究竟何为电传操控？

Homo1919810

前言: 飞机的飞行控制系统(FCS: Flight Control System)就是利用控制原理使得飞机的操纵面(又称舵面,surface or rudder)偏转，以实现对飞机的姿态和航迹运动进行稳定控制的系统。飞控系统通常包括


         飞行器运动，包括其重心的线运动、绕机体轴的角运动(升降舵Elevator完成俯仰Pitch，副翼Aileron完成滚转Roll，方向舵Rudder完成偏航Yaw)，以及飞行器结构模态的变化;
完成对飞机姿态和航迹运动的稳定和控制所需的所有硬件及软件。
        电传飞控系统分为模拟式和数字式两种。前者使用模拟信号，后者使用数字信号，使用数字信号可以实现更多的状态，使得飞行控制变得更加精细。而模拟式则只能根据相位，频率，幅度的不同组合给出有限的几个状态来。

        英国BAE和法国Aérospatiale 联合设计的协和(Concorde)超音速客机是第一代应用电传飞控技术的飞机，不过该飞控系统是模拟式的。第一代数字式电传飞控系统出现在1980年初的空客A310上，该系统主要控制了缝翼、襟翼和扰流板几个操纵面。1988年通过适航认证投入使用的A320使用了第二代电传飞控技术，它可将高级控制律应用到所有的操纵面。
         A320是世界上首个采用电传飞控与静不稳定设计的民航客机。除此之外，A320还是业界首创使用侧杆驾驶的民航客机。相对于传统的中央操作盘，电传侧杆具有独特的优势。首先，电传侧杆控制系统结构精简，重量轻，易于装配和拆卸，维护成本明显降低。其次，电传侧杆占用的驾驶舱空间较小，飞行员更易于观察前方显示器，为进一步优化驾驶舱显示、控制布局提供可能。最后，在臂托的配合下，驾驶员前臂相对固定，可以保证驾驶员操纵的稳定性，减少驾驶员的工作负荷，降低操作难度。不管是中央操作盘还是侧杆，都是通过推拉控制俯仰，通过左右转动控制滚转，通过脚蹬控制方向舵，即偏航。
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2、空客的电传飞控系统简介
空客设计的电传飞控系统极其复杂，毫不夸张地说，这可能需要一整本书才有可能完整准确地描述，本文仅择其要点进行简单介绍。

2.1 黄金法则

为了满足适航认证的要求，空客使用了9大“黄金法则”来研制其电传飞控系统。

2.1.1 进行系统安全评估(SSA: Safety System Assessment)：评估每个功能失效对系统的影响。SSA使用故障树方法，研究所有可能的失效组合，以确定事件发生的概率。每个基本失效的概率由相关设备的制造商给出，并根据经验重新评估或确认。

2.1.2 遵循严格的开发流程：主要基于ARP 4754/ED79(1996)系统开发标准，DO178B/ED12(1992)软件开发标准和DO254/ED80(2000)硬件开发标准。

2.1.3 硬件冗余的设计：例如使用多台电传飞控计算机，操纵面的作动器使用不同的电源。A320/340使用3套电源(液压驱动)，A380使用4套电源(2套液压驱动和2套电驱动)。发动机引擎支持驱动液压回路给网路供电。作为备份，冲压空气涡轮(RAT: Ram Air Turbine)也支持驱动液压回路给网路供电。

2.1.4 监控的设计：所有的飞控系统部件都需要实时监控，例如传感器，作动器和探针等。计算机的所有输入和输出也都需要监控。例如，主控计算机发送伺服指令，需要监控信息被正确地发送和接收。

2.1.5 重构(Reconfiguration)的考虑：可对功能失效进行自动管理，这对飞机的容错设计非常关键。
在正常情况下的控制律称为“正常法则”(Normal Law)。它要求计算机、外设(即传感器、作动器和伺服器)和液压系统具有高度的完整性和冗余性。正常律使得载荷系数、超速、失速、极端俯仰姿态和极端倾斜角度都控制在飞行包线容许的范围内。发生故障后一些保护可能会丢失，系统将退到称为“备用法则”(Alternate Law) 层级。此时飞行仍然是可能的，但对飞行包线的全面保护不再保证。最后是没有任何保护的“直接法则”(Direct Law)，此时飞机需要飞行员手动配平。(PFD上会有洋红色提醒「USE MAN TRIM ONLY」
2.1.6 非相似的设计:所有空客飞机都至少有两种类型的计算机：一台主控和一台备份。它们的硬件和软件都不一样，也不是由同一个团队开发的。上述系统级的重构使用了主控计算机和备份计算机的切换，备份计算机比主控计算机简单。非相似的设计也涉及作动器。在A380上使用了多种类型作动器：传统的液压驱动作动器(hydraulic Actuator)，新一代电驱作动器(EHA: Electro-Hydrostatic Actuator)和电动备用液压作动器(EBHA: Electrical Backup Hydraulic Actuators)。EBHA在正常时是传统的液压作动器，在发生失效时可切换为电驱动作动器。

2.1.7 安装的隔离考虑：计算机必须物理安装在飞机上的不同地方，以避免在任何损坏的情况下完全失效。例如，发动机转子爆裂会切断为计算机供电的电线。同样的原因，液压系统和电气系统的线路也要安装在不同的地方。2.1.8 飞行控制计算机体系架构：空客设计了含有命令计算机和监控计算机的基本单元。每台计算机各有一个命令通道(COM)和一个监控通道(MON)。每个通道都监视另一个通道。COM通道提供分配给计算机的主要功能(飞行控制律计算和操纵面的伺服控制)。MON通道主要确保对飞行控制系统的所有部件(传感器、执行器、其他计算机、探针等)进行永久监控，并通过向COM通道和其他计算机发送故障检测信号来触发重构。两个通道彼此相邻以方便维护。一台计算机的COM和MON通道或者同时处于活动态，或者同时待机，或者再次同时激活变为活动态。

A320飞控系统使用两种计算机：ELAC(升降舵与副翼计算机:Elevator and Aileron Computers)和SEC(扰流板和升降舵计算机: Spoiler and Elevator Computers)。由于每台计算机都有一个命令通道和一个监视通道。因此，有四个不同的通道对应的四个不同的软件包。除了ELAC和SEC之外，还有两台计算机用于方向舵控制(飞行增强计算机FAC: Flight Augmentation Computers)。它们不是ELAC和SEC的冗余。

A320飞控系统共由7台计算机组成，包括2台ELAC，3台SEC和2台FAC。这其中的ELAC和SEC共计5台计算机组成了A320电传飞控的主飞控计算机，5台主飞控计算机中的任一台都可以控制A320的飞行。2.1.9 鲁棒性的考虑：例如，没有假的监控警报、抗电磁干扰(EMI: Electro Magnetic Interference)和在严重雷击、总风冷损失等情况下继续运行的能力。
        

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