大型民用飞机飞行控制系统架构发展趋势

张新慧

摘 要：为了支持国内民用飞机的研制发展，本文对大型民用飞机飞行控制系统的架构进行了研究。回顾了国内外典型民用飞机的发展历史，分析了典型大型民用飞机飞行控制系统架构的研制特点。通过相关适航条款的探究和研制经验总结，给出了一种适用于未来民用飞机的飞行控制系统架构方案。为了满足民用飞机市场竞争的需求，总结出大型飞机飞行控制系统的发展趋势，为国内大型飞机研发提供借鉴。

关键词：民用飞机; 大型飞机; 飞行控制系统; 系统架构; 电传

中图分类号：V249

文献标识码：A

文章编号：1673-5048（2020）06-0013-06

0 引  言

民用飞机的最大特点就是要面对市场竞争，只有满足安全可靠性、运营经济性和乘坐舒适性等方面需求，才能有更大的发展空间，然而对这些性能具有关键影响的系统之一就是飞行控制系统（简称飞控系统），因此，飞控系统架构将会对民用飞机的发展前景产生重要影响作用。

国内外民用飞机的飞控系统经历了多个发展阶段：机械操纵的经典飞控系统、增稳与控制增稳系统、电传飞控系统阶段[1]，总体上是按照操纵系统的实现方式进行发展的，这其中也伴随有新增加的系统功能。其发展方向涉及飞控系统驱动飞机操纵面作动器的电动化[2]、自动化系统的使用及自动识别飞机的工作状态和飞行阶段的自动化[3-4]、挠性飞机的多目标飞行控制发展的灵活化[5]，以及通过控制飞机缝翼角度进行降噪的环保化[6]等方面。通过研究分析主要民用飞机的飞控系统特点，站在全新整体飞机的角度提出一种系统架构，同时，指明后续飞机飞控系统的发展方向，以支持研制立足于市场的民用飞机。

1 系统架构发展

1.1 发展概况

当前在国际市场上比较有名的大型民用飞机主要是波音系列飞机和空客系列飞机，国内也在大力研发民用飞机，它们的飞控系统架构呈现了各自的研制特点。

1.2 波音飞机的飞控系统

波音飞机作为市场上民用飞机最长久的代表，其系列飞机经历了较多型号的发展，例如B707，B727，B737，B747，B757，B767，B777和B787等，其中最具典型特征的飞机是B737和B787。

B737飞机是民航历史上最成功的窄体民航客机之一[7]，其飞行控制系统采用机械助力操纵系统，采用两套常规的驾驶盘/脚蹬为主的操纵输入，通过钢索滑轮传递操纵指令，通过液压作动器驱动主要舵面（包括副翼、方向舵、升降舵、前緣缝翼和扰流板），其中，后缘襟翼和水平安定面作动器采用115 V交流电源通过电缆传输指令进行驱动。在副翼和升降舵舵面设置有调整片和自动驾驶仪伺服作动器，在副翼和方向舵通道设置有配平作动器。B737飞机的操纵系统是一套经典的带助力的操纵系统。

B787飞机是当前波音系列飞机中最新代表，它的飞控系统采用了电传操纵系统，其飞控系统架构[8]如图1所示，实现了主飞控系统、高升力系统以及自动

飞控系统的功能综合。其采用了双套驾驶盘/脚蹬为主发送控制指令，以四台飞行控制计算机为核心的系统架构，通过远程电子单元（REU，Remote Electronic Unit）控制液压作动器完成主要舵面（副翼、方向舵、升降舵以及大部分扰流板）的控制，其中少部分扰流板作动器和水平安定面采用电作动器进行驱动，后缘襟翼和前缘缝翼采用以液压马达驱动为主、以电动马达驱动为辅的控制方式。

波音飞机具有一定的继承性，其飞行控制系统架构由机械操纵系统发展到电传飞控系统，同时，具有以下特点：（1）采用驾驶盘/脚蹬为主发送控制指令; （2）计算机集成化，合并了系统功能，减少了计算机数量; （3）向多电方向发展，部分舵面逐步采用了交流电源驱动; （4）采用了一定的新技术，比如远程电子单元和可独立运动的内外襟翼，减轻了传输电缆的重量，减少飞机飞行中的阻力。

1.3 空客民机的飞控系统

空客飞机作为大型民用电传飞机的代表，其系列飞机也经过了多型号的发展，例如A320，A330，A340，A350和A380等，其中具有典型代表的飞机是A320和A380。

A320飞机采用被动侧杆取代了传统的中央杆盘控制机构[9]，是第一架采用侧杆控制的电传控制系统的民用飞机，其飞控系统架构如图2所示。采用两套侧杆进行驾驶员控制输入，采用9个飞行控制计算机，其中7个计算机根据正常、备用或者直连模态处理飞行员和自动驾驶仪的输入[10]，可完成副翼、方向舵、升降舵、水平安定面以及扰流板的控制; 2个计算机用来处理襟翼控制手柄的指令，可完成襟翼和缝翼的控制。需要说明的是，其方向舵和水平安定面设置有机械备用操纵方式。

A380飞机是当前营运载客量最大的一种大型民用飞机。其飞控系统架构[11]（如图3所示）采用两套侧杆进行驾驶员的控制输入，采用9个飞行控制计算机系统，其中7个计算机系统可以按照正常控制、辅助控制以及电子备用系统处理飞行员的输入，完成副翼、方向舵、升降舵、水平安定面以及扰流板的作动器驱动控制; 2个计算机用来处理襟翼控制手柄的指令，可完成襟翼和缝翼的液压驱动控制。需要说明的是，其副翼和升降舵设置有电静液作动器（EHAs，Electro-Hydrostatic Actuators），少量扰流板和方向舵设置有电备份液压作动器（EBHAs，Electrical Backup Hydraulic Actuators），水平安定面和缝翼设置有电动马达驱动方式。

空客飞机也具有一定的延续性，其飞行控制系统架构是在革新的电传飞控基础上向多电化方向发展，具有以下特点：（1）采用侧杆/脚蹬为主发送控制指令; （2）计算机分布化，机械备用系统发展为电子备用系统; （3）向多电方向发展，部分舵面逐步采用了交流电源驱动; （4）采用了其他的新技术，比如多种类型作动器和可独立运动的内外襟翼，提高系统舵面驱动的多样性和减少飞机飞行中的阻力。

1.4 国内民机的飞控系统

飞控系统的发展分为机械操纵的经典飞控系统、增稳与控制增稳系统以及电传飞控系统阶段，而国内已经运营的民用飞机也经历了这样一个发展过程，由初期的带自动驾驶仪的机械操纵系统（MA600飞机）逐步发展到叠加自动飞行控制系统的电传飞控系统（ARJ21-700飞机）。ARJ21-700飞机为中程支线民用客机，其自动飞行控制系统架构如图4所示。

在试飞中的民用飞机C919，飞控系统则采用“电传飞行控制+部分电功率、无机械备份”[8]的电传飞控系统。在电传飞控系统的设计过程中，也有研究提出基于共模故障的终极备份方案，其中双伺服回路作动器设计终极备份[13]架构如图5所示。远程宽体客机采用多电飞机技术、先进气动设计等提高飞机综合性能[14]。在可以预见的将来，采用光传控制技术以及结合人工智能技术完成气动设计理念新的革命[15]的气动设计学科，将带动飞控系统取得较大发展。

2 新的系统架构

2.1 架构分析综述

纵观大型民用飞机飞控系统架构的发展历史特点，每个时代的飞机都充分利用了当时能够达到的航空技术水平，才能够占有民用航空市场的一席之地。波音飞机从机械操纵系统发展到了电传飞控系统，空客飞机以创新的电传飞控系统起家逐渐拓展新功能，而国内才刚进入电传飞控系统阶段，只有不断创新并利用最新技术才能满足市场的需求。深入分析CCAR25.671条款[16]和CCAR25.1309条款等相关要求，明确系统故障综合和功能安全共因等问题，基于适航研究的指导意义，利用现代的新技术，构建一个有潜力的飞控系统架构方案，拓展发展领域技术，支持民用飞机发展。

2.2 系统架构方案

本文提出的系统架构能够适用于多型民用飞机，例如一种较为先进的飞机气动外形——翼身融合体飞机[17]。其飞控系统架构（如图6所示）采用单套备用操纵装置进行驾驶员控制输入，每轴向配置2个控制指令传感器提供备用操纵装置的指令。采用5个飞控计算机系统，其中3个计算机系统可以按照正常自动控制或者辅助自动控制处理飞行员的规划指令，其他2个计算机系统辅助执行自动控制计算机指令，可完成副翼、方向舵、升降舵、襟翼、缝翼、水平安定面以及扰流板的控制; 这2个计算机系统还可以用来处理备用操纵装置的指令，在应急条件下可以超越自动控制计算机执行舵面控制指令，同样可完成副翼、方向舵、升降舵、襟翼、缝翼、水平安定面以及扰流板的控制。对于飞控计算机系统控制和调参的关键信号也应当设置5个，采用不同的2种类型。在作动器端设置2种采用不同电子硬件的远程电子单元与自动控制计算机和备用人工控制器进行通信。每块副翼、方向舵和升降舵都配置2台简单作动器，每块扰流板配置1台作动器，水平安定面配置双控制通道的单台作动器，缝翼和襟翼都配置双控制通道的单台驱动作动器，其中多块襟翼之间配置单台差动驱动作动器。在舵面驱动能源配置中，俯仰通道升降舵配置液压能源，水平安定面配置电源驱动，滚转通道副翼配置液压能源驱动，扰流板配置电源驱动，航向通道分上、下方向舵，配置液压能源和电源驱动，缝翼和襟翼都采用电源驱动。

该系统架构是基于智能控制理念提出的，飞机的正常飞行完全由自动控制计算机执行，驾驶员的作用主要是确认规划和备用状态下进行操纵，因而只需要配置一名驾驶员，也可以在监控显示屏触摸或音频输入指令操纵备用装置，这将影响驾驶舱的操纵理念[18]; 在计算机技术发展的基础上，自动控制计算机是可拓展的，完全可以集成所有系统的功能，实现整个飞行过程的综合管理，即超级飞行管理系统; 在总线通信技术进步的条件下，采用远程电子单元完成驱动终端的指令处理，有效降低传输电缆的重量; 在電功率作动器的发展下，优化分配作动器的能源配置，不但满足安全余度的要求，而且灵活的配置也为后续功能的拓展提供了条件。为实现该架构，需要倡导设计理念的改变，可以通过加强自动化、总线及无线通信、电功率作动器以及最优气动力设计等研究，最终得以在新型号上应用。

对比国内外大型民用飞机的系统架构，该系统从指令发送方式、计算机的应用、作动器多电能源配置以及新技术的使用等多方面进行了拓展，不但满足适航的要求，而且充分利用了当代先进技术。能够在有效降低飞控系统重量、减少飞控系统成品数量、满足适航安全性的基础上，缩减驾驶员数量，大幅降低飞控系统的使用成本，增加国内飞机在国际市场上的竞争力。

3 系统架构发展趋势

民用飞机在发展过程中需要不断的创新，才能满足市场竞争的需求，而对于飞机飞控系统架构的发展方向则需要不断探索，在满足安全性基础上，追求系统重量最小、功能更多、性能更优，为此需要在多个方面进一步探索发展。

（1） 飞机气动外形设计优化。涉及到飞控系统需要有多个方面的技术支持，例如静不稳定的飞机、多舵面耦合控制、随重心调节控制、仿生气动外形以及主动流表面设计等，这将使飞控系统架构更加多样化，其涉及舵面的驱动方式也更加灵活。

（2） 飞机结构减重设计。涉及飞控系统的设备和新功能，例如最小化驱动设备的外形、仿生结构设计舵面的驱动、载荷减缓功能等，这就需要飞控系统的作动器拥有更好的性能而体积重量最小化。

（3） 舒适性设计需求。飞控系统需要增加多项功能，例如直接升力控制（增加舵面控制升力功能或者发动机矢量控制）、突风过载保护功能以及噪声减缓功能[19]（增加缝翼和襟翼适量偏转）等，新功能让飞控系统变得更加多功能化。

（4） 系统架构实现的方法改进。主要涉及驾驶舱设计理念（智能化、驾驶员监控角色）、计算机技术发展（小型化、模块化、飞行管理化）、信号传输方式（轻量化、总线化-光传飞行控制系统[20]）、舵面驱动方式（舵面功能余度分配、高压液压源、电功率作动器[21]、备用调整片）以及提升可靠性（自检测技术[22]、余度容错方案[23]）等，更多的挑战让飞控系统趋于现代化。