60年代開(kāi)始，產(chǎn)生了兩個(gè)對(duì)現(xiàn)代飛機(jī)發(fā)展具有標(biāo)志性、劃時(shí)代意義的飛行控制概念———主動(dòng)控制和電傳操縱，改變了傳統(tǒng)飛機(jī)的設(shè)計(jì)理念，大幅提升了飛機(jī)的飛行品質(zhì)和任務(wù)能力， 同時(shí)促進(jìn)了綜合飛行控制的迅速發(fā)展，成為第三、四代軍用飛機(jī)和先進(jìn)客機(jī)的典型標(biāo)志。概況的說(shuō)，現(xiàn)代飛機(jī)飛控系統(tǒng)和技術(shù)大致經(jīng)歷了如下的發(fā)展階段：

早期的飛機(jī)尺寸小、速度慢，可由簡(jiǎn)單的機(jī)械操縱系統(tǒng)控制， 即駕駛桿和腳蹬的運(yùn)動(dòng)通過(guò)鋼索(軟式)或拉桿(硬式) 傳遞， 直接操縱舵面偏轉(zhuǎn)。

1914年，美國(guó)Sperry公司研發(fā)了電動(dòng)陀螺穩(wěn)定器，用于穩(wěn)定飛機(jī)平飛時(shí)的角運(yùn)動(dòng)， 成為后來(lái)自動(dòng)駕駛儀的雛形。第二次世界大戰(zhàn)后，超聲速飛機(jī)出現(xiàn)，此時(shí)飛行員操縱時(shí)已無(wú)法直接承受舵面上的鉸鏈力矩， 因此出現(xiàn)了全助力操縱系統(tǒng)，并且安裝了人感系統(tǒng)來(lái)為飛行員提供適當(dāng)?shù)牟倏v感。隨著飛機(jī)向高空、高速發(fā)展，飛行包線不斷擴(kuò)大，飛機(jī)的操穩(wěn)特性變化加劇，單純依靠改變?nèi)斯げ倏v系統(tǒng)和飛機(jī)的氣動(dòng)布局，已難以對(duì)飛機(jī)進(jìn)行有效控制。

于是，將增穩(wěn)控制引入到人工操縱中，形成了具有增穩(wěn)功能的全助力操縱系統(tǒng)。控制增穩(wěn)系統(tǒng)的引入，有效解決了高空高速飛機(jī)的穩(wěn)定性與操縱性之間的矛盾，擴(kuò)展了飛行包線，成為飛控技術(shù)發(fā)展史上重要的變革。

上世紀(jì)60年代以來(lái)，自動(dòng)駕駛儀的功能開(kāi)始擴(kuò)展，與機(jī)載無(wú)線電導(dǎo)航、慣性導(dǎo)航等系統(tǒng)交聯(lián)，增加了航跡控制部分;又與儀表著陸系統(tǒng)交聯(lián)，實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)進(jìn)場(chǎng)/著陸控制，進(jìn)一步擴(kuò)大了外回路功能;與自動(dòng)油門綜合后，形成了較為完整的自動(dòng)飛行控制系統(tǒng)。此時(shí)飛行控制的功能不再僅是姿態(tài)的穩(wěn)定與控制，還有航跡的操縱和保持。

隨著飛機(jī)性能需求的不斷提高，在傳統(tǒng)飛機(jī)設(shè)計(jì)過(guò)程中產(chǎn)生了諸多難以克服的矛盾。為此，主動(dòng)控制技術(shù)( Active Control Technology，ACT)誕生,即在飛機(jī)設(shè)計(jì)的最初階段， 就充分考慮飛行控制對(duì)提高飛機(jī)性能的作用和潛力，以放寬對(duì)飛機(jī)氣動(dòng)結(jié)構(gòu)和動(dòng)力裝置等方面的限制，而依靠飛行控制系統(tǒng)的相關(guān)能力主動(dòng)的進(jìn)行飛行性能的補(bǔ)償和增強(qiáng)，，從而形成飛控、氣動(dòng)、結(jié)構(gòu)和動(dòng)力之間的綜合協(xié)調(diào)。

20世紀(jì)70年代初，在原有的控制增穩(wěn)系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，產(chǎn)生了一種全新的電傳操縱系統(tǒng) ( Fly-By-Wire System，F(xiàn)BWS)。它去掉了駕駛桿到舵機(jī)之間的機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，飛行員操縱指令完全以電信號(hào)的形式直接傳輸?shù)蕉鏅C(jī)伺服控制回路，不僅較好地克服了機(jī)械操縱系統(tǒng)的固有缺陷，還方便地實(shí)現(xiàn)了主動(dòng)控制功能，從而使得采用自動(dòng)飛行控制提升飛行品質(zhì)在實(shí)踐中成為可能。在此基礎(chǔ)上產(chǎn)生的自動(dòng)飛行控制系統(tǒng)（AFCS）

一般的，自動(dòng)飛行控制系統(tǒng)主要包含飛行導(dǎo)引控制、自動(dòng)推力、自動(dòng)著陸、飛行包線保護(hù)、告警通告等功能。其中：

為了滿足現(xiàn)代大型飛機(jī)復(fù)雜程度高、接口眾多、數(shù)據(jù)傳輸量大、飛行時(shí)間場(chǎng)等要求，現(xiàn)代大型飛機(jī)的飛行控制系統(tǒng)一般采用電傳飛控技術(shù)，盡可能減少機(jī)械部件，簡(jiǎn)化飛機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，減輕重量，增加系統(tǒng)擴(kuò)展能力，降低運(yùn)行維護(hù)費(fèi)用，提高系統(tǒng)功能可靠性；其中的飛行控制計(jì)算機(jī)往往與其它機(jī)載系統(tǒng)共用計(jì)算機(jī)硬件，以軟件功能模塊的形式存在，減少硬件數(shù)量，減小設(shè)備體積，并通過(guò)先進(jìn)機(jī)載數(shù)據(jù)總線與其它系統(tǒng)互聯(lián)。

其基本架構(gòu)如下所示：

（1）B787的飛行控制系統(tǒng)

B787飛機(jī)的飛行控制系統(tǒng)包括自動(dòng)駕駛飛行指引系統(tǒng)（AFDS）和推力管理系統(tǒng)（TMS），該系統(tǒng)使用飛機(jī)固有的通用數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)（CDN）與其它機(jī)載系統(tǒng)連接，通過(guò)模式控制板、駕駛盤上自動(dòng)駕駛斷開(kāi)開(kāi)關(guān)、駕駛盤反驅(qū)作動(dòng)器、方向舵腳蹬反驅(qū)作動(dòng)器、油門桿上自動(dòng)油門斷開(kāi)開(kāi)關(guān)和起飛／復(fù)飛開(kāi)關(guān)實(shí)現(xiàn)人機(jī)互聯(lián)。推力管理系統(tǒng)硬件組成包括油門桿上的自動(dòng)油門斷開(kāi)開(kāi)關(guān)。自動(dòng)駕駛飛行指引系統(tǒng)在飛行員手動(dòng)操縱飛機(jī)時(shí)提供飛行指引，指示飛行員控制飛機(jī)，也可對(duì)飛機(jī)進(jìn)行自動(dòng)飛行控制。推力管理系統(tǒng)自動(dòng)油門控制油門桿運(yùn)動(dòng)，從而控制飛機(jī)推力。推力管理系統(tǒng)通過(guò)不同的工作模式與自動(dòng)駕駛飛行指引系統(tǒng)協(xié)同工作，控制飛機(jī)縱向運(yùn)動(dòng)。

（2）A380的飛行控制系統(tǒng)

A380飛機(jī)自動(dòng)飛行系統(tǒng)包括飛行導(dǎo)引系統(tǒng)、飛行管理系統(tǒng)、飛行包線保護(hù)等功能，它包含３臺(tái)主飛行控制和導(dǎo)引計(jì)算機(jī)、３臺(tái)飛行管理計(jì)算機(jī)等硬件。飛行員通過(guò)１個(gè)自動(dòng)飛行系統(tǒng)控制面板、２個(gè)多功能顯示器、2個(gè)主飛行顯示器、２個(gè)導(dǎo)航顯示器、２個(gè)側(cè)桿上自動(dòng)駕駛斷開(kāi)開(kāi)關(guān)、４根油門桿實(shí)現(xiàn)與自動(dòng)飛行系統(tǒng)進(jìn)行交互。

飛行導(dǎo)引系統(tǒng)基于飛行員或飛行管理系統(tǒng)設(shè)置的目標(biāo)值，提供水平和垂直導(dǎo)引，通過(guò)自動(dòng)飛行系統(tǒng)控制面板設(shè)置的速度、航向、航跡、高度、垂直速度、飛行航跡角目標(biāo)值進(jìn)行短時(shí)控制，通過(guò)飛行管理系統(tǒng)將飛行計(jì)劃轉(zhuǎn)換為目標(biāo)值進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)控制，利用主飛行控制系統(tǒng)控制操縱面，通過(guò)全權(quán)限數(shù)字發(fā)動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)控制發(fā)動(dòng)機(jī)。飛行管理系統(tǒng)提供飛行計(jì)劃和導(dǎo)航信息，計(jì)算并優(yōu)化性能數(shù)據(jù)，并向飛行員顯示相關(guān)信息。飛行包線功能算飛機(jī)正常飛行包線，并防止飛機(jī)飛出包線。飛控?cái)?shù)據(jù)集中功能發(fā)送系統(tǒng)告警，生成系統(tǒng)維護(hù)信息等。其基本架構(gòu)如下所示：

（全文完）