第一章-自動飛行控制系統(tǒng)概述2

第一章

自動飛行控制系統(tǒng)概述1.1自動飛行控制系統(tǒng)的發(fā)展1.2自動飛行控制系統(tǒng)的分系統(tǒng)1.3自動飛行控制系統(tǒng)的功用1.4有關飛行控制自動化的爭議1.1自動飛行控制系統(tǒng)的發(fā)展自動飛行控制系統(tǒng)已有一百多年的發(fā)展歷史。首次由陀螺控制的兩軸自動駕駛儀是由LawrenceSperry公司于1914年在巴黎演示成功的，所以這類自動駕駛儀稱為“陀螺駕駛儀”，其功用是保持飛機的穩(wěn)定平飛，即穩(wěn)定飛機的角運動。它是一種基于反饋原理與飛機空氣動力響應形成閉合回路的自動系統(tǒng)。1.1.1自動駕駛儀1.1自動飛行控制系統(tǒng)的發(fā)展自動駕駛儀中的測量元件（陀螺）從氣動陀螺發(fā)展為電動陀螺。自動駕駛儀中的伺服系統(tǒng)由過去的氣動-液壓式發(fā)展為全電動式；由3個陀螺分別控制3個通道（俯仰、橫滾、偏航）改用1個或2個陀螺來控制飛機，并可完成爬高及自動保持高度等機動飛行。有的轟炸機上的自動駕駛儀還與轟炸瞄準器連接起來，以改善水平轟炸的定向瞄準精度。1.1.1自動駕駛儀1.1自動飛行控制系統(tǒng)的發(fā)展自動駕駛儀中控制信號的處理與放大組件從機電放大器、磁放大器發(fā)展為電子管、半導體、集成電路以及微處理器和數(shù)字化。由于在通用航空飛機和大型運輸客機之間對自動飛行的要求不同，因而自動駕駛儀的類型多種多樣，其發(fā)展極不平衡。在單發(fā)私人小飛機上，可能只用單獨的“橫滾穩(wěn)定系統(tǒng)”或“機翼改平系統(tǒng)”，而大型客機可有從起飛至接地和滑行的全自動系統(tǒng)。1.1.1自動駕駛儀1.1自動飛行控制系統(tǒng)的發(fā)展20世紀60年代以前的自動駕駛儀均以舵機回路（舵機是指在自動駕駛儀中操縱飛機舵面（操縱面）轉(zhuǎn)動的一種執(zhí)行部件）的穩(wěn)定系統(tǒng)為主，配合較少的輸入指令（如轉(zhuǎn)彎、升降、高度保持等）去操縱飛機。1.1.2從自動駕駛儀到自動飛行控制系統(tǒng)1.1自動飛行控制系統(tǒng)的發(fā)展后來發(fā)展成為配合無線電導航、慣性導航的橫滾指令輸入，增加了外回路控制部分。要求實現(xiàn)自動進近和自動著陸，進一步擴大了外回路控制部分，并且和自動油門結(jié)合后形成了較為完整的自動飛行控制系統(tǒng)（AutomaticFlightControlSystem，AFCS）。1.1.2從自動駕駛儀到自動飛行控制系統(tǒng)1.1自動飛行控制系統(tǒng)的發(fā)展這時，AFCS的主要功能不再是角姿態(tài)的穩(wěn)定和控制，而是航跡選擇和保持以及速度的自動控制。這時，方式控制板（ModeControlPanel，MCP）成為不可缺少的部件，飛行員通過方式控制板選擇自動飛行控制系統(tǒng)的工作方式，并設置一定的參數(shù)。1.1.2從自動駕駛儀到自動飛行控制系統(tǒng)自動飛行控制系統(tǒng)是在20世紀60年代中逐步發(fā)展起來的，70年代是模擬式AFCS盛行的時代，80年代開始了AFCS從模擬式向數(shù)字式過渡。數(shù)字式的AFCS已和電子飛行儀表系統(tǒng)（EFIS）結(jié)合起來，自動飛行控制系統(tǒng)的工作方式通過EFIS顯示器上的飛行方式通告牌顯示給飛行員看，用于飛行員監(jiān)控自動飛行控制系統(tǒng)的實際工作狀態(tài)。1.1.2從自動駕駛儀到自動飛行控制系統(tǒng)隨著計算機技術(shù)和信息綜合化技術(shù)的發(fā)展，數(shù)字式的AFCS開始和飛行管理計算機系統(tǒng)（FMCS）結(jié)合工作。在飛行管理計算機統(tǒng)一管理下的自動飛行控制系統(tǒng)和自動油門配合，實現(xiàn)對飛機的自動控制和對發(fā)動機推力的自動控制。1.1.2從自動駕駛儀到自動飛行控制系統(tǒng)飛行管理計算機系統(tǒng)提供的許多先進的作用和功能是早期自動駕駛儀系統(tǒng)所不具備的。飛行管理計算機系統(tǒng)的功能如下：飛行計劃。性能管理。導航計算。對VOR（高頻全向信標系統(tǒng)）/DME（測距儀）自動調(diào)諧。自動油門速度指令。1.1.2從自動駕駛儀到自動飛行控制系統(tǒng)飛行計劃。使用駕駛艙內(nèi)的CDU（控制顯示組件）可以提前在計算機中編制一個完整的飛行計劃。性能管理。該系統(tǒng)可以提供爬升、巡航、下降和等待航線的最佳剖面，使用最優(yōu)的爬升設置、巡航設置可以獲得最低的飛行成本。導航計算。FMC（飛行管理計算機）可以計算水平導航指令和垂直導航指令。1.1.2從自動駕駛儀到自動飛行控制系統(tǒng)AFCS（自動飛行控制系統(tǒng)）A/T（自動油門系統(tǒng)）FMS（飛行管理計算機）CDU（控制顯示組件）IRS（慣性導航系統(tǒng)）VNAV（垂直導航）LNAV（水平導航）對VOR/DME自動調(diào)諧。FMC可以自動將VOR（高頻全向信標系統(tǒng)）/DME（測距儀）調(diào)諧到最合適的臺上。VOR/DME導航系統(tǒng)是由VOR臺,即高頻全向信標(veryhighfrequencyOmnidirectionalradiorange)和測距臺DME(distancemeasuringequipment)結(jié)合在一起通過測角測距實現(xiàn)導航定位的。一種用于航空的無線電導航系統(tǒng)。1.1.2從自動駕駛儀到自動飛行控制系統(tǒng)AFCS（自動飛行控制系統(tǒng)）A/T（自動油門系統(tǒng)）FMS（飛行管理計算機）CDU（控制顯示組件）IRS（慣性導航系統(tǒng)）VNAV（垂直導航）LNAV（水平導航）自動油門速度指令。這一點通過EADI（高度顯示電子指示器）上目標速度和實際速度之差顯示出來。所以，有些資料認為自動飛行控制系統(tǒng)和自動油門都只是飛行管理系統(tǒng)的執(zhí)行部件，它們都是在飛行管理計算機的統(tǒng)一管理下完成了對飛機的控制和對發(fā)動機推力的控制。1.1.2從自動駕駛儀到自動飛行控制系統(tǒng)AFCS（自動飛行控制系統(tǒng)）A/T（自動油門系統(tǒng)）FMS（飛行管理計算機）CDU（控制顯示組件）IRS（慣性導航系統(tǒng)）VNAV（垂直導航）LNAV（水平導航）只要在飛行管理計算機系統(tǒng)中存在有效的飛行計劃航路，并選擇自動飛行控制系統(tǒng)工作于水平導航和垂直導航方式，再加上自動油門系統(tǒng)（Auto-Throttle，A/T）對發(fā)動機推力的自動控制，自動飛行控制系統(tǒng)就可以控制飛機沿飛行計劃航路的水平剖面和垂直剖面飛行了。1.1.2從自動駕駛儀到自動飛行控制系統(tǒng)AFCS（自動飛行控制系統(tǒng)）A/T（自動油門系統(tǒng)）FMS（飛行管理計算機）CDU（控制顯示組件）IRS（慣性導航系統(tǒng)）VNAV（垂直導航）LNAV（水平導航）有垂直飛行剖面和水平飛行剖面，它們分別表示航跡在垂直面和水平面上的投影圖形。常用的是垂直飛行剖面(也稱飛行剖面)。它是制定飛行計劃的依據(jù)，用于計算完成具體航線任務需要的時間、燃油消耗量和備用油量。噴氣運輸機典型飛行剖面(見上圖)以起飛機場為原點，縱坐標為飛行高度，橫坐標為飛行距離。飛行剖面圖標出飛行任務和備用油計算兩部分。飛行任務包括：滑出、起飛并加速、爬升、巡航、下降、進場著陸、滑入等幾個階段，具體航線對各段有明確的速度、高度或時間(滑出、滑入時間)規(guī)定；備用油計算部分包括備降油、應急油和等待油。飛行剖面此時，F(xiàn)MS（飛行管理計算機）已成為水平導航和垂直導航的外回路“司令部”，如圖1.1所示。圖中的IRS是慣性導航系統(tǒng)，其主要作用是為飛行管理計算機系統(tǒng)提供位置信號，并為自動駕駛儀提供姿態(tài)和航向信號。1.1.2從自動駕駛儀到自動飛行控制系統(tǒng)AFCS（自動飛行控制系統(tǒng)）A/T（自動油門系統(tǒng)）FMS（飛行管理計算機）CDU（控制顯示組件）IRS（慣性導航系統(tǒng)）VNAV（垂直導航）LNAV（水平導航）自動飛行控制系統(tǒng)的發(fā)展經(jīng)歷了模擬式自動飛行控制系統(tǒng)階段和數(shù)字式自動飛行控制系統(tǒng)階段。20世紀70年代是模擬式AFCS的年代，80年代之后，是數(shù)字式AFCS的時代。目前，在大多數(shù)飛機上使用的都是數(shù)字式自動飛行控制系統(tǒng)。1.1.2從自動駕駛儀到自動飛行控制系統(tǒng)1.1.3電傳飛行控制系統(tǒng)數(shù)字式AFCS和計算機技術(shù)的高速發(fā)展為電傳飛行控制（FBW）創(chuàng)造了條件。事實上，波音737飛機上AFCS的駕駛盤操縱（CWS）方式也是一種電傳操縱。電傳操縱又是以主動增穩(wěn)控制技術(shù)發(fā)展起來的。如果不從余度和備份手段方面去考慮，當今的自動飛行控制系統(tǒng)、電傳操縱或電傳飛行控制系統(tǒng)之間很難找出明確的界限。1.1.3電傳飛行控制系統(tǒng)目前空客公司有6種型號的飛機（A319、A320、A321和A330、A340、A380）采用FBW，波音公司的B-777和B-787飛機也采用FBW（電傳飛行控制）系統(tǒng)。FBW（電傳飛行控制）也稱電傳操縱，意為駕駛員指令飛機運動，而不是指令舵面偏轉(zhuǎn)。B-7871.1.3電傳飛行控制系統(tǒng)FBW（電傳飛行控制）和AFCS之間的不同在于，駕駛員扶桿操縱時的不同。AFCS依靠機械連接推動舵面，飛機的響應運動需由駕駛員通過儀表感知后改變自己桿上的操縱，因而駕駛員進入了飛行控制回路；而FBW靠桿上傳感器的電信號和飛機運動傳感器的反饋信號疊加后操縱舵面和飛機運動，駕駛員不進入飛行控制回路，在自動飛行方式下兩者無多大差別。FBW（電傳飛行控制）和AFCS之間的不同1.1.4光傳飛行控制系統(tǒng)為了防止電磁干擾傳輸電纜，F(xiàn)BW（電傳飛行控制）采用雙絞線和屏蔽接地等技術(shù)，但尚不能完全抑制意外的電磁和電擊干擾，在此問題上光傳輸具有極好的防護性能。用于光傳輸?shù)妮o助操縱系統(tǒng)和發(fā)動機控制系統(tǒng)都已研制成功并投入實踐應用。1.1.4光傳飛行控制系統(tǒng)CBL（光傳控制）和FBL（光傳飛行控制）在民用飛機上的應用和發(fā)展始于1992年，1996年進入實際使用，例如，MD-87飛機上采用光纖傳輸?shù)母币碚{(diào)整片控制系統(tǒng)（TBL）和雷神公司的比奇（Beechjet400A）飛機上采用光傳輸發(fā)動機控制系統(tǒng)（CBL）。1.1.4光傳飛行控制系統(tǒng)光傳控制除了像電傳控制一樣可減輕重量，增加業(yè)載，改善可靠性和維護性，提高性能和安全以外，在消除EMI（電磁干擾）、EMP（電磁脈沖）、HIRF（高強度輻射場）、火花、閃電、雷擊等干擾因素方面作用明顯，這是近代飛機上無線電射頻密集的情況下有利于防護的重要措施。1.1.4光傳飛行控制系統(tǒng)國外主要民用飛機使用飛控設備情況見表1.1。C-47B-241.1.4光傳飛行控制系統(tǒng)美國子爵號美國C-1301.1.4光傳飛行控制系統(tǒng)B-707MD-80協(xié)和號1.1.5自動飛行控制系統(tǒng)的發(fā)展方向在管制員駕駛員數(shù)據(jù)鏈通信（CPDLC）即將在飛機上推廣使用的今天，有人提出為使民用飛機進一步自動化，應該使機載計算機能夠讀出地面空中交通管制（ATC）的指令，并轉(zhuǎn)化為選定飛行路徑和速度的駕駛指令交給AFCS去執(zhí)行。這是一個外回路指令生成問題，屬于FMC（飛行管理計算機）的工作，也是自動化飛行的發(fā)展方向。1.1.5自動飛行控制系統(tǒng)的發(fā)展方向在管制員駕駛員數(shù)據(jù)鏈通信（CPDLC）即將在飛機上推廣使用的今天，有人提出為使民用飛機進一步自動化，應該使機載計算機能夠讀出地面空中交通管制（ATC）的指令，并轉(zhuǎn)化為選定飛行路徑和速度的駕駛指令交給AFCS去執(zhí)行。這是一個外回路指令生成問題，屬于FMC（飛行管理計算機）的工作，也是自動化飛行的發(fā)展方向。自上世紀七十年代以來,隨著經(jīng)濟、文化全球化進程的不斷加快,民用航空業(yè)已經(jīng)成為20世紀以來發(fā)展最為迅速、對人類社會影響最大的科學技術(shù)產(chǎn)業(yè)之一。而民航業(yè)的飛速發(fā)展不僅對空中交通管制的實時性與高效性提出了越來越高的要求,也使現(xiàn)行的無線電話音管制通信方式顯現(xiàn)出使用頻率擁擠、抗環(huán)境干擾能力差等種種弊端,因此,管制員飛行員數(shù)據(jù)鏈通信(CPDLC)應運而生。CPDLC使用地空雙向數(shù)據(jù)鏈(TWDL)為管制員和飛行員提供數(shù)據(jù)通信,它可以提供包括標準的放行、期望放行、申請和報告等在內(nèi)的全部管制指令。更為重要的是CPDLC有效地克服了很多話音通信當中存在的問題和缺陷。1.2自動飛行控制系統(tǒng)的分系統(tǒng)按照ATA-100（AirTransportationAdministration，ATA，航空運輸協(xié)會）對飛機系統(tǒng)內(nèi)容分類的編排，自動飛行控制系統(tǒng)屬于ATA-22章的內(nèi)容。該系統(tǒng)包含了為自動控制飛機飛行提供手段的所有內(nèi)容。1.2自動飛行控制系統(tǒng)的分系統(tǒng)現(xiàn)代大中型飛機上的自動飛行控制系統(tǒng)包括:自動駕駛儀（AutomaticPilot，AP）飛行指引儀（FlightDirector，F(xiàn)D）自動油門系統(tǒng)（AutomaticThrottle，AT）偏航阻尼系統(tǒng)（YawDamper，YD）自動俯仰配平系統(tǒng)（AutoPitchTrim），如圖1.2所示。1.2自動飛行控制系統(tǒng)的分系統(tǒng)自動駕駛儀的功用是通過自動地控制飛機的飛行，減輕駕駛員的工作負擔，它還可以在惡劣的氣象條件下完成飛機的自動著陸。飛行指引儀的功用是在PFD（主飛行顯示器）或ADI（飛機的姿態(tài)指示器）上顯示駕駛指令桿，以指導駕駛員人工駕駛飛機或監(jiān)控飛機的姿態(tài)。偏航阻尼器的功用是在飛機的整個飛行過程中，通過增加飛機繞偏航軸的阻尼來改善飛機繞偏航軸的動態(tài)穩(wěn)定性，并將荷蘭滾運動減小到乘客可接受的程度。1.2自動飛行控制系統(tǒng)的分系統(tǒng)自動俯仰配平系統(tǒng)的功用是在所有飛行階段，通過自動調(diào)整水平安定面，以保持飛機的俯仰穩(wěn)定性。自動油門系統(tǒng)的功用是自動控制發(fā)動機的輸出功率，以減輕駕駛員的工作負擔。自動俯仰配平系統(tǒng)和偏航阻尼器結(jié)合在一起，稱為增穩(wěn)系統(tǒng)。它改善了飛機的穩(wěn)定性，提高了飛行安全和旅客乘機的舒適性1.2自動飛行控制系統(tǒng)的分系統(tǒng)飛行管理計算機系統(tǒng)（FMS）的功用是為飛機完成最佳飛行、進行導航和飛行剖面的計算。FMS的輸出信號控制自動飛行控制系統(tǒng)的工作，并對其進行監(jiān)視。這樣，就防止了飛機在不正常條件下的自動飛行。根據(jù)各種型號飛機的自動化程度以及執(zhí)行的任務可以部分或全部選裝以上各部分。在大型運輸機上幾乎安裝了以上所有的設備，但小型飛機上配置的自動飛行控制系統(tǒng)一般只包含自動駕駛儀和飛行指引儀。1.3自動飛行控制系統(tǒng)的功用按圖1.1和圖1.2配置的自動飛行控制系統(tǒng)可在飛機起飛、離場、爬升、巡航、下降和進近著陸的整個飛行階段中使用，其主要作用有兩點：一是實現(xiàn)飛機的自動飛行控制，二是改善飛機的性能。1.3.1實現(xiàn)飛機的自動飛行飛機的自動飛行控制就是利用一套專門的系統(tǒng)，在無人參與的條件下，自動操縱飛機按規(guī)定的姿態(tài)和航跡飛行，通?？梢詫崿F(xiàn)沿飛機三軸姿態(tài)角和飛機在3個方向空間位置的自動穩(wěn)定和控制。Yaw(偏航)Pitch（俯仰）Roll（橫滾）1.3.1實現(xiàn)飛機的自動飛行例如，在完全無人駕駛的飛行器（如無人駕駛飛機或?qū)椀龋┥希瑢崿F(xiàn)完全的飛行控制；對于有人駕駛的飛機（如民用客機或軍用飛機等），雖然有人駕駛，但在某些飛行階段（如巡航階段），飛行員也可以不直接參與操縱飛機，而是用飛機上的自動飛行控制系統(tǒng)實現(xiàn)對飛機的自動控制，但飛行員應該完成自動飛行指令的設置，并對自動飛行的情況進行監(jiān)督，而且要求飛行員能夠在必要時切斷自動飛行控制系統(tǒng)，實現(xiàn)由自動飛行控制到人工飛行控制的轉(zhuǎn)換。1.3.1實現(xiàn)飛機的自動飛行采用自動飛行的優(yōu)點如下：（1）長距離飛行時解除飛行員的疲勞，減輕飛行員的勞動負荷。（2）在某些壞天氣或復雜的氣象條件下，飛行員難于精確控制飛機的姿態(tài)和軌跡時，自動飛行控制系統(tǒng)可以實現(xiàn)對飛機姿態(tài)和軌跡的精確控制。（3）當氣象條件比較復雜，飛行員難于合理地操縱進近著陸階段時，可以由自動飛行控制系統(tǒng)精確地完成進近和著陸的機動飛行。1.3.2改善飛機的性能一般來說，飛機的性能和飛行品質(zhì)是由飛機自身的空氣動力特性和發(fā)動機的特性決定的。但是，隨著飛行高度和飛行速度的增加，飛機自身的特性會變壞。1.3.2改善飛機的性能比如，飛機在高空飛行時，由于空氣稀薄，飛機的阻尼特性會變壞，致使飛機的角運動產(chǎn)生嚴重的擺動，靠飛行員人工操縱飛機將會很困難。此外，設計飛機時，為了減小質(zhì)量和阻力，提高有用升力，常將飛機設計成靜不穩(wěn)定的，飛行員難于控制飛機。為了解決這一類靜不穩(wěn)定問題，可以在飛機上安裝不同類型的飛行控制系統(tǒng)，使靜不穩(wěn)定的飛機變成靜穩(wěn)定的，使阻尼特性不好的飛機變成阻尼特性好的飛機，這就是現(xiàn)代飛機上常用的增穩(wěn)系統(tǒng)或阻尼系統(tǒng)。這種系統(tǒng)也是一種控制系統(tǒng)，但它不是用來實現(xiàn)飛機的自動飛行控制，而是用來改善飛機的某些特性，實現(xiàn)所要求的飛行品質(zhì)的。這類系統(tǒng)雖然不能實現(xiàn)自動飛行控制，但仍用于飛行控制，所以，它們也是自動飛行不可缺少的組成部分。1.4有關飛行控制自動化的爭議飛行控制自動化領域出現(xiàn)過兩次較大的爭議。關于自動飛行控制系統(tǒng)自動化程度的爭議關于FBW（電傳飛行控制）是否需要機械連接作備份的爭議1.4.1關于自動飛行控制系統(tǒng)自動化程度的爭議人機接口關系上曾提出過一些正面教學的觀點：（1）自動飛行方式過多，在某些方式的自動過渡中易使駕駛員模糊或誤解。（2）某些駕駛員過分依賴自動化，造成盲目的安全感而導致意外失控。（3）駕駛員長期依靠自動化系統(tǒng)而缺乏手動操縱實踐，技術(shù)熟練程度逐漸下降和荒廢，當出現(xiàn)某些意外時，將手足無措，不能操縱改出。（4）高度自動化使駕駛員在空中減少工作負荷，并過分空閑，造成惰性，從而喪失警覺性。1.4.1關于自動飛行控制系統(tǒng)自動化程度的爭議（5）由于駕駛員知識水平不夠且訓練不太充分，駕駛員對飛行自動化的理解較膚淺，容易造成對某些飛行自動化的曲解和誤操作。（6）輸入方式不再是通過分立的專用電門、旋鈕、手柄，而統(tǒng)一由方式控制板（MCP）和/或控制顯示組件（CDU）實現(xiàn)，容易發(fā)生輸入差錯，這種差錯將造成重大危害；應急情況下容易慌神，更易輸錯或使人機接口脫節(jié)，無法輸入控制。（7）信息量加大，輸入輸出數(shù)據(jù)加大，一方面減少了駕駛員體力負荷，另一方面增加了駕駛員對信息讀取理解、判斷決策上的腦力負荷，使得心理負荷更為沉重。1.4.1關于自動飛行控制系統(tǒng)自動化程度的爭議（8）駕駛員成為管理員，脫離了對飛機的實時控制，靠編程計劃去實現(xiàn)飛行，對飛行中實時空情察覺的把握程度降低了，一旦發(fā)生意外，就不能立即進入角色。（9）駕駛員和CDU(控制顯示組件)打交道太多，下視時間太久，影響了平視和對外部環(huán)境的感知。（10）玻璃駕駛艙中，存在兩套顯示部件、兩套側(cè)桿，正副駕駛員職責劃分上如何分工協(xié)調(diào)，兩人的操作意圖如何充分交流、互相理解，這里留下的空隙往往是引起事故的緣由之一。1.4.1關于自動飛行控制系統(tǒng)自動化程度的爭議爭議的一般結(jié)論認為：（1）設計AFCS的前提是為保證飛行任務圓滿完成，達到安全指標和經(jīng)濟效益，并不是單純?nèi)プ非蟾叨茸詣踊?。?）注意人機接口上的安排，遵照人的因素和工效學原則，考慮到駕駛員的理解和接受程度，設計中要盡可能降低復雜性，由于AFCS飛行工作方式過多，所以要在EFIS(電子飛行儀表系統(tǒng))屏幕的明顯位置顯示自動飛行的工作方式，防止駕駛員不能很好地感知生效工作方式，造成互相矛盾的誤操作或操縱不當。1.4.1關于自動飛行控制系統(tǒng)自動化程度的爭議（3