控制律是C919的“灵魂”

文‖上海国资记者 孙玉敏

控制律是C919的“灵魂”

文‖上海国资记者 孙玉敏

如果用人比喻飞机，控制律属于什么？“如果发动机是心脏，控制律则更像大脑，或者进一步，更像灵魂。”控制律攻关队领军者——中国商飞C919副总设计师黎先平这样回答。“以汽车为例，如果飞机的操作舵面相当于车轮，控制律就是方向盘。”

控制律攻关团队的年轻队员，则更愿意用电脑作比，在他们看来，控制律更像windows操作系统。“没有操作系统电脑无法使用。没有控制律，飞机将无法飞。”

技术封锁下的艰难起步

自主设计的C919控制律攻关是一场硬仗。

C919采用的是全时全权限电传飞控系统，与空客A330类似，而波音直到777才使用了电传飞控系统。

这种系统是现代民用飞机进化的重要标志，它改变飞行员通过机械设备控制飞机的传统做法。“电传飞控系统相当于汽车的自动档，机械飞控系统相当于手动档。”黎先平介绍。

电传飞控系统下，飞行员利用计算机经过一系列复杂算法，达到操纵飞机的目的，可大大提高飞机的安全性和舒适性。这“一系列复杂算法”，就是控制律。“控制律一般都是由制造厂商自己研发，一来可以掌握飞机设计、改型的主动权，二来可以掌握保证飞机安全的主动权。” 黎先平说。

作为电传飞控系统的核心技术，控制律一直是国外限制出口与转让的关键技术，西方国家明令禁止其出口。

作为C919飞控系统方面的合作伙伴，美国霍尼韦尔公司限于相关规定，无法提供控制律技术。中国商飞只能自主研发。

对中国商飞而言，此次控制律的研发设计，有两个特点：第一是“起点低”。C919项目首次采用闭环控制律电传操纵系统，国内相应领域的研究几乎为零。第二是“标准高”。C919客机采用放宽静稳定性设计，比竞争机型更具经济性能，但同时带来操稳品质下降的问题，需要控制律进行补偿。

“起点低”，却要达到“标准高”，这场硬仗，该从何打起？

一切从零开始

为啃下硬骨头，中国商飞组建了攻关队。

该队阵容可谓强大。由中国商飞副总经理、C919总设计师吴光辉担任队长，上飞院院长郭博智担任常务副队长，C919常务副总设计师陈迎春和几个主管专业副总设计师担任副队长。参与的部门包括总体气动部、飞控部、项目管理部等。

该队是C919第一个大型公司级项目组，以中国商飞研发中心为主体，联合了试飞中心、国内参研单位、飞行员、试飞员、高校、海外专家等。“这种一段时间内集中优势资源联合攻关的形式，更有利于重点突破。”黎先平表示。

2012年6月21日，攻关队正式成立。

攻关队采取集中办公模式，“攻关队跨单位、跨部门、跨专业，集中办公更方便沟通，也更有效率。”采用“611工作制”，“也就是每周工作六天，每天工作11小时”，黎先平说。

最难的地方在于没有经验可以借鉴。由于国内之前研发的民用飞机都没有采用过闭环控制律的电传操纵系统，相应领域的研究几乎为零。

一切从零开始，艰难困苦可想而知。“首先要提出设计要求，但我们没有做过，只好按照国外资料等，尝试性地提一部分，大家都是摸着石头过河，如果随着工作的开展，要修改设计要求，我们很多工作又要重来一遍。”攻关队队员、中国商飞上飞院总体气动部操稳特性室副主任余圣晖说。

首先要做的，是数据处理。这些数据来自各类试验，风洞试验、气动试验等等。通过这些数据处理，攻关队员们要计算出飞控系统的关键指标，这是所有工作的基础。“数据处理工作量非常大，有一个反复迭代的过程，有时候基础数据里面‘混’进个别无效数据，会影响整个计算结果，我们就要从所有数据里面辨别出无效数据，然后重新计算。”余圣晖表示。

有了基础数据，攻关队开始设计控制律的主要功能内容。

2009年，法航一架空客330空中解体，机上人员全部遇难。对于此次空难，有人推测原因之一是空速表出现了问题，显示了错误的飞行速度，导致飞机在进入雷区前，飞行员拉杆过猛，飞机迎角过大，使得飞机失速，发动机骤停。

为避免类似事故，攻关队给控制律设计的一个重要功能就是迎角控制。“我们设计的控制律，可以将飞机迎角控制在一定范围内，超过这个范围，飞行员再拉杆，飞机迎角也不会增加，保障了飞行安全。”黎先平说。

攻关队队员、中国商飞上飞院总体气动部部长助理欧阳一方表示，他们设计的控制律，还具有增加飞机舒适体验的功能。“比如飞机转弯时，控制系统会自动调节航向和坡度，实现协调转弯，机内的乘客就不会有被甩出去的不适感。”

减重减阻也是控制律带来的一大好处。通过提高飞机尾翼的工作效率，可以减少这些部位的尺寸，降低飞机重量。“飞机平尾的作用是实现飞机纵向平衡，先进的电传飞行控制系统可以提升平尾的工作效率，由于效率提高，用较小的平尾就能实现既定的功能，飞机可以更经济、更环保。”

初步评审

C919飞机控制律有三个层级，正常模式控制律、辅助模式控制律、直接模式控制律，与飞控系统的三个工作模式一一对应。

飞机在正常情况下，使用的是正常模式控制律，它是最智能的模式，飞机可以通过控制律自动调节舵面。当飞机某些系统非正常运作时，就要切换到辅助模式，此时很多操纵动作需要飞行员手动完成。而直接模式是最后一道防线，一般是飞机出现故障后使用的模式，提供保证飞行安全的最基本的操稳性能。

由于正常模式控制律下，系统会自动配平，容易掩盖飞机的缺陷，不利于设计验证，所以在飞机设计阶段，攻关队首先需要攻克的是直接模式控制律。

为早日看到成果，攻关队决定“百日攻坚”。

“那时，大家加班至九十点钟再正常不过，晚饭时，为了节省走到餐厅和餐厅排队的一点点时间，很多人吃泡面凑合。为了C919，大家真的付出了许多，有人推迟了结婚计划，有人推迟了生育计划。有孩子的也几乎见不了面，因为晚上回家时孩子已经睡下，一早上班时孩子还没醒。”余圣晖说。

而在飞控系统的供应商霍尼韦尔处，他们得不到任何实质帮助。据媒体报道，研发过程中，霍尼韦尔只负责将中国商飞设计好的算法与方案进行功能的实现。每次，对程序设计是否合适，霍尼韦尔公司只回答 YES或NO，故障原因则需要中国商飞自己进行定位与更改。

一分耕耘一分收获。终于到了直接控制律的初步设计评审（PDR）时刻。

2012年末，上飞院综合试验楼218会议室里，C919直接控制律初步设计评审（PDR）正在紧张进行：

“这个传递函数需要更新，我们周五讨论更新结果。”

“不用等到周五，明天一早我们就能弄好。”

“可以。这个词应该写全称，你们更新一下。”

……

作为C919飞控系统供应商，霍尼韦尔公司对评审的要求不可谓不严苛。《飞控系统技术规范》（STS）里的用语精确到每一个标点。

“好了，没有项目需要更新，我们可以退出初步设计评审（PDR）了。”

当霍尼韦尔工作人员评估完成《飞控系统技术规范》里最后一项，宣告直接控制律的初步设计评审顺利通过时，攻关队每个人都长舒了一口气，近半年来的努力终于有了阶段性成果，大家脸上乐开了花。

作为世界知名的飞控系统供应商，霍尼韦尔在飞控系统上的研发实力非常强大。评审中，霍尼韦尔表示：攻关队对直接控制律功能定义“完整、严谨、准确”，直接控制律工程模拟器飞行员评估试验结果“真实、可信”。

攻坚

直接控制律PDR通过，给攻关队的激励无疑是巨大的。但大家来不及庆贺，转身又投入到下一个攻坚战——首飞控制律PDR。

顾名思义，首飞控制律是指满足首飞需求的控制律设计。由于控制律会对飞机自身性能进行修复，如果在首飞时使用正常控制律，有可能掩盖飞机系统存在的问题。因此，首飞控制律实际上包括对直接控制律的优化迭代和辅助控制律设计。

攻关队于是在直接模式控制律的基础上新增加了增益调参、失速告警、副翼配平等功能，使得飞控系统能够满足首飞及初始试飞阶段所必需的操稳性能。

要实现副翼配平功能并非易事。飞机在制造时，可能产生公差，公差有可能让飞机左右两个机翼不完全对称，导致左右机翼升力不对称，从而产生滚转，这时就需要副翼来进行调整，使左右机翼达到完全平衡。在辅助模式控制律下，飞行员需要手动进行副翼配平，而在正常模式控制律下，系统会自动配平。在参考相关资料和实验数据的基础上，了解飞行员手动配平的细节后，攻关队最终成功“找到了路”。

除了副翼配平功能，首飞控制律还增加了增益随空速调参、失速告警等功能。

直接模式控制律承担系统发生故障时的控制任务，仅设计高速、低速两套固定增益，保证最低飞行安全。而在首飞控制律模式下，飞行员操纵侧杆引起舵面的转动是一个复杂的逻辑算法，它综合考虑飞行高度速度、襟缝翼位置、重量重心等许多因素，这就要对增益进行迭代设计。

“最难的就是增益参数的确定，当中涉及几十个参数，对每个参数都要经过先桌面线性设计与分析，然后非线性分析，再进行工模试验，最后又返回桌面修改的过程，每个参数之间相互不是独立的，一个参数的改变往往会带动其他参数的变化，因此增益参数的确定大都要来回迭代几十次，有的甚至上百次。”欧阳一方表示。

失速告警阈值的确定也是一个大难题。对于飞机而言，进入失速状态无疑是灾难性的，因此，飞机必须具备失速告警功能。但是在什么情况下告警呢？提早告警是最安全保险的法子，但会损失飞机部分性能，比如没达到最大迎角就提早告警，飞机的可用升力会减小，从而降低飞机的设计载重，对其他一些性能指标也会产生影响。如何找的合适的阈值？攻关队员们参考大量相关资料和行业规范，仔细研究适航规章要求，综合听取航空老前辈的意见，又经过反复试算、反复修改，最终确定了如今的阈值，而这个值，在后续的设计过程中还有可能继续优化。

“一山放过一山拦”

“一山放过一山拦”，在攻关的路上，大家就这样“打下了一个山头，又开始了另一座山头”。

目前，中国商飞在飞行控制律设计方面已实现几大突破：直接控制律和辅助控制律都已通过关键设计评审（CDR），正常控制律也通过PDR。不仅可以支持首飞的需求，还能支持后续一定阶段的试飞工作。

3年攻关下来，攻关队完成了《飞控系统技术规范》（STS），“这是控制律的设计要求，有4100多项需求，1000多页文件。要交给供应商以编写代码”，完成了总体建模、控制律建模、现象仿真建模等诸多工作。

攻关队也得到了极大的锻炼。“我们攻关队队员大都是刚从学校毕业的80后90后，在队里可以与各相关各专业充分交流，成长很快。飞控系统供应商的成熟，也有利于大家眼界的开阔。联合公关还教大家明白了一点，一个团队里，一两个人强没有用，要大家都强，形成合力才能成事。”欧阳一方说。

而相关设计研发工作还将继续。因为控制律是一项周期漫长的工作，贯穿整个型号周期。不仅设计阶段要攻克许多难关，就是进入试飞阶段，还要根据试飞中反映出来的问题，对控制律进行优化更改，这样的更改工作要持续到飞机构型冻结。

“C919的控制律设计是国内第一次在民机上应用控制增稳和包线保护，可以说填补了国内民机空白，将来我们希望能够实现诸如阵风减缓等更多复杂的功能，令我们的飞机更加先进、更加舒适。”

听上去，还有无数山头要攻克。但在攻关队队员脸上，你看不到丝毫畏惧与退缩，你能看到的，更多是信心和激情。“3年攻关下来，大家已由原来的不太懂到比较知道，并深深爱上了自己所做的。大家的能量已被激发出来。”黎先平强调。

一份事业，当有了足够的信心和激情，没有什么高峰是征服不了的。