与传统的机械式飞控系统相比,电传飞控系统在提升飞行的稳定性、安全性、舒适性等方面,具有明显的优势,已经成为现代大型民用客机的重要标志之一。
在借鉴国内外先进经验的基础上,C919大型客机的电传飞控系统设计具有明显的后发优势。
伴随着发动机的阵阵轰鸣,满载600多名乘客的A380疾驶而过、腾空而起,飞向蔚蓝的天空。目睹这一场面的人们都为这个庞然大物能如此轻盈地一飞冲天而惊叹:是什么使它的升空如此轻盈?
更稳定
A380能如此轻盈地一飞冲天,除了4台先进的发动机外,还在于它有一个先进的电传飞控系统。“电传飞控系统”是由计算机、传感器、电子控制装置、电液伺服作动器等组成的,由导线或电缆传输的一个闭合回路。它取代了传统的杆系、钢索、机械阀,不仅重量轻、布局简化,更重要的是能大大提升飞机的飞行性能。
大型客机载客多、速度快,在飞行中常常会因为大气密度、压力等变化导致飞机摇摆晃动。在长途飞行过程中,驾驶员经常需要应对这种不稳定现象,往往感到力不从心,甚至出现操控失误引发灾难。电传飞控系统由此应运而生。
电传飞控系统依靠其核心控制主件——飞控计算机,通过传感器既可以接受驾驶员的指令,又能接收到遍布机翼、尾翼舵面上的传感器信息,经过比较、综合和计算,将结果指令发给舵面上的伺服作动器,驱动舵面偏转,维系飞机的姿态平衡。与此同时,从计算机直接输出的数字信号沿数据总线流向飞机信息、大气数据、自动驾驶等系统,构成了一个闭合的大循环。
若飞机遇到外界的大气干扰,计算机就会根据飞机俯仰、横滚和偏航传感器的信息计算,指令作动器反向推动舵面微小偏动,飞机便回到了稳定状态。其间,驾驶员无需进行具体操控,甚至对外界影响可以不闻不问。
电传飞控系统完美地实现了舵面的精确运动,出色地解决了大型客机的动态不稳定问题,而这仅仅是它的功能之一。
这一系统的最大功效是把主动控制技术巧妙地应用于飞机的总体设计之中。
飞行时,一般机翼的气动合力作用点(焦点)在全机重心之后,飞机的纵向姿态靠平尾向下偏转维持。电传飞控系统采用放宽静稳定性技术后,可将焦点前移至重心前后,机翼上的气动力矩由此大大减小,与之平衡的平尾配平力矩也就小了。这样,减小了平尾的面积,减轻了平尾的重量,阻力降低。
然而,有利则有弊。由于平尾面积变小,飞机在飞行过程中一旦遇上突风干扰,就可能会一个劲地“抬头”,面临失速的危险。为解决这一问题,飞控计算机可从飞机迎角传感器、加速度计中获得最新信息,开展控制律计算,将结果即时指令给作动器,驱动平尾向上偏转,从而确保飞机稳定飞行。
更安全
安全,是研制大型客机首要考虑的问题。在一般人看来,主要由计算机、电子元件构成的电传飞控系统,与机械式飞控系统相比,总让人觉得不太可靠。为提升安全性,现代大型客机的电传飞控系统配置了3台或4台相同的计算机,一同执行指令,完成同一工作。实际上,全部工作只需要一台计算机即可,这被称为“余度技术”。每台计算机还分两个通道:一个指令运动,另一个故障监控。此外,计算机执行的软件也采用了“非相似余度技术”,即编程的语言各不相同,连编程、校对人员也是两套人马,以确保万无一失。此外,种类繁多的传感器也都为多重构架,每个连接着4根相互隔开的导线。
为了安全,电传飞控系统分三级工作方式:无故障正常模式,局部故障的辅助模式和计算机失效时的直接模式。转入直接模式时,驾驶员绕过失效的计算机,以模拟(电流、电压)信号传输给传感器、电子控制装置(ACE),直接控制电液伺服作动器。它省去了ACE承担繁杂的“模拟-数字-模拟”式转换,更安全、敏捷地保障飞机主要的纵向、横滚、偏航舵面运动。飞机进入直接模式后,系统故障几乎就不会再有了,只是飞行性能有些下降,驾驶员责任更加突出。
更舒适
宽敞明亮的客舱、舒适的座椅、美妙的音乐,可以让乘客充分享受飞行的乐趣。可是,突如其来的气流扰动、阵风干扰导致机舱颠簸时,你还会感到舒服吗?在电传飞控系统问世前,人们往往束手无策,只能忍受颠簸之苦。而安装了电传飞控系统的飞机此时则可以使出它的法宝——“主动控制技术”中的“阵风解缓”确保飞机平稳飞行。
当飞机遭遇大气紊流、阵风干扰时,位于机身内的速率陀螺、迎角传感器就会第一时间灵敏地捕获到这些干扰信号,传至电子控制装置,通过它把传感器的模拟信号转换成数字信号,同时传送给4台计算机。计算机进行复杂计算后,将结果转成模拟信号传送给作动器,促使舵面产生微小偏转以消除外部干扰。一般情况下,飞机能够平稳飞行,从而大大提高了乘客的舒适感。
更先进
电传飞控系统尽管已经得到了较为普遍的应用,但还有很大的发展空间。我国正在研制的C919大型客机的电传飞控系统除了具备一般飞控系统的基本功能外,还特别拓展了“主动控制技术”功能,采用了放宽静稳定性技术,有效减轻了水平安定面的重量和气动阻力。“飞行包线保护”、“攻角保护”等技术的运用,确定了气动与结构的限制范围,预防了危险操作,提升了飞行性能。在飞机垂尾上,装有力传感器、偏航角位移传感器等,以实现侧向阵风减缓,提高旅客乘坐的舒适感。
电传飞控系统的性能还集中反映在对关键技术——“控制律”的正确把握和精准设计中。这需要专业人员深入钻研并为此付出艰辛的努力,也需要有丰富的经验积累。C919大型客机项目有一个由资深专家组成的团队。这个团队正在奋力攻关,并取得了可喜的成果。
此外,C919大型客机项目的供应商——美国霍尼韦尔公司在电传飞控系统方面有很丰富的经验,这也有助于提升我们的水平。
在借鉴国内外先进经验的基础上,C919大型客机的电传飞控系统具有明显的后发优势,通过我们的努力,一定能研制出先进的大型客机。