電傳飛控系統:先進大型客機的標誌之一

2021-02-14 飛行世界

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與傳統的機械式飛控系統相比,電傳飛控系統在提升飛行的穩定性、安全性、舒適性等方面,具有明顯的優勢,已經成為現代大型民用客機的重要標誌之一。

在借鑑國內外先進經驗的基礎上,C919大型客機的電傳飛控系統設計具有明顯的後發優勢。

伴隨著發動機的陣陣轟鳴,滿載600多名乘客的A380疾駛而過、騰空而起,飛向蔚藍的天空。目睹這一場面的人們都為這個龐然大物能如此輕盈地一飛沖天而驚嘆:是什麼使它的升空如此輕盈?

更穩定

A380能如此輕盈地一飛沖天,除了4臺先進的發動機外,還在於它有一個先進的電傳飛控系統。「電傳飛控系統」是由計算機、傳感器、電子控制裝置、電液伺服作動器等組成的,由導線或電纜傳輸的一個閉合迴路。它取代了傳統的杆系、鋼索、機械閥,不僅重量輕、布局簡化,更重要的是能大大提升飛機的飛行性能。

大型客機載客多、速度快,在飛行中常常會因為大氣密度、壓力等變化導致飛機搖擺晃動。在長途飛行過程中,駕駛員經常需要應對這種不穩定現象,往往感到力不從心,甚至出現操控失誤引發災難。電傳飛控系統由此應運而生。

電傳飛控系統依靠其核心控制主件——飛控計算機,通過傳感器既可以接受駕駛員的指令,又能接收到遍布機翼、尾翼舵面上的傳感器信息,經過比較、綜合和計算,將結果指令發給舵面上的伺服作動器,驅動舵面偏轉,維繫飛機的姿態平衡。與此同時,從計算機直接輸出的數位訊號沿數據總線流向飛機信息、大氣數據、自動駕駛等系統,構成了一個閉合的大循環。

若飛機遇到外界的大氣幹擾,計算機就會根據飛機俯仰、橫滾和偏航傳感器的信息計算,指令作動器反向推動舵面微小偏動,飛機便回到了穩定狀態。其間,駕駛員無需進行具體操控,甚至對外界影響可以不聞不問。

電傳飛控系統完美地實現了舵面的精確運動,出色地解決了大型客機的動態不穩定問題,而這僅僅是它的功能之一。

這一系統的最大功效是把主動控制技術巧妙地應用於飛機的總體設計之中。

飛行時,一般機翼的氣動合力作用點(焦點)在全機重心之後,飛機的縱向姿態靠平尾向下偏轉維持。電傳飛控系統採用放寬靜穩定性技術後,可將焦點前移至重心前後,機翼上的氣動力矩由此大大減小,與之平衡的平尾配平力矩也就小了。這樣,減小了平尾的面積,減輕了平尾的重量,阻力降低。

然而,有利則有弊。由於平尾面積變小,飛機在飛行過程中一旦遇上突風乾擾,就可能會一個勁地「抬頭」,面臨失速的危險。為解決這一問題,飛控計算機可從飛機迎角傳感器、加速度計中獲得最新信息,開展控制律計算,將結果即時指令給作動器,驅動平尾向上偏轉,從而確保飛機穩定飛行。

更安全

安全,是研製大型客機首要考慮的問題。在一般人看來,主要由計算機、電子元件構成的電傳飛控系統,與機械式飛控系統相比,總讓人覺得不太可靠。為提升安全性,現代大型客機的電傳飛控系統配置了3臺或4臺相同的計算機,一同執行指令,完成同一工作。實際上,全部工作只需要一臺計算機即可,這被稱為「餘度技術」。每臺計算機還分兩個通道:一個指令運動,另一個故障監控。此外,計算機執行的軟體也採用了「非相似餘度技術」,即編程的語言各不相同,連編程、校對人員也是兩套人馬,以確保萬無一失。此外,種類繁多的傳感器也都為多重構架,每個連接著4根相互隔開的導線。

為了安全,電傳飛控系統分三級工作方式:無故障正常模式,局部故障的輔助模式和計算機失效時的直接模式。轉入直接模式時,駕駛員繞過失效的計算機,以模擬(電流、電壓)信號傳輸給傳感器、電子控制裝置(ACE),直接控制電液伺服作動器。它省去了ACE承擔繁雜的「模擬-數字-模擬」式轉換,更安全、敏捷地保障飛機主要的縱向、橫滾、偏航舵面運動。飛機進入直接模式後,系統故障幾乎就不會再有了,只是飛行性能有些下降,駕駛員責任更加突出。

更舒適

寬敞明亮的客艙、舒適的座椅、美妙的音樂,可以讓乘客充分享受飛行的樂趣。可是,突如其來的氣流擾動、陣風乾擾導致機艙顛簸時,你還會感到舒服嗎?在電傳飛控系統問世前,人們往往束手無策,只能忍受顛簸之苦。而安裝了電傳飛控系統的飛機此時則可以使出它的法寶——「主動控制技術」中的「陣風解緩」確保飛機平穩飛行。

當飛機遭遇大氣紊流、陣風乾擾時,位於機身內的速率陀螺、迎角傳感器就會第一時間靈敏地捕獲到這些幹擾信號,傳至電子控制裝置,通過它把傳感器的模擬信號轉換成數位訊號,同時傳送給4臺計算機。計算機進行複雜計算後,將結果轉成模擬信號傳送給作動器,促使舵面產生微小偏轉以消除外部幹擾。一般情況下,飛機能夠平穩飛行,從而大大提高了乘客的舒適感。

更先進

電傳飛控系統儘管已經得到了較為普遍的應用,但還有很大的發展空間。我國正在研製的C919大型客機的電傳飛控系統除了具備一般飛控系統的基本功能外,還特別拓展了「主動控制技術」功能,採用了放寬靜穩定性技術,有效減輕了水平安定面的重量和氣動阻力。「飛行包線保護」、「攻角保護」等技術的運用,確定了氣動與結構的限制範圍,預防了危險操作,提升了飛行性能。在飛機垂尾上,裝有力傳感器、偏航角位移傳感器等,以實現側向陣風減緩,提高旅客乘坐的舒適感。

電傳飛控系統的性能還集中反映在對關鍵技術——「控制律」的正確把握和精準設計中。這需要專業人員深入鑽研並為此付出艱辛的努力,也需要有豐富的經驗積累。C919大型客機項目有一個由資深專家組成的團隊。這個團隊正在奮力攻關,並取得了可喜的成果。

此外,C919大型客機項目的供應商——美國霍尼韋爾公司在電傳飛控系統方面有很豐富的經驗,這也有助於提升我們的水平。

在借鑑國內外先進經驗的基礎上,C919大型客機的電傳飛控系統具有明顯的後發優勢,通過我們的努力,一定能研製出先進的大型客機。

素材來源:《大飛機》雜誌

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