飞行控制发展史与未来的发展

飞行控制发展史与未来的发展范彦铭（沈阳飞机设计研究所沈阳110035）摘要本文详细综述分析了世界飞行控制技术发展阶段和技术特点，介绍了典型的飞行控制系统，分析了未来飞行控制系统发展方向；概述了中国飞行控制技术发展史和主要采用的飞行控制的特点，论述了与世界飞行控制技术的差距和努力的方向；详细分析了光传飞行控制系统的特点与主要实施方案；重点分析了飞行器管理系统（VMS）的特征和系统构成，论述了VMS的设计理念和重要技术。关键词飞行控制电传光传行器管理系统1开篇“飞行器从发明开始，飞行控制就是最难的难题！”1901年维尔伯·赖特（WilburWright）在西方工程师协会上说：“人类已经知道如何制造机翼或飞机，当其在空气中以足够的速度进行驱动，不仅能支撑它们自身的重量，同时也能支持发动机和工程师的重量，人类也知道如何制造发动机和足够轻的螺旋桨以一定地速度驱动飞机···，无法平衡和驾驶飞机仍然是研究者们面对的飞行难题，一旦此问题得以解决，飞行机器时代就会到来，其它难题都显得微不足道。”飞行控制的发展历史按照挑战、应对、创新和总结的发展规律可分为六个阶段（时期）：第一阶段：从早期到1901年，此阶段称为“黎明初期”;第二阶段：1901年-1931年，此阶段称为“古典时期”;第三阶段：1931年-1956年，此阶段称为“前天”;第四阶段：1956年-1981年（1990），此阶段称为“仅仅昨天”;第五阶段：1981（1990）年-至今，此阶段称为“自昨天以来”；第六阶段：2020--？近未来2飞控各发展阶段的特征与特点1）第一阶段—黎明初期(earlydawn)从早期到1901年以少数几个人对动态飞机稳定性和飞行控制进行过思考为特征。如:兰切斯特、麦克希姆、麦克斯维尔和卢斯。在麦克斯维尔的启发下，卢斯提出了内在稳定性的理论基础。2）第二阶段—古典时期（classicalage）（1901－1931）特征:对飞机的控制采用人力操纵,设计基于维尔伯(Wilbur)·赖特(Wright)和奥威尔(Orville)·赖特兄弟的发明,没有利用更多的数学理论。飞机工程师掌握了基于经验数据，采用代数和拇指法来保证最小的三轴静稳定性。第一次世界大战促使了第一代飞机设计师在飞机设计上取得无与伦比成就的时代开始。理论学家及其成果（1）G.H.Bryan先驱理论家；编写了关于飞机稳定性与操纵行的经典论著（在赖特兄弟首次飞行那一年1901）；在假定小扰动前提下，研究飞机线性化后的运动；发现了纵向和侧向的分离；发明了稳定性推导公式等。（2）Bairstow和MelvillJhons在G.H.Bryan之后,Bairstow和MelvillJhons在英国国家物理实验室测试了稳定性导数并计算了实际使用中的飞机运动，从1910年到1930年间，人们计算了飞机的稳定性、对扰动的响应、对控制使用后的响应；进行了全比例飞行测试。（3）GatesGarner和CowleyGatesGarner和Cowley在此期间对形成自动控制概念做出突出贡献；1924年Gates认为控制根据特定的控制规律变化；1926年Garner分析了飞机在反馈控制下的横航向运动，1928年Cowley分析控制应用后产生的时延更精密方法，处理了纯时延和二阶时延问题。发明家及其成果（4）ElmerSperry1909年初到1910年，ElmerSperry与他的两个儿子Laurence和ElmerA.Jr.及助手的帮助下进行了一系列使用陀螺仪的飞行控制试验，1912到1914年间，Sperry的飞机稳定器广泛传送并到处展示。图1赖特兄弟首飞飞机拇指印3）第三阶段：“前天”1930－1956（beforeyesterday）特征：人力操纵（机械操纵）得到长足发展，满足了飞机尺寸增大和性能提高的要求，主要体现在控制面的增多，助力器得到应用。使用了人感系统、增稳系统、阻尼器、全液压功率控制。控制理论在此时期迅速发展，形成了我们现在非常熟悉（仍在使用）的理论。稳定性理论――Nyquist、Bode、Nichols、PhillipsHarris、Hall、Evans的根轨迹法，时间向量法。完成了全自动飞行，1947年美国空军全天候飞机C-54，使用SperryA-12自动驾驶仪配有进场耦合器及Bendix自动油门控制，由IBM计算机完成程序控制。4）第四阶段：昨天1956―1981（1990）*（onlyyesterday）特征：追寻安全性和可靠性；飞行控制由单余度模拟式到多余度数字式；单余度模拟系统（限制权限）—双余度模拟系统（限制权限）—全权限三余度模拟系统(带机械备份)—全权限四余度电传系统—全权限四余度数字系统—三余度数字系统；数字飞控计算机发展由单CPU计算模块--双CPU计算模块--多个独立计算模块，并由硬件和软件相似余度--硬件非相似余度--软件非相似余度图3阻尼器和增稳系统图2几种操纵系统构表2电传发展史列表发展过程用途备注单余度模拟系统用于限定权限的阻尼器，系统设计采用了控制理论和仿真相结合的复杂方法，此时期许多系统设计难题被解决。F-106A飞机和同时代的战斗机、轰炸机和第一代的喷气运输机的系统采用的单通道模拟系统二余度模拟系统用于全权限增稳系统+人工操纵由于增稳系统的应用，本能地要求全时工作，与飞行员的输入是串行关系，安全性更重要，但双余度系统的结构在一个通道出现故障时难以区分那个通道出了故障。A3J义务警员（Vigilante）曾采用二余度模拟系统。早期电传系统故障工作（FO）用于大权限和故障工作的系统。三余度带机械备份。飞机设计设计变得更复杂，性能要求更高，需要优化，主要针对控制需求推力曲线在背部区（backside）、隐身、超机动、短距和垂直起降等。F-107，F-111;Concord(1969)成熟的模拟电传系统二次故障工作（FO/FO）全权限全时和二次故障工作的系统，四余度无机械备份系统。AVROCF-105Arrow采用，但未服役；YF-16采用于1970年首飞；F－16第一个采用FBW的服役的现代战斗机，;A300-B2(1972)采用。功能扩展：放宽静稳定性、载荷分布控制、颤振抑制等主动控制功能。数字式电传取代模拟式电传多余度系统，功能更强。工作模态更多。系统由多人集体完F-8C数字电传验证机在数字式取代模拟式起了重要作用。F-16、F-18、JAS39等A300-600(1983);A310(1982)成。应用于商业飞机余度更多，系统更复杂，可靠性更高，成本降低。Airbus320首先采用(1988)。Boeing777飞机也采用数字电传。5）第五阶段从昨天开始（1981（1990）年至今）（sinceyesterday）特征：系统结构改进，由集中式变为分布式，总线式系统形成；抗电磁干扰，光传系统（FBL:Flight-By-Light）出现；系统综合，性能提升，飞行器管理系统（VMS:VehicleManagementSystem）出现；多模态、高鲁棒非线性控制律设计采用现代控制理论；软件开发验证，提高软件可靠性，代码自动生成与自动验证；数字电传系统虽然达到了成熟状态，但随着技术进步和需求的提高，仍难以满足新一代飞机需求，主要体现在下面个五个方面：（1）统自身的性能需要提高；（2）需减少验证代价；（3）应在高电磁环境下工作；（4）提高性价比；（5）提高飞机性能和燃油经济性。光传系统应用就可满足（1）~（3）的需求；采用飞行器管理系统）可满足（4）~（5）的要求；采用光传分布式飞行器管理系统可满足以上五项要求。6）第六阶段：近未来1981~2020（Nearfuture）图4变形机翼飞机特征：智能控制结构重构；自修复一体化智能控制此阶段气动/结构/控制融为一体，飞机成为一个智能体，根据飞行条件和平台状态飞机平台的结构随控布局，系统资源重组，保证飞机平台的性能—操纵性、机动性、隐身性能、安全性等。3中国飞行控制系统发展史旅美华侨冯如，1910年独立设计制造了飞机，并参加了当年在美国旧金山举行的飞行比赛，这可以说是最早的中国人制造的飞机。从1910年至1950年，中国一直在战争中挣扎，从推翻清朝统治-军阀混战-内战-抗日战争-解放战争-抗美援朝，根本没有精力进行飞机的研发。中国的航空工业应当说是从新中国成立后才真正建立起来，主要分下面几个阶段。50年－1959年初创和仿制阶段初创阶段主要维修苏制飞机――米格－15米格－9拉－9拉－11伊尔－10图－2里－2伊尔－12波－2雅克－12雅克－18雅克－11雅克－17等；仿制阶段主要仿制雅克－18和米格－17Ф米格－19。雅克－18其操纵系统为拉杆钢索系统；米格－17Ф其操纵系统的特点是在副翼通道采用可逆助力器操纵；米格－19其操纵系统不可逆液压助力器操纵；米--19C（歼6）采用不可逆液压助力器操纵（国内掌握该项技术），全动平尾操纵和力臂调节器；1964年开始自行设计主要型号有：歼7、歼8、歼8Ⅱ（系列）、歼8Ⅲ、歼10、歼11。歼8：64年设计，1967年7月5日首飞，77年12月定型，81年交付部队。飞行控制系统带助力器的机械操纵系统。87年－92年作为验证机完成了单轴四余度模拟式和数字式电传系统的研制与试飞验证。歼8Ⅱ：84年研制，87年定型，飞行控制系统为先进的机械操纵系统；92年－98年作为验证机完成了三轴四余度数字电传系统研制与试飞验证。歼10：85年与外方合作研制，98年首飞，2003年定型，四余度数字电传。歼11：四余度模拟电传控制系统。根据目前的技术现状，我国处于电传控制增稳系统阶段(第四阶段)；美国等西方发达国家处于飞行器管理系统阶段(第五阶段)；俄罗斯处于两者之间。J8和J8װ飞机机械操纵系统为代表初创与仿制俄制飞机冯如设计的飞机J8ACT单轴四余度数字电传为代表J8ACT轴四余度模电传为代表单拟J8װ驾驶仪为代表J8װACT和J10三轴四余度数字电传为代表第六阶段中国飞控发展史世界飞控发展史第五阶段第四阶段第三阶段第二阶段第一阶段190010203040506070809020001020190010203040506070809020001020图5中国飞控发展史缩略图图6飞行控制系统的演变过程平台一体化设计与智能功能克服铰链力矩解决功能和性能的矛盾智能飞行器管理系统飞行器管理系统解决操纵性和机动性的矛盾增大等效飞机的固有频率解决短周期振荡控制增稳操纵系统增稳操纵系统阻尼操纵系统不可逆助力操纵系统可逆助力操纵系统助力机械操纵系统硬式拉杆软式钢索简单机械操纵系统机械操纵系统混合操纵系统电传或光传控制系统4光传飞行控制系统（FlightbyLight）光传飞行控制系统（FlightbyLight）与电传飞行控制系统（FlightbyWire）最大区别在于传输介质不同，同时带来了系统结构的不同。涉及的主要关键技术：光纤传输技术；光纤总线技术；光分路器和耦合器技术；光传感器和分配器技术；光作动器技术；光计算机技术；光纤系统的特点：(1)改善信号泄漏；(2)减少重量和尺寸；(3)消除了串扰、电磁干扰和电磁脉冲干扰；(4)防止了短路；(5)消除了地环流；(6)改善了热防护品质；(7)消除了电火花；(8)频带宽；(9)消除了线路腐蚀。工艺性差，易损坏，不宜修复。图7光作动系统光位移传感器光传飞行控制系统第一种结构（沿用电传系统的结构形式）优点：采用了座舱接口终端（CIT），系统具有一定的扩展能力。重量比电传系统轻。缺点：相对于同样余度等级的电传系统稍复杂些；CIT和星形耦合器增加了系统的复杂性，同时对控制损失概率（PLOC）和平均无故障时间(MTBF)有影响光传飞行控制系统第二种结构（在第一种结构的基础上进行完善）优点：具有严格的故障容错和生存性；总线监控器（BM）可使一台计算机接收全部的传感器数据；计算机间的数据交换通过BC广播数据和BM接收数据完成；某FCC出现故障，CIT的一个RT或剩余FCC的一个BM转为故障计算机的BC;缺点：该开放式结构比第一种结构复杂（主要是CIT和FCC变复杂）；星形耦合