国内光传操纵系统在飞控系统中应用研究

杨涛 何志国

摘  要：随着电传操纵技术的日趋与广泛应用，在科学技术快速发展的背景下，对操纵系统进行创新研究至关重要。与电传控制系统相比，光传控制系统具有抗电磁干扰特性，并且传输容量相对较大，体积小，重量也相对较轻，是未来飞行控制技术发展的重要趋势。在实际研究中需要从操纵系统的发展情况出发，在掌握光传操纵系统的应用优势的同时，对光传操纵系统的实现技术进行充分把握，并根据国内当前光传操纵系统的具体研究现状，分析相关设计技术，确保光传操纵系统能够满足现实需求，逐步发展成熟。

关键词：光传操纵系统  抗电磁干扰  技术分析  应用实践

中图分类号：V224 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2021）07（b）-0001-03

Application of Fly-by-Light Control System

in Aircraft Control System

YANG Tao  HE Zhiguo

（Design and Research Institute of Shaanxi Aircraft Industry Co.， Ltd.，  Hanzhong， Shaanxi Province，

723000 China）

Abstract： With the increasing and wide application of fly by wire control technology， it is very important to innovate the control system under the background of the rapid development of science and technology. Compared with the fly by wire control system， the optical transmission control system has the characteristics of anti -electromagnetic interference， relatively large transmission capacity， small volume and relatively light weight. It is an important trend in the development of flight control technology in the future. In the actual research， we need to start from the development of the control system， grasp the application advantages of the optical control system， fully grasp the implementation technology of the optical control system， and analyze its design technology according to the specific research status of the domestic optical control system， so as to ensure that the optical control system can meet the practical needs and gradually develop and mature.

Key Words： Fly-by-light control system; Anti-electromagnetic interference; Technical analysis; Application practice

目前，大多数飞机使用的是电传操纵技术。在电传操纵系统中，飞机的控制信号是通过电缆发送的，因为有限的带宽会影响高数据速率的传输，电缆的传输速率在数字系统中具有明显的局限性;以及在复杂电磁环境和强电磁脉冲环境中，抗干扰能力弱。光纤被认为是解决这些限制的替代方案。光传操纵系统用光纤，消除了操纵信号受到电磁干扰的可能性，并大为减轻操纵系统的重量[1]。

为了提高操纵系统的应用效果，保证飞机能够安全稳定飞行，需要使飞机舵面作动器能够有顺利接收操纵运动指令。在飞行开始与飞行过程中，可以将命令下放传输，经过机器运算与推进，从而获取正确的指令。在飞机飞行时，机动升降舵、方向舵都是比较重要的环节。在运行过程中，会对飞机的速度和方向产生直接影响[2]。光传操纵系统是未来飞行控制技术的重要发展方向[3]，对于未来的飞机，光传操纵系统可谓是能够决定其“生死”的技术。目前，日本已在第6代战机的研究中采取光传操纵技术，如P-1巡逻机上成功使用了光传操纵系统。国内光传操纵系统尚无成功的工程应用，而操纵系统本身的复杂程度比较高，在整个系统研究过程中，需要对先进技术进行充分应用。

1  光传操纵系统概述

1.1 光传操纵系统优点

光传操纵系统是指对飞机的副翼、升降舵和方向舵等舵面进行控制时，以光纤作为信号传输媒介的系统。该系统将光作为信号进行传输的操纵系统，利用光纤作为传输介质，在实际应用过程中具有明显的优势。第一，能够防御电磁干扰与因雷电或者闪电产生的电磁冲击。该系统特别是对核爆炸等产生的电磁脉冲具有较强的抗干扰性，这代表在光纤信号传输过程中，即使是在强电磁干扰环境以及电磁冲击的条件下，光纤仍然可以准确无误地完成数据传输，这是光纤信号在操纵系统中进行应用的最主要原因。第二，光纤频带宽容量相对较大，能够大大提升信号传输速率，并且在实际应用中可以利用时分复用或者波分复用技术开展多路传输，能够降低传输通道所占用的空间，从而减小操纵系统的体积。第三，光纤一般是由Sio2晶体组成的，纤芯比较细，能够减轻整个控制系统的重量。例如，1km长的8芯光纤重量为60kg，而1km长的8芯铜缆重量达到4.8t。第四，光纤作为介质材料不会向外发出辐射能量，因此不存在金属导线自有的地环流与因為地环流产生的瞬间扰动等情况[4]。

1.2  光传操纵系统的研究现状

现阶段，我国部分高校与研究机构对光传飞行控制技术的研究相对较晚，尤其是与国外光传操纵系統的研究现状相比。我国在对光传操纵系统进行研究的过程中还存在明显的差距，主要表现在以下几个方面。第一，国外对光传飞行控制技术的研究已经有计划、系统性地开展了较长时间，但是我国并没有国家或者部级重大专项支持该技术研究，相关的研究机构和高校仍然是以各自研究为主，并没有统一的部署和规划。第二，其他国家对于光传操纵系统进行研究的过程中，已经专门开发了光学传感器、光纤传输系统与光学作动器等关键设备，原创性相对突出，并且对光传操纵系统在民用领域的应用也开始进行研究。我国该方面的相关研究仍然处于技术跟踪的阶段，并没有突出的原创性研究成果。第三，一些欧美国家从20世纪70年代就开始进行光传飞行控制技术研究工作，起步相对较早，并且已经开展了多项研究计划，进行了应用验证。我国的相关研究从20世纪90年代才开始进行，起步相对较晚，并且现阶段在光传飞行控制技术研究过程中，仍然处于理论探索与地面半物理仿真实验的阶段[5]。

2  光传操纵系统实现技术

2.1  光计算机

光计算机是将光子作为主要信息载体的，在实际运行过程中光学系统是其主体，可以开展光运算。其具体的工作原理与数字计算机有一定的相似度，但是光计算机在运行中将光子代替电子进行应用，直接利用光纤代替导线进行连接。光计算机的主要特点是超高速运行、强抗干扰性能、宽频带及超并行性等，应用价值较高，在航空航天、军事等领域具有突出的应用价值。

2.2  光传感器

光传感器主要包括光驱动传输的位移传感器、压力传感器、温度传感器及速度传感器等，这些光传感器是确保光传操作系统能够顺利运行的重要基础。现阶段，光传感器在研发过程中，还有激光陀螺传感器、光纤陀螺传感器及线性位移传感器等，为光传操纵系统的研发和创新奠定了基础。

2.3  光作动器

在未来的光传操纵系统应用过程中，需要利用激光舵机，也就是需要使用光信号对输出大功率的机械装置进行控制。现阶段，小功率光化学反应舵机已经被成功研发，在具体运行中需要利用光的明灭反应分解化学物质或者合成化学物质，从而产生压力差，实现对机械机构进行驱动的目的。虽然光作动器的研发还处于试验应用阶段，但这是促进光动舵机完善发展的重要基础，也是实现光传操纵系统高效应用的关键技术之一。

2.4  光电与电光转换装置

光电转换装置主要是将光信号转变为电信号。现阶段在光纤通信系统中使用的光电检测器是以6PIN二极管和雪崩光二极管为主。其中PIN管的使用过程比较简单，偏压相对较低，一般为10～20V，并且也不需要利用偏压对电路进行控制。但是因为PIN管内部不存在电流放大作用，在PIN管应用过程中，光接收机的灵敏度相对较低。雪崩光电二极管内部具有10～200倍的内部电流倍增作用，可以有效改善信噪比。因此，现阶段PIN光电二极管的应用更加广泛。

电光转换装置主要是将电信号转变为光信号。现阶段，在光传操纵系统中使用的电光转换器主要包括半导体激光器与半导体发光二极管两种。因为半导体激光器为阈值器件，如果环境温度变化比较大或者使用的时间比较长，激光器的阈值与电流都会增加，为了稳定输出光功率，在对半导体激光器进行选择时，需要利用自动功率控制电路与自动温度控制电路。发光二极管为非阈值器件，将半导体发光二极管作为光源时，可以节省自动功率控制电路与自动温度控制电路。航空系统的整个工作环境相对恶劣，温度变化幅度比较大，在这种情况下将半导体发光二极管作为电光转换装置的光源，其使用过程更加简单，可靠性也相对较高，能够适应航空系统的运行环境[6]。

3  光传操纵系统的发展与突破

3.1  降低损耗，保证信息传输的准确度

在光传操纵系统研发之初，是利用光纤代替电线开展系统运行与控制工作的。这种技术虽然具有一定的进步性，但是其实现难度相对较大。在电缆运用过程中存在较大弊端，特别是电缆实际应用中的物力及人力投资都相对较大，因为效果不佳，很容易出现信号中断问题，这是促进光传操纵系统创新研发的重要原因。在光传操纵系统应用过程中，光传感器至关重要，只有对光传感器进行快速处理，才能够保证光传操纵系统的稳定性，从而降低光传操纵系统在运行过程中的损耗，保证信息的传输能够准确、及时[7]。

3.2  加强故障隔离技术研发

为了保证光传操纵系统的安全性，降低其在运行过程中的危险，要保证光传操纵系统处于低温工作状态，防止火灾。一方面，材料技术可以提高系统设备的耐高温性能，保证能够有效预防高温爆炸等各种问题，提升整个系统的故障隔离效果;另一方面，其他故障隔离技术的发展与应用使光传操纵系统可以及时隔离故障。因此，可以保证整个控制系统稳定正常运行，不会对整个系统的运行产生负面影响，即使是系统上出现故障或者错误情况，也能够在最大程度上保障系统的运行稳定性[8]。

3.3  加快光传操纵系统工程应用

在电传操纵系统应用的初期，机械操纵作为备份系统，如美国第一型采用电传操纵系统的C17军用运输机就在电传操纵系统的基础上，对主要舵面的控制进行了机械操纵备份;随着技术的成熟，机械备份模式逐渐被电备份取代，如波音公司在后续研制的飞机B787、空客公司研制的飞机A380，以及欧盟研制的A400M飞机都取消了机械备份，采用了“纯”电传操纵系统飞机。国内电传操纵系统已在多型飞机上成功应用，为加快光传操纵系统的应用，可借鉴电传操纵系统发展经验[9]。

4  结语

总而言之，在各种先进技术不断研发和应用的过程中，加强光传操纵技术的研发至关重要。同时要将计算机技术、信息化技术及传感器技术等与光传操纵系统进行有效结合。这样才能够提升光传操纵系统的发展水平。除此之外，为了加快光传操纵系统在国内飞机的快速应用，首先需要建立机械、光学、电学、液压的联合模型对光传操纵系统进行机光电液联合仿真分析，进行设计优化，提高光传操纵系统的可靠性及稳定性;其次借鉴电传操纵系统发展经验，逐步发展光传操纵系统。

参考文献

[1] 张中含.直升机电传飞行控制系统操纵装置发展分析[J].科技风，2019，378（10）：163-163.

[2] 石鹏飞，谭智勇，陈洁.先进民机飞控系统发展的需求与设计考虑[J].中国科学：技术科学，2018，48（3）：237-247

[3] 李良玉，张琦，张兆璨.电传飞控系统曲线测量方法探究[J].科技风，2020（13）：117，119.

[4] 李宏亮，张革命，吝继锋，等.模式转换在飞机操纵系统试验中的应用[J].工程与试验，2019，59（1）：42-44.

[5] 徐坚，车意彬.光传飞行控制系统实现技术研究[J].科技创新导报，2018，15（33）：10，12.

[6] S·比特，R·哈特利，F·乌贡，等.用于在电传操纵飞行器系统中进行操纵器控制的系统：CN105366036B[P].2019.

[7] 张如佩.飞控系统的故障样本选取与故障注入方法研究[D].南京：南京航空航天大学，2017.

[8] 邱轶峰.基于需求模型的复杂飞控系统软件安全性分析方法研究[D].成都：电子科技大学，2020.

[9] 周青，张锐.波音777电传飞控系统的容错设计浅析[J].信息通信，2019（10）：51-52.