《支线飞机电传飞行控制系统研发及验证》陈勇，田剑波，王晓梅|(epub+azw3+mobi+pdf)电子书下载

图书名称：《支线飞机电传飞行控制系统研发及验证》

【作　者】陈勇，田剑波，王晓梅

【丛书名】ARJ21新支线飞机技术系列

【页 数】 222

【出版社】 上海：上海交通大学出版社 , 2017

【ISBN号】978-7-313-18559-4

【价 格】120.00

【分 类】民用飞机-自动飞行控制-飞行控制系统

【参考文献】 陈勇，田剑波，王晓梅. 支线飞机电传飞行控制系统研发及验证. 上海：上海交通大学出版社, 2017.

图书封面：

图书目录：

《支线飞机电传飞行控制系统研发及验证》内容提要：

“大飞机出版工程ARJ21新支线飞机系列”之一。本书以ARJ21飞机电传飞控系统设计为基础，综述了电传飞控系统的主要功能（放宽静稳定度、改善飞机飞行品质，自动协调滚转、迎角限制器、自动配平、自动防偏离和制止惯性耦合等），着重阐述有关放宽静稳定度，改善飞机飞行品质，绕稳定轴滚转，迎角限制器，制惯性耦事及自动防偏离等问题。还就研制飞控系统的几个关键技术进行了论述。

《支线飞机电传飞行控制系统研发及验证》内容试读

1绪

论

1.1飞控系统技术发展概况

与军用飞机一样，商用飞机也经历了由小到大、速度由低到高的发展历程。最初的飞行控制系统（以下简称飞控系统）为简单的机械操纵系统，驾驶员对驾驶舱操纵器件的操纵通过拉杆或钢索直接驱动操纵面，随着飞机重量的增加和飞行速度的提高，发展了气动助力操纵和液压助力操纵系统。随着飞机性能的进一步提升和安全性要求的提高，系统功能不断增强，如引入与飞行参数有关的人感系统偏航阻尼器、马赫数配平系统、方向舵高速限幅系统、改善飞机着陆滑跑性能的自动扰流板系统等。伴随系统功能和性能提升的是系统的复杂化以及设备数量、体积和重量的增加。机械飞控系统有其固有的缺陷，如机械传动的摩擦和间隙，复杂机构设计困难，维护工作量大，无法实现复杂的控制律，难以实现高覆盖率的故障监控和自检测。

如今，机械飞控系统因功能和性能的局限已不能适应飞机技术发展的要求，采用电传飞控系统的需求越来越迫切。飞机对电传飞控系统的需求来自多个方面，最主要的是通过电信号传输操纵指令，替代机械传动机构，解决机械传动机构难以克服的缺陷，减轻系统重量。同时，通过采用电传飞控系统，可更容易地实现系统的余度配置，提供高的监控覆盖进而实现健康监测，从而提高飞机的安全可靠性通过复杂的控制律保证飞机在全飞行包线具有最佳的飞行品质。电传飞控技术为实现主动控制技术提供了良好的平台，包括放宽静稳定性、包线保护、机动载荷减缓、阵风载荷减缓、乘坐品质控制、颤振模态控制等，通过采用这些主动控制技术，可进一步提升飞机性能

根据GJB2191-1994,电飞行控制系统(EFCS)的定义是：控制飞行器的一个

轴或多个轴的飞行控制完全是电的飞行控制系统，可以有非电备份控制或其他转换手段。电飞行控制系统特别是在人工控制或重要控制应用场合下，通常称为电传操纵(fly-by-wire)。

不同类型的飞机从不同的切入点采用了电传飞控技术。军机采用电传飞控系

统的脉络是从机械操纵系统加入增稳系统(SAS),发展到兼顾操纵性和稳定性的稳

定性与控制增强系统(SCAS),控制增强权限增大到100%即成为电传飞控系统

支线飞机电传飞行控制系统研发及验证

商用飞机则在军机实践的基础上，从两个方向引入了电传飞控技术。其一是通过“全权限控制增强”保证飞机在全飞行包线、全重量/重心范围具有优良的飞行品质；通过放宽静稳定性，减小平尾重量和配平阻力，提高飞机的有效升力，提升经济性；通过引入阵风载荷减缓、机动载荷减缓减小结构载荷，提高安全性，减轻结构重量：通过乘坐品质控制，改善乘坐的舒适性；通过颤振模态控制提高安全性，减轻结构和系统重量。其二是由电信号的传递替代机械传动机构，减轻系统重量，简化设备和传动机构布置：通过电子装置和计算机实现机械机构难以实现的复杂控制逻辑，如扰流板的空中减速/比例破升、地面扰流板和滚转辅助控制功能的综合实现，方向舵按空速的偏度限制等。总之，电传飞控系统的出现和主动控制技术的应用突破了机械飞控系统的局限，比较圆满地解决了存在的问题，也为飞机性能和安全性的进一步提升提供了广阔的空间。

民用飞机电传飞控系统的历史可追溯到20世纪60年代，英法合作研制的协和号超音速客机就已采用了电信号传输的飞控系统。此后，世界各国采用电传飞控的军用飞机不断涌现，且经历了从模拟式到数字式的发展过程，使飞机性能得到了极大的提高。然而，相当长一段时间内民用飞机依然是机械飞控系统一统天下，直

到B757和B767飞机的扰流板系统采用了电传操纵，解决了对机械机构而言十分

困难的扰流板横向操纵、空中减速和地面破升复合功能。B757/B767飞机的扰流

板控制模块接收来自驾驶盘位移传感器和减速板手柄位移传感器的信号，综合处理后控制电液伺服作动器实现扰流板位置的伺服控制，包括辅助副翼横向操纵、空中减速控制、地面破升控制以及这些功能的复合控制。

到了20世纪80年代，空客公司推出的A320是一架全面引入电传系统的新一

代客机。A320采用侧杆技术，飞控系统共有9台数字计算机，其中两台用作襟/缝

翼控制。A320采用数字电传飞行控制而不设模拟备份，保留了方向舵控制和水平

安定面配平机械备份。A320引入了放宽静稳定性、阵风减缓和包线保护等主动控

制功能，大大改善了飞机性能，减轻了飞行机组工作负担，提高了飞机安全性。

A330/A340是空客公司随后推出的大型宽体客机。在A320的基础上，A330/

A340继续采用电传飞控系统，同样保留了方向舵控制和水平安定面配平机械备

份。A330/A340的飞控计算机集成度更高，采用3台主控计算机和两台辅助计算

机，另有两台襟/缝翼计算机实现襟/缝翼控制。与A320的阵风减缓不同，A330/

A340引入了机动载荷减缓功能，更适合于宽体机的特点。A330/340还具有起飞

和着陆时副翼自动下偏增升功能。

20世纪90年代中期，波音也推出了配备电传飞控系统的B777。与空客系列

不同，B777采用3台主飞控计算机，每台计算机3个通道，采用不同的硬件。4台

模拟电路为主的作动器控制电子组件控制操纵面作动器。正常情况下，作动器控制电子组件接收驾驶舱控制指令，并将指令传送到飞控计算机，并按飞控计算机返回的控制指令控制作动器。数字计算机故障情况下，作动器控制电子组件直接控

1绪论

制作动器，从而实现模拟备份功能

这个时期，大型支线飞机也开始使用电传飞控技术。多尼尔728(FD-728)率

先提出了无机械备份的电传飞控系统方案，三轴控制及水平安定面配平、扰流板控

制、襟/缝翼控制均通过电信号实现。与其他机型不同的是FD-728采用了开环控

制律，即飞控系统按特定的规律控制操纵面偏度，控制律是空速和飞机构型等的函

数。FD-728项目因商务原因失败。稍后启动研制的ERJ-170飞机在方向舵和

升降舵通道采用了电传控制，副翼为传统的机械液压控制，目的主要是降低研制成本和单机成本。此后启动的大型支线飞机项目也纷纷采用了电传飞控系统。

ARJ21-700是我国自主研制的大型涡扇支线飞机，采用无机械备份的电传飞

控系统。两台具有指令-监控通道的飞控计算机实现双余度的正常模式控制。正常模式下，作动器控制电子组件接受驾驶舱操纵指令，通过总线将操纵指令传递到飞控计算机，飞控计算机根据飞行状态和飞机构型进行控制律计算后生成控制增益和增强指令，传送到作动器控制电子组件，进而通过作动器驱动操纵面。直接模式时，作动器控制电子组件不依赖飞控计算机的指令，而是按驾驶舱指令直接控制操纵面作动器。

1.2飞控系统研制面临的主要问题

1.2.1飞机级和系统间综合

飞控系统相关的正常设计流程的主线是：定义飞机布局，提出操纵面载荷需求及操纵面控制静、动态与阻抗特性需求，确定操纵面失效状态和危险等级，然后由飞控系统实现这些需求并完成验证。事实上，飞控系统设备的可靠性在当前的技术水平下难以大幅度提高，操纵面失效危险等级对应的失效率要求有可能难以通过系统架构满足或需付出过高的代价，这种情况下，操纵面布局需考虑系统故障模式和失效率的因素。飞机总体设计和系统架构设计对经验的依赖程度高。

飞控系统的重要设计需求一般需要按研制阶段多次迭代确认，分步冻结。重要设计输入的调整可能造成作动器等的设计工作反复，而为避免设计反复而保留过大的设计余量又会给飞机和系统带来不合理的负担。解决这个问题的主要方法是统筹协调系统研制计划和相关重要设计输入的分析和确认计划，另外就是需要足够的经验，保证各阶段提出的需求是足够准确的

飞行控制功能的实现需全机多个系统支持，包括液压能源系统、电源系统、大

气数据系统、惯导系统、显示/告警系统、中央维护系统和电气互联系统(EWIS)等。

飞控系统的安全性也与这些系统直接相关。飞控系统与这些系统间信号交联复杂，设计、分析和验证难度高、工作量大。

型号研制中，飞机级综合和系统间综合考虑不充分是导致设计中隐藏有缺陷的主要原因之一。解决这个问题的关键是站在飞机总体的高度，针对系统功能，通

支线飞机电传飞行控制系统研发及验证

过仿真分析、相似性、充分的评审保证需求的正确和完整；在尽可能真实的综合环境中，基于设计需求按可能的场景对系统充分验证，如近期几个飞机型号就采用了接近真实飞机的多系统联试，以及驾驶员在环的试验。

1.2.2研制流程控制和系统工程

电传飞控系统属于典型的复杂系统，它负责实现多项飞机功能。电传飞控系统架构复杂，包含大量软件和可编程逻辑器件，与飞机其他系统有着复杂的信号交联。而随着系统复杂性的提高，需求确认和系统验证的工作量和成本呈几何级数增长。复杂系统因无法保证充分验证，研制过程保证也是保证系统安全性可接受的重要方面。

1996年11月，SAE发布了“高度集成或复杂飞机系统的适航考虑(CERTIFICATION CONSIDERATIONS FOR HIGHLY -INTEGRATED ORCOMPLEX AIRCRAFT SYSTEMS)”(ARP4754),为日趋复杂的飞机电子系统确

保功能和安全在研制流程上提供了指导材料。2010年12月，SAE将此文件升版为

4754A,并把标题改为“民用飞机和系统研制指南(GUIDELINES FORDEVELOPMENT OF CIVIL AIRCRAFT AND SYSTEMS)”,在民用飞机和系统的研制流程指南方面作了更新和扩展。SAE ARP4754A以满足FAR25部为基

础，从飞机级功能和飞机整体环境出发，提出了表明条款符合性的方法，包括需求的确认和设计实现的验证，并为开发项目或公司内部标准提供了指导。2011年9月30日，FAA发布AC20-174“Development of Civil Aircraft and Systems'”,将

SAE ARP4754A作为研制过程保证的一种可接受的符合性方法，并对4754A的使

用给出了指导意见。AC20-174提出，在项目研制初期应对4754A的使用与FAA

进行协调，适航审定计划(CP)中包含用于表明条款符合性的功能研制保证等级

(FDAL)和设备研制保证等级(DAL)以及等级、流程和相关目标的说明。

现代飞机电传飞控系统研制工作量大、成本高、周期长。要保证项目成功，需引入系统工程的概念，控制研制流程，统筹研制过程和研制工作的各个方面，包括计划、成本、人力资源、研制过程等。

1.2.3安全性和适航

商用支线飞机按适航规章分类属运输类飞机，适用于CCAR-25/14CFR25/

CS25,即与大型商用飞机具有相同的适航要求。支线飞机项目研制中，即要满足适

航规章和安全性要求，也要对研制成本、单机成本以及运营成本进行更严格的控制，这对支线飞机的研制是一个巨大的挑战。

作为影响飞行安全的适航要求，适航规章对其安全性有着十分苛刻的要求，包括适航条款，如25.671“操纵系统总则”、25.672“增稳系统及自动和带动力的操纵系统”、25.1301“功能和安装”、25.1309“设备、系统和安装”。此外，飞控系统还需满足电源、高能辐射场、闪电直接和间接影响等通用要求。另外，还要支持飞机满

1绪论

足结构、性能和操稳等适航条款和专用条件要求。针对电传飞控系统的特点，对特定的飞机型号会规定专用条件和等效安全要求，一般包括电传飞控系统、指令信号完整性、隐蔽故障和组合故障的故障率要求等。

适航咨询通告提出了条款的符合性方法，如FAA咨询通告AC1309“系统设计

与分析”给出了适航条款25.1309的符合性方法，ARAC671研究报告对适航条款

25.671要求、符合性方法进行了研究，包括操纵面卡阻、卡阻和另一故障组合等。

另外，FAA在适航审查实践中确定了对重大问题的政策指南和具体化的原则备忘。

适航规章规定了飞机型号安全性设计的最低要求。作为影响飞行安全的关键系统，安全性需求的定义、设计实现和验证是飞控系统的重要工作。

SAE ARP4761为系统安全性评估提供了方法和指南。飞机级和系统安全性

评估一般包括飞机功能危险性评估(AFHA)、初步飞机安全性评估(PASA)、飞机

级故障树分析(AFTA)、系统功能危险性评估(SFHA)、初步系统安全性评估

(PSSA)、系统安全性评估(SSA)、故障模式和影响分析(FMEA)、特殊风险分析

(PRA)、区域安全性评估(ZSA)和共模分析(CMA)。安全性评估过程贯穿型号研

制整个过程，包括安全性需求的产生和验证。安全性需求包括失效率、复杂性和独立性等。

系统的设计目标应是尽可能高的监控覆盖，避免隐蔽故障。但实际的设计实现往往难以保证。为了保证系统安全，需提出对特定的不能被监控功能覆盖的功能提出检查要求和检查时间间隔，以缩短故障暴露时间。对安全有重大影响的维修项目需在飞机的全寿命的维修中接受局方监控。

商用飞机的飞控系统设计还要根据运营要求，基于以往的设计与使用经验在系统架构上，充分利用安全性裕度，在安全性评估的基础上提出主最低设备清单建

议书(PMMEL),定义可签派的故障（包括需采取的措施），提升运营性能。

1.2.4本书各章内容

本书第1章介绍了电传飞控技术在民机的应用以及支线机电传飞控系统研制面对的主要问题；本书第2章论述了飞控系统设计需求体系，包括设计需求在型号研制中的重要地位，描述了需求来源、分析和定义、确认、分配和设计实现及验证等主要技术过程，重点探讨了飞控系统涉及的主要设计需求和系统需求确认的主要过程和确认方法；第3章介绍了系统架构的定义及涉及的系统功能、主要分系统控制律设计和主动控制技术的应用等内容，重点讨论了系统物理架构设计技术；第4章介绍了适航条款对安全性的要求，安全性需求的定义方法和系统安全性评估、评估方法，分析了工程实践中可能遇到的安全性评估问题并给出了解决方案；第5章介绍了飞控系统设计及其布置和安装，驾驶舱操纵器件设计要求，驾驶舱操纵器件和显示的人为因素考虑，提出了详细的设计评估方法：第6章为设计实现的验证，介绍了验证过程和系统主要采用的验证方法，重点探讨了飞控系统实现设备

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支线飞机电传飞行控制系统研发及验证

级、系统、系统间和飞机级验证的主要方法：第7章介绍了系统研制过程、研制过程保证的工作内容和方法与供应商管理面临的主要问题和工作内容，重点探讨了设计评审与监控、构型管理等主要活动和要求；第8章分析了电传飞控系统适航需要符合的主要适航要求及符合性方法；第9章对型号研制中可能遇到的重点问题如系统监控、力纷争等设计技术进行了讨论。

···试读结束···