隨著埃塞俄比亞航空ET302航班的失事，現(xiàn)代大型飛機的飛行控制系統(tǒng)安全性再次成為人們熱議的話題。隨著該事故初步調查報告的出爐，波音公司為B737 MAX客機專門研制的飛行控制模塊MCAS（機動性增強系統(tǒng)）被推到了風口浪尖。那么，作為現(xiàn)代大型客機的重要組成部分，以MCAS為代表的現(xiàn)代飛行控制系統(tǒng)有著怎樣的特點？它的未來又將走向何方。本文詳細呈現(xiàn)現(xiàn)代大型飛機的飛行控制系統(tǒng)的前世今生。
文章僅供參考，觀點不代表本機構立場。
作者：學術plus高級評論員 高書亮
現(xiàn)代大型飛機的飛行控制系統(tǒng)(以下簡稱飛控系統(tǒng))的主要作用是保證飛機的穩(wěn)定性和操縱性, 改善飛行品質, 確保飛機能夠在其許可的性能包線中飛行，從而保證飛行的安全與效率，同時盡可能減輕飛行員的工作負擔。
飛行控制系統(tǒng)包括：（1）主飛行控制系統(tǒng)(MFCS，人工飛行操縱系統(tǒng))和（2）自動飛行控制系統(tǒng)(AFCS，也即我們平時所說的“自動駕駛儀”)。
主飛行控制系統(tǒng)的功能是：飛行員通過駕駛桿(或桿/盤)以及腳蹬控制飛機的升降舵、副翼和方向舵等飛機操縱面, 實施對飛機俯仰、傾斜和航向的控制。自動飛行控制系統(tǒng)主要是與飛機相關傳感器（如慣性導航系統(tǒng)、大氣數(shù)據(jù)系統(tǒng)、無線電高度表等）交聯(lián)，根據(jù)各類傳感器提供的實時飛行數(shù)據(jù)和飛行員操作指令，實現(xiàn)自動化的飛機航跡、航向、高度和姿態(tài)控制，從而進一步減輕飛行員工作負擔，為飛機提供自動化的控制手段，確保飛行安全和品質。
飛控系統(tǒng)兩大需求
n 安全性需求：安全性需求是民機飛控的第一需求, 一般要求飛控系統(tǒng)失效導致災難性結果的概率小于10–9/小時, 這帶來了設計技術、評估和驗證技術以及流程方法方面的諸多挑戰(zhàn)。這意味著現(xiàn)代飛控系統(tǒng)的設計往往需要采用諸如功能分區(qū)、物理隔離、非相似余度設計/監(jiān)控等多種技術；
n 經(jīng)濟性需求：經(jīng)濟性需求是確保飛機運行效率和商業(yè)成功的基本要求, 對飛控系統(tǒng)的設計、開發(fā)、制造和維護提出新的挑戰(zhàn)，這往往要求飛控系統(tǒng)采用一體化設計技術, 實現(xiàn)多種不同功能綜合, 減少機上LRU設備數(shù)量、重量和體積，進一步提高系統(tǒng)簽派效率。
飛控系統(tǒng)發(fā)展三個階段
從人類實現(xiàn)有動力飛行開始，現(xiàn)代飛行控制系統(tǒng)經(jīng)歷了近百年的發(fā)展歷史。上世紀六十年代以前，當時的飛機主要特點是飛行速度低，飛行力矩負載小，因此主要采用機械操縱系統(tǒng)，初步解決了飛機的平衡與可控、穩(wěn)定性與操縱性的矛盾以及航跡自動控制等問題，不斷地減輕了飛行員的工作負荷，提高了飛機的操控品質。
而從上世紀60年代開始，產(chǎn)生了兩個對現(xiàn)代飛機發(fā)展具有標志性、劃時代意義的飛行控制概念———主動控制和電傳操縱，改變了傳統(tǒng)飛機的設計理念，大幅提升了飛機的飛行品質和任務能力， 同時促進了綜合飛行控制的迅速發(fā)展，成為第三、四代軍用飛機和先進客機的典型標志。概況的說，現(xiàn)代飛機飛控系統(tǒng)和技術大致經(jīng)歷了如下的發(fā)展階段：
早期的飛機尺寸小、速度慢，可由簡單的機械操縱系統(tǒng)控制， 即駕駛桿和腳蹬的運動通過鋼索(軟式)或拉桿(硬式) 傳遞， 直接操縱舵面偏轉。
1914年，美國Sperry公司研發(fā)了電動陀螺穩(wěn)定器，用于穩(wěn)定飛機平飛時的角運動， 成為后來自動駕駛儀的雛形。第二次世界大戰(zhàn)后，超聲速飛機出現(xiàn)，此時飛行員操縱時已無法直接承受舵面上的鉸鏈力矩， 因此出現(xiàn)了全助力操縱系統(tǒng)，并且安裝了人感系統(tǒng)來為飛行員提供適當?shù)牟倏v感。隨著飛機向高空、高速發(fā)展，飛行包線不斷擴大，飛機的操穩(wěn)特性變化加劇，單純依靠改變人工操縱系統(tǒng)和飛機的氣動布局，已難以對飛機進行有效控制。
于是，將增穩(wěn)控制引入到人工操縱中，形成了具有增穩(wěn)功能的全助力操縱系統(tǒng)。控制增穩(wěn)系統(tǒng)的引入，有效解決了高空高速飛機的穩(wěn)定性與操縱性之間的矛盾，擴展了飛行包線，成為飛控技術發(fā)展史上重要的變革。
上世紀60年代以來，自動駕駛儀的功能開始擴展，與機載無線電導航、慣性導航等系統(tǒng)交聯(lián)，增加了航跡控制部分;又與儀表著陸系統(tǒng)交聯(lián)，實現(xiàn)了自動進場/著陸控制，進一步擴大了外回路功能;與自動油門綜合后，形成了較為完整的自動飛行控制系統(tǒng)。此時飛行控制的功能不再僅是姿態(tài)的穩(wěn)定與控制，還有航跡的操縱和保持。
隨著飛機性能需求的不斷提高，在傳統(tǒng)飛機設計過程中產(chǎn)生了諸多難以克服的矛盾。為此，主動控制技術( Active Control Technology，ACT)誕生,即在飛機設計的最初階段， 就充分考慮飛行控制對提高飛機性能的作用和潛力，以放寬對飛機氣動結構和動力裝置等方面的限制，而依靠飛行控制系統(tǒng)的相關能力主動的進行飛行性能的補償和增強，，從而形成飛控、氣動、結構和動力之間的綜合協(xié)調。
20世紀70年代初，在原有的控制增穩(wěn)系統(tǒng)的基礎上，產(chǎn)生了一種全新的電傳操縱系統(tǒng) ( Fly-By-Wire System，F(xiàn)BWS)。它去掉了駕駛桿到舵機之間的機械傳動機構，飛行員操縱指令完全以電信號的形式直接傳輸?shù)蕉鏅C伺服控制回路，不僅較好地克服了機械操縱系統(tǒng)的固有缺陷，還方便地實現(xiàn)了主動控制功能，從而使得采用自動飛行控制提升飛行品質在實踐中成為可能。在此基礎上產(chǎn)生的自動飛行控制系統(tǒng)（AFCS）
一般的，自動飛行控制系統(tǒng)主要包含飛行導引控制、自動推力、自動著陸、飛行包線保護、告警通告等功能。其中：
n 飛行導引控制功能使用傳感器提供的飛機姿態(tài)、位置偏差、姿態(tài)偏差及控制指令，提供飛行指引和自動駕駛，其工作模式分為垂直模式、水平模式和多軸模式，可提供縱向控制和橫向控制。
n 自動推力功能根據(jù)飛機所在的飛行階段、空速、發(fā)動機狀態(tài)信息等，自動調節(jié)油門桿位置，控制發(fā)動機轉速，從而實 現(xiàn)發(fā)動機推力的自動控制。
n 自動著陸功能可在惡劣氣象條件下自動、安全地完成對著陸階段飛行路徑、姿 態(tài) 和 速 度 的 精 確 控 制，減 輕 飛 行員工作負擔。
n 飛行包線保護功能根據(jù)飛行導引控制工作模式、姿態(tài)角、空速等信息，通過飛行 指 引、自 動 駕 駛和自動油門協(xié)同工作，限制自動飛行控制系統(tǒng)工作時的包線，提供全時的速度保護。
n 告警通告功能向飛行員通告自動飛行控制系統(tǒng)工作狀態(tài)，包含飛行指引、自動駕駛、自動油門接通狀態(tài)、飛行導引控制工作模式、自動著陸等級和接通狀態(tài)等，并以視覺和聽覺的方式提供自動飛行控制系統(tǒng)及設備的故障告警。
常見典型飛控系統(tǒng)
為了滿足現(xiàn)代大型飛機復雜程度高、接口眾多、數(shù)據(jù)傳輸量大、飛行時間場等要求，現(xiàn)代大型飛機的飛行控制系統(tǒng)一般采用電傳飛控技術，盡可能減少機械部件，簡化飛機結構設計，減輕重量，增加系統(tǒng)擴展能力，降低運行維護費用，提高系統(tǒng)功能可靠性；其中的飛行控制計算機往往與其它機載系統(tǒng)共用計算機硬件，以軟件功能模塊的形式存在，減少硬件數(shù)量，減小設備體積，并通過先進機載數(shù)據(jù)總線與其它系統(tǒng)互聯(lián)。
其基本架構如下所示：
（1）B787的飛行控制系統(tǒng)
B787飛機的飛行控制系統(tǒng)包括自動駕駛飛行指引系統(tǒng)（AFDS）和推力管理系統(tǒng)（TMS），該系統(tǒng)使用飛機固有的通用數(shù)據(jù)網(wǎng)絡（CDN）與其它機載系統(tǒng)連接，通過模式控制板、駕駛盤上自動駕駛斷開開關、駕駛盤反驅作動器、方向舵腳蹬反驅作動器、油門桿上自動油門斷開開關和起飛／復飛開關實現(xiàn)人機互聯(lián)。推力管理系統(tǒng)硬件組成包括油門桿上的自動油門斷開開關。自動駕駛飛行指引系統(tǒng)在飛行員手動操縱飛機時提供飛行指引，指示飛行員控制飛機，也可對飛機進行自動飛行控制。推力管理系統(tǒng)自動油門控制油門桿運動，從而控制飛機推力。推力管理系統(tǒng)通過不同的工作模式與自動駕駛飛行指引系統(tǒng)協(xié)同工作，控制飛機縱向運動。
（2）A380的飛行控制系統(tǒng)
A380飛機自動飛行系統(tǒng)包括飛行導引系統(tǒng)、飛行管理系統(tǒng)、飛行包線保護等功能，它包含３臺主飛行控制和導引計算機、３臺飛行管理計算機等硬件。飛行員通過１個自動飛行系統(tǒng)控制面板、２個多功能顯示器、2個主飛行顯示器、２個導航顯示器、２個側桿上自動駕駛斷開開關、４根油門桿實現(xiàn)與自動飛行系統(tǒng)進行交互。
飛行導引系統(tǒng)基于飛行員或飛行管理系統(tǒng)設置的目標值，提供水平和垂直導引，通過自動飛行系統(tǒng)控制面板設置的速度、航向、航跡、高度、垂直速度、飛行航跡角目標值進行短時控制，通過飛行管理系統(tǒng)將飛行計劃轉換為目標值進行長時控制，利用主飛行控制系統(tǒng)控制操縱面，通過全權限數(shù)字發(fā)動機控制系統(tǒng)控制發(fā)動機。飛行管理系統(tǒng)提供飛行計劃和導航信息，計算并優(yōu)化性能數(shù)據(jù)，并向飛行員顯示相關信息。飛行包線功能算飛機正常飛行包線，并防止飛機飛出包線。飛控數(shù)據(jù)集中功能發(fā)送系統(tǒng)告警，生成系統(tǒng)維護信息等。其基本架構如下所示：
（全文完）
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