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随着埃塞俄比亚航空ET302航班的失事，现代大型飞机的飞行控制系统安全性再次成为人们热议的话题。随着该事故初步调查报告的出炉，波音公司为B737 MAX客机专门研制的飞行控制模块MCAS（机动性增强系统）被推到了风口浪尖。那么，作为现代大型客机的重要组成部分，以MCAS为代表的现代飞行控制系统有着怎样的特点？它的未来又将走向何方。本文详细呈现现代大型飞机的飞行控制系统的前世今生。 文章仅供参考，观点不代表本机构立场。 作者：学术plus高级评论员 高书亮 现代大型飞机的飞行控制系统(以下简称飞控系统)的主要作用是保证飞机的稳定性和操纵性, 改善飞行品质, 确保飞机能够在其许可的性能包线中飞行，从而保证飞行的安全与效率，同时尽可能减轻飞行员的工作负担。 飞行控制系统包括：（1）主飞行控制系统(MFCS，人工飞行操纵系统)和（2）自动飞行控制系统(AFCS，也即我们平时所说的“自动驾驶仪”)。 主飞行控制系统的功能是：飞行员通过驾驶杆(或杆/盘)以及脚蹬控制飞机的升降舵、副翼和方向舵等飞机操纵面, 实施对飞机俯仰、倾斜和航向的控制。自动飞行控制系统主要是与飞机相关传感器（如惯性导航系统、大气数据系统、无线电高度表等）交联，根据各类传感器提供的实时飞行数据和飞行员操作指令，实现自动化的飞机航迹、航向、高度和姿态控制，从而进一步减轻飞行员工作负担，为飞机提供自动化的控制手段，确保飞行安全和品质。 飞控系统两大需求 n 安全性需求：安全性需求是民机飞控的第一需求, 一般要求飞控系统失效导致灾难性结果的概率小于10–9/小时, 这带来了设计技术、评估和验证技术以及流程方法方面的诸多挑战。这意味着现代飞控系统的设计往往需要采用诸如功能分区、物理隔离、非相似余度设计/监控等多种技术； n 经济性需求：经济性需求是确保飞机运行效率和商业成功的基本要求, 对飞控系统的设计、开发、制造和维护提出新的挑战，这往往要求飞控系统采用一体化设计技术, 实现多种不同功能综合, 减少机上LRU设备数量、重量和体积，进一步提高系统签派效率。 飞控系统发展三个阶段 从人类实现有动力飞行开始，现代飞行控制系统经历了近百年的发展历史。上世纪六十年代以前，当时的飞机主要特点是飞行速度低，飞行力矩负载小，因此主要采用机械操纵系统，初步解决了飞机的平衡与可控、稳定性与操纵性的矛盾以及航迹自动控制等问题，不断地减轻了飞行员的工作负荷，提高了飞机的操控品质。 而从上世纪60年代开始，产生了两个对现代飞机发展具有标志性、划时代意义的飞行控制概念———主动控制和电传操纵，改变了传统飞机的设计理念，大幅提升了飞机的飞行品质和任务能力， 同时促进了综合飞行控制的迅速发展，成为第三、四代军用飞机和先进客机的典型标志。概况的说，现代飞机飞控系统和技术大致经历了如下的发展阶段： 早期的飞机尺寸小、速度慢，可由简单的机械操纵系统控制， 即驾驶杆和脚蹬的运动通过钢索(软式)或拉杆(硬式) 传递， 直接操纵舵面偏转。 1914年，美国Sperry公司研发了电动陀螺稳定器，用于稳定飞机平飞时的角运动， 成为后来自动驾驶仪的雏形。第二次世界大战后，超声速飞机出现，此时飞行员操纵时已无法直接承受舵面上的铰链力矩， 因此出现了全助力操纵系统，并且安装了人感系统来为飞行员提供适当的操纵感。随着飞机向高空、高速发展，飞行包线不断扩大，飞机的操稳特性变化加剧，单纯依靠改变人工操纵系统和飞机的气动布局，已难以对飞机进行有效控制。 于是，将增稳控制引入到人工操纵中，形成了具有增稳功能的全助力操纵系统。控制增稳系统的引入，有效解决了高空高速飞机的稳定性与操纵性之间的矛盾，扩展了飞行包线，成为飞控技术发展史上重要的变革。 上世纪60年代以来，自动驾驶仪的功能开始扩展，与机载无线电导航、惯性导航等系统交联，增加了航迹控制部分;又与仪表着陆系统交联，实现了自动进场/着陆控制，进一步扩大了外回路功能;与自动油门综合后，形成了较为完整的自动飞行控制系统。此时飞行控制的功能不再仅是姿态的稳定与控制，还有航迹的操纵和保持。 随着飞机性能需求的不断提高，在传统飞机设计过程中产生了诸多难以克服的矛盾。为此，主动控制技术( Active Control Technology，ACT)诞生,即在飞机设计的最初阶段， 就充分考虑飞行控制对提高飞机性能的作用和潜力，以放宽对飞机气动结构和动力装置等方面的限制，而依靠飞行控制系统的相关能力主动的进行飞行性能的补偿和增强，，从而形成飞控、气动、结构和动力之间的综合协调。 20世纪70年代初，在原有的控制增稳系统的基础上，产生了一种全新的电传操纵系统 ( Fly-By-Wire System，FBWS)。它去掉了驾驶杆到舵机之间的机械传动机构，飞行员操纵指令完全以电信号的形式直接传输到舵机伺服控制回路，不仅较好地克服了机械操纵系统的固有缺陷，还方便地实现了主动控制功能，从而使得采用自动飞行控制提升飞行品质在实践中成为可能。在此基础上产生的自动飞行控制系统（AFCS） 一般的，自动飞行控制系统主要包含飞行导引控制、自动推力、自动着陆、飞行包线保护、告警通告等功能。其中： n 飞行导引控制功能使用传感器提供的飞机姿态、位置偏差、姿态偏差及控制指令，提供飞行指引和自动驾驶，其工作模式分为垂直模式、水平模式和多轴模式，可提供纵向控制和横向控制。 n 自动推力功能根据飞机所在的飞行阶段、空速、发动机状态信息等，自动调节油门杆位置，控制发动机转速，从而实 现发动机推力的自动控制。 n 自动着陆功能可在恶劣气象条件下自动、安全地完成对着陆阶段飞行路径、姿 态 和 速 度 的 精 确 控 制，减 轻 飞 行员工作负担。 n 飞行包线保护功能根据飞行导引控制工作模式、姿态角、空速等信息，通过飞行 指 引、自 动 驾 驶和自动油门协同工作，限制自动飞行控制系统工作时的包线，提供全时的速度保护。 n 告警通告功能向飞行员通告自动飞行控制系统工作状态，包含飞行指引、自动驾驶、自动油门接通状态、飞行导引控制工作模式、自动着陆等级和接通状态等，并以视觉和听觉的方式提供自动飞行控制系统及设备的故障告警。 常见典型飞控系统 为了满足现代大型飞机复杂程度高、接口众多、数据传输量大、飞行时间场等要求，现代大型飞机的飞行控制系统一般采用电传飞控技术，尽可能减少机械部件，简化飞机结构设计，减轻重量，增加系统扩展能力，降低运行维护费用，提高系统功能可靠性；其中的飞行控制计算机往往与其它机载系统共用计算机硬件，以软件功能模块的形式存在，减少硬件数量，减小设备体积，并通过先进机载数据总线与其它系统互联。 其基本架构如下所示： （1）B787的飞行控制系统 B787飞机的飞行控制系统包括自动驾驶飞行指引系统（AFDS）和推力管理系统（TMS），该系统使用飞机固有的通用数据网络（CDN）与其它机载系统连接，通过模式控制板、驾驶盘上自动驾驶断开开关、驾驶盘反驱作动器、方向舵脚蹬反驱作动器、油门杆上自动油门断开开关和起飞／复飞开关实现人机互联。推力管理系统硬件组成包括油门杆上的自动油门断开开关。自动驾驶飞行指引系统在飞行员手动操纵飞机时提供飞行指引，指示飞行员控制飞机，也可对飞机进行自动飞行控制。推力管理系统自动油门控制油门杆运动，从而控制飞机推力。推力管理系统通过不同的工作模式与自动驾驶飞行指引系统协同工作，控制飞机纵向运动。 （2）A380的飞行控制系统 A380飞机自动飞行系统包括飞行导引系统、飞行管理系统、飞行包线保护等功能，它包含３台主飞行控制和导引计算机、３台飞行管理计算机等硬件。飞行员通过１个自动飞行系统控制面板、２个多功能显示器、2个主飞行显示器、２个导航显示器、２个侧杆上自动驾驶断开开关、４根油门杆实现与自动飞行系统进行交互。 飞行导引系统基于飞行员或飞行管理系统设置的目标值，提供水平和垂直导引，通过自动飞行系统控制面板设置的速度、航向、航迹、高度、垂直速度、飞行航迹角目标值进行短时控制，通过飞行管理系统将飞行计划转换为目标值进行长时控制，利用主飞行控制系统控制操纵面，通过全权限数字发动机控制系统控制发动机。飞行管理系统提供飞行计划和导航信息，计算并优化性能数据，并向飞行员显示相关信息。飞行包线功能算飞机正常飞行包线，并防止飞机飞出包线。飞控数据集中功能发送系统告警，生成系统维护信息等。其基本架构如下所示： （全文完） |
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