飛控電腦

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A typical aircraft's flight controls in motion

飛控電腦英語Aircraft flight control system)是由控制面、駕駛艙操控裝置、鉸鏈以及必要的機械機構組成,用以控制飛機飛行。 駕駛艙操控裝置一般為如下形式:

  • 控制桿——或者一個控制曲柄,固連在一根圓柱上,通過操縱副翼升降舵控制飛機的滾轉和俯仰。
  • 方向舵踏板——控制飛機的偏航。

有些飛機,雖然採用了不同形式的控制面,如方向升降舵或者襟副翼,但為了防止飛行員混淆,飛機仍然設計成利用控制桿控制滾轉和俯仰,利用踏板控制偏航。 除了首要的滾轉、俯仰、偏航控制裝置外,飛行員還可以利用一些輔助操縱裝置對飛行進行更好的控制以減少工作負荷。最常見的是一個控制俯仰配平的輪狀設備,它減輕了飛行員維持飛機俯仰平衡的壓力。(方向舵配平和滾轉配平一般只見於大飛機,但有些小飛機也含此配備)。許多飛機還有增升裝置——襟翼,便于飛機起飛和著陸。還有些飛機的起落架可以收放,用以增加或減少飛機的空中阻力。還有一些更先進的設備,如進氣道襟翼(既可以增加阻力,也可以冷卻引擎),前緣縫翼擾流板等。所有這些,都需要有相應的操縱設備。

飛控電腦[編輯]

早期飛機的拉線式控制

機械式[編輯]

最基本的飛控電腦。常見於空氣動力不是很強的早期飛機或現代的小型飛機。這類飛控系統利用各種機械部件如桿、繩索、滑輪甚至鏈條將飛行員的操縱力從駕駛艙操縱裝置傳遞到控制面上。塞斯納C-172就是一個典型的例子。

隨著飛機越來越快,控制面面積越來越大,操控飛機所需的力量也越來越大。於是人們開發出複雜的機械助力系統幫助飛行員。這類設備在稍大些性能更高的螺旋槳推進飛機,如福克F50上可以見到。

另一些機械式飛控系統採用伺服調整片(servo tab)提供的氣動力助力降低了系統的複雜性。這類系統只見於早期的活塞發動機運輸機和早期的噴氣運輸機上。

液壓式[編輯]

隨著航空器尺寸的增大和性能的提高,機械式飛行操縱系統的複雜程度和重量也大幅度增加,大大限制了航空器的發展。為了克服這些限制,液壓式飛行操縱系統出現了。液壓飛行操縱系統出現後,航空器的尺寸和性能不再受駕駛員力量的限制,而只是受經濟的限制。 液壓式飛控系統由兩部分組成:

  • 機械迴路

機械迴路連接著駕駛艙和液壓迴路。如同機械式系統,機械迴路也基本由各種桿、絞索、滑輪甚至鉸鏈組成。

  • 液壓迴路

液壓迴路包含液壓泵、液壓管、液壓閥門以及執行裝置等。執行裝置通過液壓泵產生的流體壓力驅動飛機的各控制面。而伺服閥則控制著執行裝置的動作。

飛行員的操縱動作通過機械迴路傳遞到液壓迴路中相應的伺服閥,然後液壓泵驅動執行機構操縱飛機的各控制面。

液壓式飛控系統見於老式的噴氣運輸機和一些高性能飛機。例如安-225運輸機洛克西德公司的黑鳥

人工感覺反饋[編輯]

對於機械式飛控系統,飛行員經由機械裝置可以感受到作用于飛機各個舵面上的氣動力。這種觸覺反饋增強了飛行安全性。例如,在Avro Vulcan噴氣轟炸機上,人們就利用一種彈性裝置來實現這種控制反饋。通過移動該裝置的支點,人們可以使反饋力(對於升降舵)與空速的平方成正比。這樣,高速飛行時所需的操縱力量就迅速增加了。

線傳飛控[編輯]

F-8戰機的線傳飛控展示機

線傳飛控Fly-By-Wire,FBW)是航空領域中一種將航空器駕駛員的操縱輸入,通過轉換器轉變為電信號,經電腦電子控制器處理,再通過電纜傳輸到執行機構一種操縱系統。它省掉了傳統操縱系統中的機械傳動裝置和液壓管路。

機械式和液壓式飛行操縱系統重量較大,需要使用滑輪曲柄系統仔細布置穿過整個航空器的飛行操縱線系。這兩個系統經常需要冗餘備份裝置,這又進一步增加了重量。此外,這兩個系統對處於變化中的空氣動力環境只能提供有限的補償能力,失速、螺旋以及人機耦合振蕩等一些危險的飛行特性仍有可能發生。因為這些飛行特性取決于飛機的空氣動力和結構特性而非控制系統本身。

然而通過使用電腦和電子連接,設計者能夠降低航空器重量並提高可靠性。同時使用電腦還可以預防上述危險的飛行特性。

"線傳飛控"一詞從字面僅僅意味著這是一個通過電信號實現控制的系統。但事實上,這是一個通過電腦控制的系統。在飛行員和最終的控制執行機構或舵面之間,電腦系統通過軟體程序實際上修改了飛行員(對於非飛機系統,指操作員)的輸入。當然為避免危及安全性,這些程序都需要經過周密的開發和驗證。

  • 安全性和冗餘。在飛機上,這樣的控制系統一般都具有四個獨立的通道。當其中的一個甚至兩個通道損壞時,飛機仍然不會失去控制。為獲得更高的機動性,一些線傳飛控的飛機經過仔細設計靜穩定性很低,甚至為負。
  • 節約重量。相對傳統飛機,線傳飛控的飛機一般重量更小。由於可以放寬靜穩定性,運輸機可以減少部分重量,戰鬥機可以減少更多。這是由於飛機舵面現在可以做得更小了。電傳飛控首先應用于軍機,之後才進入民機市場。空客系列飛機從一開始就應用線傳飛控技術,而波音則是在777系列之後應用此項技術。

線傳飛控系統能夠更靈活地響應變化中的空氣動力環境,通過控制舵面運動使得飛機對操縱輸入的響應在所有飛行條件下都是一致的。電子系統需要的維護不多,而機械和液壓系統卻需要潤滑、鬆緊調整、滲漏檢查、更換液體等。而且,將電路系統放置在駕駛員和航空器之間能夠提高安全性,例如操縱系統能夠防止失速,或制止駕駛員使機身過載

線傳飛控系統實際上是用一個電子介面取代了航空器的物理操縱。駕駛員的指令被轉換成電信號,飛行控制電腦確定如何恰當地驅動連接在每個操縱面上的執行機構以提供想要的響應。最初的執行機構通常是液壓式的,現在電動執行機構也已經被研製出來。

關於線傳飛控系統的主要擔憂是可靠性問題。傳統的機械式或液壓式操縱系統通常是逐漸失效的,而所有飛行控制電腦失效會使飛機立即處於不可控制狀態。為此,大多數線傳飛控系統包含有冗餘電腦和一些機械式或液壓式備份。這好像使線傳飛控系統的一些優點變得沒有意義,但是由於冗餘系統只是用於緊急情況,因此這些系統可以做得更簡單、更輕,而且只需提供有限的能力。

線傳飛控的概念也移植到汽車的設計,部份新型車款的油門踏板不再是舊有的機械方式連動節汽門,而改成電子元件感應踏板踩踏的程度,經電子信號傳遞到改由馬達開閉的節汽閥。這樣的設計又俗稱為「電子油門」,常與定速巡航系統搭配使用。未來連方向盤煞車也將電子化。

類型[編輯]

模擬[編輯]
F-16是第一款靜不穩定的線傳飛控戰機

電傳飛行操縱系統取消了複雜、脆弱和笨重的液壓式飛行操縱系統的機械迴路,用電子線路取而代之。現在,駕駛艙操縱裝置操作的是能夠產生相應指令的信號換能器。這些指令由一個電子控制器處理。如今自動駕駛儀也是電子控制器的一部分。 除了機械伺服閥被電控伺服閥外,液壓迴路也做類似處理。這些閥門由電子控制器操作。二十世紀五十年代,一種模擬式電傳飛行操縱系統首次被安裝在Avro Vulcan上,這是一種最簡單、最早的構型。

在這種構型中,飛行操縱系統必須模擬「感覺」。電子控制器操作電子感覺裝置,以提供作用在人工操縱裝置上的合適的「感覺」力。這種系統仍在EMBRAER 170和190中使用,並曾在協和飛機中使用,它也是首先採用線傳飛控系統的客機。

在更複雜的版本中,模擬電腦取代了電子控制器。二十世紀五十年代生產的加拿大超音速殲擊機Avro CF-105 Arrow就是採用這種方式的。模擬電腦也允許定製一些飛行操縱特性,包括放寬靜穩定度。早期版本的F-16也採用了這一技術,使得它具有了令人印象深刻的機動性。

數位[編輯]
日本F-2儀表版為數位化

數位電傳飛行操縱系統與模擬式的相似。不過信號處理是由數位電腦完成的。駕駛員實際上是「通過電腦飛行」。由於數位電腦能夠接收來自航空器上任何感測器的輸入信號,使得靈活性得到增強。由於系統不依賴於模擬控制器中臨界電子元件的額定值,使得穩定性也得到增強。

數位電腦中的程序讓設計者能夠精確地裁製航空器的操縱特性。例如,通過防止駕駛員超過預設的限制(航空器的飛行包線),軟體能避免航空器被危險地操縱。軟體也可用於過濾操縱輸入以避免駕駛員誘發的擺動。

在這樣的航空器中,側桿或常規駕駛桿均能使用。雖然側桿具有輕便、機械結構簡單等好處,但波音公司認為缺少視覺反饋是側桿的一大問題,因此在波音777和787中仍使用常規駕駛桿。

用電腦控制航空器飛行使得駕駛員的工作負擔減輕。現在,在放寬靜穩定度的情況下飛行航空器是可能的。對於軍用航空器,主要好處是能夠得到更好的飛行性能。數位飛行操縱系統使本身並不穩定的航空器能夠正常飛行,例如F-117夜鷹式戰鬥機(F-117 Nighthawk)。1972年,美國NASA改裝的F-8十字軍式戰鬥機(F-8C Crusader)成為第一個採用數位線傳飛控的航空器。美國太空梭(1982年首飛)具有數位線傳飛控系統。1984年,空中巴士A320成為第一款採用數位線傳飛控系統的客機。2005年,達索Falcon 7X成為第一款採用數位線傳飛控系統的公務機。2007年,塞考斯基公司的H-92直升機是第一種採用線傳飛控的直升機。

在軍用航空器上,由於能夠避免液壓失效,線傳飛控提高了戰鬥生存能力。軍用航空器在戰鬥中損失的一個常見原因是,損傷造成的液壓滲漏導致航空器失去控制。大多數軍用航空器有幾套完整的冗餘液壓系統,但是液壓管線經常鋪設在一起,容易同時損壞。用了線傳飛控系統,線路鋪設變得更加靈活,這樣比起液壓管路來更容易保護,對損傷的敏感度也減弱了。

美國聯邦航空總署(FAA)採納了RTCA/DO-178B「機載系統和設備審定的軟體因素」作為航空軟體的審定標準。數位線傳飛控系統中任何涉及安全的關鍵部件,包括控制法則(control law)和作業系統,必須達到DO-178B中的A級審定標準,這個標準適用於可能的災難性故障。

但是對於電腦化、數位線傳飛控系統最令人擔憂的問題是可靠性,甚至比模擬系統還嚴重。這是因為運行軟體的電腦是駕駛員和操縱面之間唯一的控制路徑。如果電腦軟體崩潰了,駕駛員將無法操縱航空器。因此,實際上所有線傳飛控系統都是三到四冗餘:有三個或四個電腦並行工作,並都有各自獨立的線路連接到每個操縱面。如果一個或兩個電腦崩潰了,其他的繼續工作。另外,最早期的數位線傳飛控航空器也有一個模擬電子、機械或液壓備份操縱系統。

對於客機,冗餘度可以提高安全性。由於取消一些笨重的機械部件使得重量減輕,飛行的經濟性也得到改善。

波音和空客在它們的線傳飛控理念上是不同的。空客飛機中,電腦一直保持最大限度的控制,並且不允許駕駛員在正常的飛行包線以外飛行。波音777中,駕駛員能夠操控該系統,緊急情況時允許飛機在包線外飛行。從空客A320開始的模式已經在空客系列中得到延續。波音787在控制法則上做了一些小改進,採納了一些空客在過去已經採取的保護措施。

光纖式[編輯]

在有些場合,光纖飛控系統已取代了電傳飛控系統。與後者相比,光纖的數據傳輸率更高,並且不受電磁干擾的影響。絕大部分的情況下,光纖飛控系統只是簡單的利用光纖取代了原來的電纜。因此這種系統有時也稱作「光傳飛控」。而且整個系統的軟體及數據傳輸協議則基本保持不變。

電驅式[編輯]

既然線傳飛控系統取消了機械迴路,那麼下一步就是取消笨重的液壓迴路了。人們採用電力迴路來取代液壓迴路。電力迴路驅動電動或電動液壓執行機構,而數位飛行控制電腦則控制著這些這些機構。這樣就保留了線傳飛控的所有優點。

這種系統最大的優點有:節省重量;配備更多冗餘電力迴路的可能性;飛控系統和航電系統更高的集成性。取消液壓迴路極大地降低了維護成本。這種系統目前應用於洛克西德·馬丁公司F-35,也用作空客A380的備份飛控系統。

智能式[編輯]

智能式飛控系統是現代數位式線傳飛控系統的一種擴充,其目的是增強對飛行中的損壞或失效等緊急情況的控制性。這些緊急情況包括液壓系統失效、方向舵脫落、副翼脫落、一個發動機失效等。這種系統目前還處於實驗階段。賽斯納公司的一個小型飛機駕駛員曾駕駛一架模擬此類嚴重損壞的全尺寸小型噴氣飛機成功著陸。大型飛機上目前尚無此類應用。據報導,此類系統在很大程度上只是增強了全數位線傳飛控系統的軟體部分。

參考資料[編輯]

  • Thom,1988. p. 87.
  • Taylor, 1990. p. 116.
  • Thom,1988. p. 153.
  • a b Taylor, 1990. p. 118.
  • Thom,1988. p. 86.
  • Dominique Brière, Christian Favre, Pascal Traverse, Electrical Flight Controls, From Airbus A320/330/340 to Future Military Transport Aircraft: A Family of Fault-Tolerant Systems, chapitre 12 du Avionics Handbook, Cary Spitzer ed., CRC Press 2001, ISBN 0-8493-8348-X
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  • Spitzer, Cary R. The Avionics Handbook, CRC Press, ISBN 0-8493-8348-X
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  • Taylor, John W.R. The Lore of Flight, London: Universal Books Ltd., 1990. ISBN 0-9509620-15.
  • Thom, Trevor. The Air Pilot's Manual 4-The Aeroplane-Technical. 1988. Shrewsbury, Shropshire, *England. Airlife Publishing Ltd. ISBN 1-85310-017-X