飛控系統(tǒng)到底是什么?飛行控制系統(tǒng)的功能

埃塞俄比亞航空公司波音737 MAX 8型客機(jī)當(dāng)?shù)貢r(shí)間10日墜毀，這是時(shí)隔不到5個(gè)月，波音同一型號(hào)飛機(jī)發(fā)生的第二起空難。鑒于兩起事故具有明顯的相似性，越來越多的將目標(biāo)指向了該型號(hào)的設(shè)計(jì)缺陷——飛控系統(tǒng)存在BUG是導(dǎo)致這兩起事故的根本原因。目前，越來越多的國家和航空公司已宣布停飛該機(jī)型。

那么，飛控系統(tǒng)到底是什么?為什么一個(gè)小小的代碼錯(cuò)誤會(huì)導(dǎo)致這么嚴(yán)重的后果?下面，就由小編來帶你作進(jìn)一步的深入了解。

實(shí)際上，現(xiàn)代民用飛機(jī)飛行控制系統(tǒng)(簡稱“飛控”)，是整個(gè)飛機(jī)機(jī)載系統(tǒng)的核心，也是整架飛機(jī)最復(fù)雜的系統(tǒng)之一。

飛行控制系統(tǒng)的作用是保證飛機(jī)的穩(wěn)定性和操縱性，提高飛機(jī)飛行性能和完成任務(wù)的能力，增強(qiáng)飛行的安全性和減輕駕駛員的工作負(fù)擔(dān)。飛控系統(tǒng)分為人工飛行控制系統(tǒng)和自動(dòng)飛行控制系統(tǒng)兩大類。由駕駛員通過對(duì)駕駛桿和腳蹬的操縱實(shí)現(xiàn)控制任務(wù)的系統(tǒng)，稱為人工飛行控制系統(tǒng)。最簡單的人工飛行控制系統(tǒng)就是機(jī)械操縱系統(tǒng)。不依賴于駕駛員操縱駕駛桿和腳蹬指令而自動(dòng)完成控制任務(wù)的飛控系統(tǒng)，稱為自動(dòng)飛行控制系統(tǒng)。

飛行控制系統(tǒng)的功能

隨著飛行任務(wù)的不斷復(fù)雜化，對(duì)飛機(jī)性能的要求越來越高，不僅要求飛行距離遠(yuǎn)(例如運(yùn)輸機(jī))，高度高(高空偵察機(jī))，而且還要求飛機(jī)有良好的機(jī)動(dòng)性(例如戰(zhàn)斗機(jī))。為了減輕駕駛員在長途飛行中的疲勞，或使駕駛員集中精力戰(zhàn)斗，希望用自動(dòng)控制系統(tǒng)代替駕駛員控制飛行，并能改善飛機(jī)的飛行性能。這種系統(tǒng)就是現(xiàn)代飛機(jī)上安裝的飛行自動(dòng)控制系統(tǒng)。

飛行控制系統(tǒng)的功能歸結(jié)起來有兩點(diǎn)：1、實(shí)現(xiàn)飛機(jī)的自動(dòng)飛行;2、改善飛機(jī)的飛行性能。

飛機(jī)的自動(dòng)飛行控制系統(tǒng)在無人參與的情況下，自動(dòng)操縱飛機(jī)按規(guī)定的姿態(tài)和航跡飛行，通常可實(shí)現(xiàn)對(duì)飛機(jī)的三軸姿態(tài)角和飛機(jī)三個(gè)方向的空間位置的自動(dòng)控制與穩(wěn)定。例如，無人駕駛飛行器(如無人機(jī)或?qū)椀?，實(shí)現(xiàn)完全的飛行自動(dòng)控制;對(duì)于有人駕駛的飛機(jī)(如民用客機(jī)或軍用飛機(jī))，雖然有人參與駕駛，但某些飛行階段(如巡航段)，駕駛員可以不直接參與操縱，而由飛行控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對(duì)飛機(jī)飛行的自動(dòng)控制，但駕駛員應(yīng)完成對(duì)自動(dòng)飛行指令的設(shè)置和監(jiān)督自動(dòng)飛行的情況，并可以隨時(shí)切斷自動(dòng)控制而實(shí)現(xiàn)人工駕駛。

采用自動(dòng)飛行具有以下優(yōu)點(diǎn)：

1、長距離飛行時(shí)解除駕駛員的疲勞，減輕駕駛員的工作負(fù)擔(dān);

2、在一些惡劣天氣或復(fù)雜的環(huán)境下，駕駛員難于精確控制飛機(jī)的姿態(tài)和航跡，自動(dòng)飛行控制系統(tǒng)可以精確對(duì)飛機(jī)姿態(tài)和航跡的精確控制;

3、有一些飛行操縱任務(wù)，駕駛員難于精確完成，如進(jìn)場著陸，采用自動(dòng)飛行控制則可以較好地完成任務(wù)。

一般來說，飛機(jī)的性能和飛行品質(zhì)是由飛機(jī)本身氣動(dòng)特性和發(fā)動(dòng)機(jī)特性決定的，但隨著飛機(jī)飛行高度及飛行速度的增加，飛機(jī)的自身特性將會(huì)變壞。如飛機(jī)在高空飛行時(shí)，由于空氣稀薄，飛機(jī)的阻尼特性變壞，致使飛機(jī)角運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生嚴(yán)重的擺動(dòng)，靠駕駛員人工操縱將會(huì)很困難。此外，設(shè)計(jì)飛機(jī)時(shí)，為了減小質(zhì)量和阻力，提高有用升力，將飛機(jī)設(shè)計(jì)成靜不穩(wěn)定的。對(duì)于這種靜不穩(wěn)定的飛機(jī)，駕駛員是難于操縱的。在飛機(jī)上采用增穩(wěn)系統(tǒng)或阻尼系統(tǒng)可以很好地解決這些問題。

飛控系統(tǒng)的發(fā)展歷史

自動(dòng)飛行控制系統(tǒng)已有一百多年的研制歷史。1891年海諾姆·馬克西設(shè)計(jì)和建造的飛行器上就安裝了改善飛行器縱向穩(wěn)定性的飛行控制系統(tǒng)。

后來，直到二十世紀(jì)初，由于飛行器本身性能的不斷改善，而自動(dòng)控制理論也處于發(fā)展初期，因此飛行器的自動(dòng)控制發(fā)展緩慢;

二十世紀(jì)中期以后，隨著飛行任務(wù)的不斷復(fù)雜化，對(duì)飛行器性能要求越來越高，如希望運(yùn)輸機(jī)飛行距離要遠(yuǎn)，偵察機(jī)飛行高度要高，而戰(zhàn)斗機(jī)要有良好的機(jī)動(dòng)性，希望飛機(jī)便于操縱，減輕飛行員的負(fù)擔(dān)，這就使自動(dòng)控制成了不可回避的問題，這樣就出現(xiàn)了飛行控制系統(tǒng)。

1、1912：愛莫爾.斯派雷，電動(dòng)陀螺穩(wěn)定裝置，自動(dòng)駕駛儀誕生;

2、埃爾默?斯佩里后來又發(fā)明了陀螺羅盤、陀螺地平儀和側(cè)滑指示器等一系列飛行儀表，使飛行員可以在夜間和復(fù)雜氣象條件下，按儀表指示操縱飛機(jī)，對(duì)人類航空技術(shù)發(fā)展作出了突出的貢獻(xiàn)。

飛機(jī)操縱系統(tǒng)的第二次重大突破是電傳操縱系統(tǒng)的出現(xiàn)。電傳操縱系統(tǒng)真正使用于飛機(jī)，發(fā)生在20世紀(jì)70年代。在采用電傳操縱系統(tǒng)的飛機(jī)上，沒有了傳統(tǒng)的鋼索和連桿等機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，飛行員完全通過電信號(hào)來操縱飛機(jī)。

1975年，美國空軍在A-7D型飛機(jī)上試驗(yàn)數(shù)字戰(zhàn)術(shù)飛行控制系統(tǒng)時(shí)，開始使用光纖作為數(shù)據(jù)傳輸線。光纖技術(shù)和數(shù)字式電傳操縱系統(tǒng)相結(jié)合，產(chǎn)生了光傳操縱系統(tǒng)的概念。

50年代前自動(dòng)駕駛儀用于運(yùn)輸機(jī)和轟炸機(jī)的平飛。(飛機(jī)自動(dòng)駕駛儀逐漸與機(jī)上其他裝置耦合以控制航跡(定高和自動(dòng)下滑等)，既能穩(wěn)定飛機(jī)，又能全面控制飛機(jī)，直至全自動(dòng)著陸。

60年代自動(dòng)駕駛儀功能擴(kuò)展成為飛行控制系統(tǒng)，產(chǎn)生了隨控布局飛行器設(shè)計(jì)新思想。

80年代已在研制把火控系統(tǒng)、推進(jìn)裝置控制系統(tǒng)和飛行控制系統(tǒng)集成為火/飛/推綜合控制系統(tǒng)，以使各系統(tǒng)協(xié)同工作，更完善地完成飛行任務(wù)。

飛控系統(tǒng)的組成

飛控系統(tǒng)由控制與顯示裝置、傳感器、飛控計(jì)算機(jī)、作動(dòng)器、自測試裝置、信息傳輸鏈及接口裝置組成。

控制及顯示裝置是駕駛員輸入飛行控制指令和獲取飛控系統(tǒng)狀態(tài)信息的設(shè)備，包括駕駛桿、腳蹬、油門桿、控制面板、專用指示燈盤和電子顯示器(多功能顯示器、平視顯示器等)。

傳感器為飛控系統(tǒng)提供飛機(jī)運(yùn)動(dòng)參數(shù)(航向角、姿態(tài)角、角速度、位置、速度、加速度等)、大氣數(shù)據(jù)以及相關(guān)機(jī)載分系統(tǒng)(如起落架、機(jī)輪、液壓源、電源、燃油系統(tǒng)等)狀態(tài)的信息，用于控制、導(dǎo)引和模態(tài)轉(zhuǎn)換。

飛控計(jì)算機(jī)是飛控系統(tǒng)的“大腦”，用來完成控制邏輯判斷、控制和導(dǎo)引計(jì)算、系統(tǒng)管理并輸出控制指令和系統(tǒng)狀態(tài)顯示信息。

作動(dòng)器是飛控系統(tǒng)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，用來按飛控計(jì)算機(jī)指令驅(qū)動(dòng)飛機(jī)的各種舵面、油門桿、噴管、機(jī)輪等，以產(chǎn)生控制飛機(jī)運(yùn)動(dòng)的力和力矩。

自測試裝置用于飛行前、飛行中、飛行后和地面維護(hù)時(shí)對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行自動(dòng)監(jiān)測，以確定系統(tǒng)工作是否正常并判斷出現(xiàn)故障的位置。

信息傳輸鏈用于系統(tǒng)各部件之間傳輸信息。常用的傳輸鏈有電纜、光纜和數(shù)據(jù)總線。接口裝置用于飛控系統(tǒng)和其他機(jī)載系統(tǒng)之間的連接，不同的連接情況可以有多種不同的接口形式。

飛控系統(tǒng)的工作原理

人工駕駛飛機(jī)基本過程

如果飛機(jī)在平飛過程中，由于某中外界干擾使飛機(jī)抬頭，不在保持水平狀態(tài)。駕駛員從地平儀上觀察到這個(gè)姿態(tài)角(俯仰角)的變化，反映到大腦中，經(jīng)過思維判斷立即做出如何操縱飛機(jī)的決定，指揮手去推動(dòng)駕駛桿，驅(qū)動(dòng)升降舵向下偏轉(zhuǎn)，產(chǎn)生相應(yīng)的下俯力矩，使飛機(jī)低頭恢復(fù)水平姿態(tài)。駕駛員又從儀表上看到這一變化，逐漸把駕駛桿收回原位。當(dāng)飛機(jī)回到原態(tài)(水平)時(shí)，駕駛桿和升降舵也回到原位。整個(gè)過程如圖所示。

這是一個(gè)反饋系統(tǒng)，即閉環(huán)系統(tǒng)。圖中虛線表示駕駛員，如果用自動(dòng)駕駛儀代替駕駛員控制飛機(jī)飛行，自動(dòng)駕駛儀必須包括與虛線框內(nèi)三個(gè)部分相應(yīng)的裝置，并與飛機(jī)組成一個(gè)閉環(huán)系統(tǒng)。

自動(dòng)飛行的原理

當(dāng)飛機(jī)偏離原始狀態(tài)，敏感元件感受到偏離方向和大小，并輸出相應(yīng)信號(hào)，經(jīng)放大、計(jì)算處理，操縱執(zhí)行機(jī)構(gòu)(如舵機(jī))，使控制面(例如升降舵面)相應(yīng)偏轉(zhuǎn)。由于整個(gè)系統(tǒng)是按負(fù)反饋原則連接的，其結(jié)果使飛機(jī)趨向原始狀態(tài)。當(dāng)飛機(jī)回到原始狀態(tài)時(shí)，敏感元件輸出信號(hào)為零，舵機(jī)以及與其相連接的舵面也回到原位，飛機(jī)重新按原始狀態(tài)飛行。

由此可見，自動(dòng)駕駛儀中的敏感元件、放大計(jì)算裝置和執(zhí)行機(jī)構(gòu)可代替駕駛員的眼睛、大腦神經(jīng)系統(tǒng)和肢體，自動(dòng)地控制飛機(jī)的飛行。這三部分是自動(dòng)飛行控制系統(tǒng)的核心，即自動(dòng)駕駛儀。

為改善舵機(jī)的性能，通常執(zhí)行機(jī)構(gòu)引入內(nèi)反饋(將舵機(jī)的輸出反饋到輸入端)形成隨動(dòng)系統(tǒng)(或稱伺服回路)，簡稱為舵回路。舵回路是由舵機(jī)、放大器及反饋元件組成，如圖虛線框內(nèi)所示。

反饋元件包括測速機(jī)和/或位置傳感器。測速機(jī)測出舵面偏轉(zhuǎn)的角速度，反饋給放大器以增大舵回路的阻尼，改善舵回路的性能，位置傳感器將舵面位置反饋到舵回路的輸入端，使控制信號(hào)與舵面偏角一一對(duì)應(yīng)。舵回路的負(fù)載是舵面的慣量和作用在舵面上的氣動(dòng)力矩(鉸鏈力矩)。

自動(dòng)駕駛儀與飛機(jī)組成一個(gè)回路——通常稱為穩(wěn)定回路。這個(gè)回路的主要功能是穩(wěn)定飛機(jī)的姿態(tài)，或者說穩(wěn)定飛機(jī)的角運(yùn)動(dòng)。敏感元件用來測量飛機(jī)的姿態(tài)角。由于該回路中，包含了飛機(jī)，而飛機(jī)的動(dòng)態(tài)特性又隨飛行條件(如速度、高度等)而異，使穩(wěn)定回路的分析變得較復(fù)雜。

如果用敏感元件測量飛機(jī)的重心位置，而飛機(jī)還包含了運(yùn)動(dòng)學(xué)環(huán)節(jié)(表征飛機(jī)空間位置幾何關(guān)系的環(huán)節(jié))，這樣組成一個(gè)更大的新回路，控制回路(或控制與導(dǎo)引回路，簡稱制導(dǎo)回路)。

以飛機(jī)自動(dòng)下滑著陸系統(tǒng)為例，說明控制原理。這里只說飛機(jī)的縱向(俯仰、上下和前后)運(yùn)動(dòng)。要求飛機(jī)在著地前沿預(yù)定航跡下滑到預(yù)定高度(十幾米)，然后將飛機(jī)拉平，飛機(jī)不斷下降，最終以允許的下降速率著陸。預(yù)定的下滑航跡是由機(jī)場的無線電裝置形成的。

飛機(jī)處于預(yù)定下滑航跡，飛機(jī)上相應(yīng)的無線電接收機(jī)輸出信號(hào)為零。飛機(jī)偏離下滑航跡，接收輸出相應(yīng)極性和幅值的信號(hào)，送至穩(wěn)定回路，在自動(dòng)駕駛儀的控制下飛機(jī)回到下滑航跡。例如飛機(jī)在預(yù)定下滑航跡的上方，接收機(jī)將某極性的信號(hào)送給自動(dòng)駕駛儀使升降舵下偏，產(chǎn)生低頭控制力矩，使飛機(jī)進(jìn)入下滑航跡。飛機(jī)進(jìn)入下滑航跡后，接收機(jī)輸出為零，舵偏角為零，飛機(jī)保持在下滑航跡上。飛機(jī)重心的運(yùn)動(dòng)(即空間位置的變化)是通過控制飛機(jī)角運(yùn)動(dòng)來實(shí)現(xiàn)的。

自動(dòng)飛行控制系統(tǒng)的組成

自動(dòng)飛行控制系統(tǒng)由自動(dòng)駕駛儀、自動(dòng)油門桿系統(tǒng)、自動(dòng)導(dǎo)航系統(tǒng)、自動(dòng)進(jìn)場系統(tǒng)和自動(dòng)著陸系統(tǒng)、自動(dòng)地形跟隨/回避系統(tǒng)構(gòu)成。

自動(dòng)駕駛儀

顧名思義，自動(dòng)駕駛儀是用來代替駕駛員操縱飛機(jī)的自動(dòng)控制系統(tǒng)。它由控制顯示面板、傳感器、自動(dòng)駕駛儀計(jì)算機(jī)和舵面作動(dòng)器組成。

自動(dòng)駕駛儀的傳感器信息主要來自航空電子系統(tǒng)的航向/姿態(tài)參考基準(zhǔn)、高度和高度差信號(hào)。它的主要功能是航向角、姿態(tài)角的給定和保持以及飛行高度(包括氣壓高度和相對(duì)高度)的給定和保持。在長時(shí)間的穩(wěn)定飛行(如巡航)中使用自動(dòng)駕駛儀控制飛機(jī)，可以大大減輕駕駛員的工作負(fù)擔(dān)。

自動(dòng)油門桿系統(tǒng)

自動(dòng)油門桿系統(tǒng)是一種經(jīng)常與自動(dòng)駕駛儀配合使用的系統(tǒng)。它通過驅(qū)動(dòng)油門桿改變發(fā)動(dòng)機(jī)推力而對(duì)飛機(jī)的飛行速度(或馬赫數(shù))進(jìn)行自動(dòng)控制。

系統(tǒng)使用的傳感器信息是大氣數(shù)據(jù)計(jì)算機(jī)的飛行速度(或馬赫數(shù))信號(hào)。一般不具備獨(dú)立的計(jì)算機(jī)而由自動(dòng)駕駛儀計(jì)算機(jī)完成控制律計(jì)算。執(zhí)行機(jī)構(gòu)是油門桿作動(dòng)器。自動(dòng)油門桿與自動(dòng)駕駛儀配合工作，可以精確控制飛機(jī)的航跡、姿態(tài)及飛行速度。這對(duì)于飛機(jī)的自動(dòng)進(jìn)場/著陸、自動(dòng)地形跟隨/回避以及四維制導(dǎo)飛行，都起著非常重要的作用。

自動(dòng)導(dǎo)航系統(tǒng)

自動(dòng)駕駛儀與導(dǎo)航系統(tǒng)交聯(lián)，即構(gòu)成自動(dòng)導(dǎo)航系統(tǒng)。導(dǎo)航系統(tǒng)通過總線或其他裝置(如飛行管理計(jì)算機(jī))將飛機(jī)當(dāng)前的位置和航向偏差信號(hào)送入自動(dòng)駕駛儀計(jì)算機(jī)，由自動(dòng)駕駛儀計(jì)算機(jī)形成并輸出控制指令，將飛機(jī)的位置和航向調(diào)整到并保持在預(yù)先給定的航線上飛行。

自動(dòng)著陸系統(tǒng)

著陸是飛行器航行中的一個(gè)重要階段。著陸時(shí)，飛行員必須在很短的時(shí)間內(nèi)完成許多要求很高的操作，若僅靠目視著陸，為保證安全，飛行員需要在很遠(yuǎn)的距離上就能清晰的看到跑道。以民航飛機(jī)為例，要求在飛行高度不低于300m時(shí)，水平能見度不小于4.8km。為了保證飛機(jī)能在夜間或不良?xì)夂驐l件下安全著陸，必須由無線電導(dǎo)航系統(tǒng)向飛行員提供飛行器與正確的下滑航道之間偏離程度的高精度指示。

常用的進(jìn)場和著陸導(dǎo)引系統(tǒng)有儀表著陸系統(tǒng)、微波著陸系統(tǒng)和精密進(jìn)場雷達(dá)/數(shù)據(jù)鏈導(dǎo)引系統(tǒng)等。20世紀(jì)90年代以來，基于全球定位系統(tǒng)(GPS)的進(jìn)場著陸導(dǎo)引技術(shù)發(fā)展迅速，將成為21世紀(jì)進(jìn)場著陸導(dǎo)引系統(tǒng)的主流。自動(dòng)著陸系統(tǒng)利用導(dǎo)引信號(hào)將飛機(jī)控制到預(yù)定航道，并沿著航道下滑和著陸。

目前民航機(jī)場主要使用的著陸無線電導(dǎo)航系統(tǒng)為儀表著陸系統(tǒng) (ILS，Instrument Landing System)和微波著陸系統(tǒng) (MLS，Microwave Landing System)。前者可引導(dǎo)飛機(jī)在I類氣象條件(水平能見度800m，決斷高度60m)或II類氣象條件(水平能見度400m，決斷高度30m)下著陸(稱為儀表著陸或盲目著陸);后者可引導(dǎo)飛機(jī)在III類氣象條件(水平能見度低于200m及其以下，決斷高度0m)下著陸(稱為自動(dòng)著陸)。

對(duì)飛機(jī)自動(dòng)著陸來說，儀表著陸和微波著陸系統(tǒng)都是使用非目視著陸引導(dǎo)設(shè)備，其基本原理都由機(jī)場上的儀表著陸和微波著陸系統(tǒng)在跑道上空形成下滑道，飛機(jī)上安裝了相應(yīng)的無線電接收機(jī)，當(dāng)飛機(jī)處于預(yù)定下滑道上時(shí)，接收機(jī)輸出信號(hào)為零;若飛機(jī)偏離下滑道，則接收機(jī)輸出相應(yīng)極性和幅值的信號(hào)。接收機(jī)輸出的電信號(hào)通過自動(dòng)駕駛儀操縱舵面(一般方向舵和升降舵)，使飛機(jī)進(jìn)入下滑道。例如設(shè)飛機(jī)處于下滑道上方，接收機(jī)將輸出反映上方極性的信號(hào)，通過自動(dòng)駕駛儀使升降舵面后緣向下，產(chǎn)生低頭力矩，使飛機(jī)飛向下滑道，接收機(jī)輸出逐漸減小，直至飛機(jī)進(jìn)入下滑道輸出為零，升降舵面恢復(fù)原來位置，飛機(jī)保持在下滑道上逐漸降低高度，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)著陸。

自動(dòng)地形跟隨/回避系統(tǒng)

自動(dòng)地形跟隨/回避系統(tǒng)用于控制軍用飛機(jī)在超低空(一般指相對(duì)高度100m以下的空域)突破敵人防線的飛行，利用地形、地物造成的雷達(dá)盲區(qū)和雜波反射進(jìn)行隱蔽，使敵人防空雷達(dá)很難發(fā)現(xiàn)。使用自動(dòng)駕駛儀和自動(dòng)油門桿系統(tǒng)基本部件與地形探測和定位系統(tǒng)相交聯(lián)，可用于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)地形跟隨/回避功能。

常用的地形探測和定位系統(tǒng)是地形跟隨和地物回避雷達(dá)。目前，一些先進(jìn)的軍用飛機(jī)已經(jīng)采用慣性導(dǎo)航/全球定位系統(tǒng)的組合導(dǎo)航系統(tǒng)(INS/GPS)與三維數(shù)字地圖相配合的自主定位系統(tǒng)作為自動(dòng)地形跟隨/回避系統(tǒng)的主信息源，以低可探測性的激光測距器等為輔助手段實(shí)現(xiàn)超低空突防飛行，進(jìn)一步提高了低空突防的隱蔽性。

自動(dòng)控制飛機(jī)沿地形垂直剖面上空飛行的系統(tǒng)，稱為自動(dòng)地形跟隨系統(tǒng)。自動(dòng)地形跟隨/回避系統(tǒng)則可以控制飛機(jī)按預(yù)定航線繞過山峰在“山溝”里飛行，飛行軌跡是三維的，具有更好的隱蔽性。