当前位置:首页 >> 机械/仪表 >>

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(Wilbur Wright)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(early dawn)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(classical age) (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 Melvill Jhons 在 G. H .Bryan 之后,Bairstow 和 Melvill Jhons 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)Gates Garner 和 Cowley Gates Garner 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)Elmer Sperry 1909 年初到 1910 年,Elmer Sperry 与他的两个儿子 Laurence 和 Elmer A. 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。

拇指印

图1

赖特兄弟首飞飞机

3)第三阶段: “前天”1930-1956(before yesterday) 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、 Phillips Harris、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 Sperry A-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)*(only yesterday) 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 2 几种操纵系统构 表2
发展过程 单余度模拟 系统 用途 用于限定权限的阻尼 器,

图 3 阻尼器和增稳系统 电传发展史列表
备注 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) 成熟的模拟 电传系统 二次故障工 作(FO/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) AVRO CF-105 Arrow 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。

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。

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) (since yesterday) 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: Vehicle Management System)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(Near future) 特征: 智能控制 结构重构; 自修复 图 4 变形机翼飞机 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。

世界飞控发展史 第一阶段
1900 10

第二阶段
20 30

第三阶段
40 50 60

第四阶段
70 80

第五阶段
90 2000

第六阶段 10 20

1900

10

20

30

40

50

60

70

80

90

2000

10

20

中国飞控发展史
冯 如 设 计 的 飞 初 创 与 仿 制 俄 制 飞 机 J8 和 J8? ??飞 机 机 械 操 纵 系 统 为 代表

J8???



J8ACT 驾 驶 单轴四 余度模 仪 为 拟电传 代表 为代表

J8ACT 单轴四 余度数 字电传 为代表

J8???ACT 和 J10 三轴四余 度数字电 传为代表

图5

中国飞控发展史缩略图

简单机械操纵系统 械 助力机械操纵系统 纵 系 统 可逆助力操纵 不 可 逆 助 力 操 纵系统 系统 软式钢索 克服铰链力矩 硬式拉杆 操



解决短周期振荡

混 阻尼操纵系统 操 纵 系 统 电 控制增稳操纵系统 或 光 传 飞行器管理系统 制 系 智能飞行器管理系统 统 控 传 合

增大等效飞机 的固有频率

增稳操纵系统

解决操纵性和机 动性的矛盾 解决功能和性能 的矛盾 平台一体化设计与 智能功能

图6 飞行控制系统的演变过程

4 光传飞行控制系统(Flight by Light) 光传飞行控制系统(Flight by Light)与电传飞行控制系统(Flight by Wire)最大区别在 于传输介质不同,同时带来了系统结构的不同。 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。 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;

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; 和星形耦合器增加了系统的复杂性, CIT 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) ;星形耦合器变为 该结构的关键部件;
ADT RT MU FT
COCKPIT SENSORS

ADT RT MP RT

ADT RT MU FT

COCKPIT SENSORS

ADT RT MP RT

ADT RT MU FT

COCKPIT SENSORS

ADT RT MP RT

ADT RT IMU FT

COCKPIT SENSORS

ADT RT MP RT

ADT RT IMU FT

COCKPIT SENSORS

ADT RT UP RT

ADT RT IMU FT

COCKPIT SENSORS

ADT RT UP RT

CITA RT

CITB RT

CITC RT

CITA RT RT RT

CITB RT RT RT

CITC RT RT RT

SEA AS-1773A BC FCCA CCDL

SEA AS-1773A BC FCCB CCDL

SEA AS-1773A BC FCCC CCDL

SEA AS-1773A SEA AS-1773A BM BC BM FCCA BM BC BM FCCB

SEA AS-1773A BM BC BM FCCC

图 8 图 4-4

光纤飞控第一种结构

图 4图 9 5 光纤飞控第二种结构

光传飞行控制系统第三种结构(单星形分布式结构) 优点:具有前面两种结构的优点;有扩展为 VMS 的能力。 缺点:结构复杂;光传输损失太大(特别是对 16X16 耦合器的损失) 。 光传飞行控制系统第四种结构(双星形分布式结构) 优点:具有分布式光传结构的所有优点;没有光损失缺陷;由于用两个耦合器,光传输 量减少;光缆长度变短;具有强的扩展能力。 缺点:系统复杂性增加
ADT RT IMU FT
COCKPIT SENSORS

ADT RT MP RT

ADT RT MU FT

COCKPIT SENSORS

ADT RT UP RT

ADT RT MU FT

COCKPIT SENSORS

ADT RT UP RT

ADT RT MU FT

COCKPIT SENSORS

ADT RT UP RT

ADT RT MU FT

COCKPIT SENSORS

ADT RT UP RT

ADT RT MU FT

COCKPIT SENSORS

ADT RT UP RT

CITA RT RT RT

CITB RT RT RT

CITC RT RT RT

CITA RT

CITB RT

CITC RT

SEA AS-1773A

SEA AS-1773A

SEA AS-1773A

L-AIT A

BM

BC BM FCCA

BM

BC BM FCCB

BM

BM BC FCCC

R-AIT A

L-AIT A L-AIT B

BC BC

BM FCCA BM

BM BM

BM BM

BC FCCA BC

BM BM

BM BM

BM FCCA BM

BC BC

R-AIT A R-AIT B R-AIT C

L-AIT B L-AIT C

R-AIT B R-AIT C

L-AIT C

SEA AS-1773A

RT RT RT FADEC

RT

RT RT FADEC

SEA AS-1773A

SEA AS-1773A

R-AIT A

R-AIT B

R-AIT C

RT

RT RT FADEC

T-AIT A

T-AIT B

T-AIT C

RT

RT RT FADEC

图 4-6 图 10 光纤飞控第三种结构

图 11 图 4-7

光纤飞控第四种结构

5 飞行器管理系统 为满足飞行器未来发展的要求,一确定的航空飞行器的功能可分为明晰的两类: 载荷功能(paylod functions); 飞行器管理功能(vehicle management functions) ; 载荷功能(paylod functions)主要包括: 监视; 目标探测与跟踪;

敌我识别; 火力控制; 任务通讯 传感器控制与融合; 飞行器管理功能(vehicle management functions)主要包括: 飞行控制(包括飞行管理、阵风载荷减缓、操纵品质等) ; 推进控制; 飞行路径控制; 载荷系统 多功能和综合导航; VMS 大气数据; 飞行关键 燃油系统; 电源电气; 环控系统; 图 12 四代机机载系统的关系 飞行器健康监控; 有些功能可放在两个系统中的任何一个,如:综合火飞控制;武器管理;导航;任务规 划; 飞行器管理系统是以飞推综合控制为核心的平台安全综合控制系统,实现所有的飞 行关键功能和与安全性有关的功能。

图 13 现代飞行器综合控制回路

飞行器管理系统是从飞机飞行平台的角度进行综合设计—物理综合和功能综合,超出 了狭隘的飞/火/推综合功能设计,它既要飞行安全又要多功能和高性能的飞行平台。 功能综合和物理综合有强耦合关系,两者的差别又是明显的,问题不同的处理策略会 导致不同的系统方案。因此,在系统设计时对功能综合和物理综合要进行平衡。 平衡依据是:保证“系统的性能、安全性、完整性、成本”要得到满足。要满足上面 四方面的要求须从以下主要方面考虑: 功能选择:既要考虑到功能实现的高效率,又要避免软件测试与验证(V&V)的挑战。

功能分组:功能分组要基于功能的亲近关系,同时要使安全关键功能和非安全关键功 能分开。 重构功能:在系统出现一个故障后,通过物理综合和功能综合来进行重新构造系统, 可以满足系统不降级运行或性能降级运行或取消某些功能;满足不同的要求,系统资源配 置是不同的。 关键等级:关键和非关键功能在一个处理器中混合(不考虑相互作用)此前还没有, 基于鲁棒划分的新技术已进行了开发以允许小心的混合。飞行安全软件的开发重大原则是: 必须基于简单和可见性。 完整性:其完整性意指系统结构完整、余度/余度管理算法合理、系统重构、自检测完 善、同步/异步算法、硬件多样性和备份。 综合等级取决与采用的技术和技术的成熟度,即:综合等级的选取要立足于自身的技 术能力。 飞行器管理系统综合控制设计的理念是: 系统采用分布式结构,便于系统扩展; 硬件(特别是计算模块)越来越多,功能简化,合理分配; 飞行安全关键功能与非关键功能分开; 系统双 V&V 验证必须充分,软件功能分配必须考虑双 V&V 的完整性; VMS 涉及的关键技术: 分布式结构传感器; 数字传感器; 先进作动系统( ; 采用脉宽调制方法控制作动系统; 全数字闭环控制; 伺服电子放在作动器附近; 直接驱动作动器(DDA) ; 静电液(EHS); 电动; 总线技术(内总线与外总线选择) ; 高性能新结构飞控计算机设计; 用于飞行关键系统的操作系统; 高非线性综合控制律设计技术 参考文献 1 Duane McRuer and Dunstan Graham Flight Control Century: Triumphs of the Systems Approach, JOURNAL OF GUIDANCE,CONTROL, AND DYNAMICS Vol.27,No.March-April 2004. 2 Jack Corrigan, Jack Jones,Brad Shaw Flight–By-Light Control System Architectures For Tactical Military Aircraft, SPIE Vol.2467/133. 3 North Atlantic Treaty Organization, Integrated Vehicle Management Systems,AGARD-QR-343(AD/A 310111),April 1996. 4 张明廉主编,飞行控制系统,北京,国防工业出版社,1985。

飞行控制发展史与未来的发展
作者: 作者单位: 范彦铭 沈阳飞机设计研究所,沈阳,110035

本文读者也读过(6条) 1. 梁德芳 飞行控制系统规范发展刍议[期刊论文]-航空标准化与质量2006(4) 2. 耿少锋 电传飞行控制系统在大型运输机上的应用[会议论文]-2007 3. 占正勇.刘林.ZHAN Zheng-yong.LIU Lin 分布式电传飞行控制系统结构发展及分析[期刊论文]-飞行力学2009,27(6) 4. 季鹤鸣.杨茂林 实事求是发展航空发动机——百年航空发动机发展史中的若干启示[会议论文]-2003 5. 张汝麟 飞行控制与飞机发展[期刊论文]-北京航空航天大学学报2003,29(12) 6. 李昆.王少萍 光传操纵系统的发展趋势[期刊论文]-北京航空航天大学学报2003,29(12)

本文链接:http://d.g.wanfangdata.com.cn/Conference_6145812.aspx


相关文章:
航空发动机的世界发展史及在我国未来的发展
航空发动机的世界发展史及在我国未来的发展_农学_农林牧渔_专业资料。摘要: 航空...由此可以看出, 采用活塞式发动机作动力 的飞机, 飞行速度是受到限制的, 不可能...
电机的历史与未来发展--
电机的历史与未来发展--_电子/电路_工程科技_专业...到 1965 年以后,随着控制技术和材料性能的显著提高,...列车,其速度已超 500km/h,接近了航空的飞行 速度...
轨道交通发展史与未来发展方向
很多城市轨道交通的车辆、 通讯信号、 控制等系统, 以及盾构等设施、 设备都是...包装的发展史与未来发展... 3页 1下载券 电子计算机的发展史及发... 13页...
飞机操纵系统发展史
飞行操纵系统发展史【摘要】本文主要论述了的飞机飞行操纵系统的发展史, 对飞机机械操纵、 增稳操纵、控制增稳操纵、电传操纵、光传操纵做了详细的描述,并 对未来...
信息传输技术的发展—“发展史与未来趋势”
信息传输技术的发展—“发展史与未来趋势”_计算机软件及应用_IT/计算机_专业...此外,作为信息超远控制的遥控、遥测和遥感技术也是非常重要的技术。遥控是利用通...
航空航天发展史
同时, 随着航空技术的发展,在未来的战争中,空战将...极大的提高了军事侦察能力和军事控制能力, 二是信息...飞行之梦——航空航天发展史概论[M].北京:北京航空...
自动化的发展历史与前景
一部自动化专业的发展史实际上是新中国高等教育事业...分、电气技术专业部分与飞行器制导与控制专业部分。 ...未来中国、世界发展需要什么样的人才高等科学 与工程...
轨道交通发展史与未来发展方向
轨道交通发展史与未来发展方向_交通运输_工程科技_专业资料。轨道交通发展史与...的发展, 主要是加强交通需求控制和管理,城市可以根据自身的道路容量 制定总量控制...
轨道交通发展史与未来发展方向
3 城市轨道交通未来的发展方向在未来, 城市轨道交通发展的一个必然方向首先就是...即使各地都建立了交通控制中心,大多只是实现了监视功能,而远没有发 挥控制功能...
中国民航发展史及未来展望
中国民航发展史未来展望 土建 0915 张豪 1208091525 中国民航的发展史可谓曲...来修复的国民党遗留在大陆的 17 架飞机,构成了新中国民航事业创建初期飞行工具的...
更多相关标签:
飞机飞行器发展史 | 飞行器发展史 | 飞行器的发展史 | 四旋翼飞行器发展史 | 飞行时间质谱仪发展史 | 航空飞行器材料发展史 | 未来计算机的发展史 | 未来计算机发展史 |