李 哲

（飛行自動(dòng)控制研究所，陜西 西安 710065）

民用飛機(jī)機(jī)載產(chǎn)品的適航取證是其進(jìn)入民機(jī)市場的基本條件。而適航取證中應(yīng)遵循標(biāo)準(zhǔn)，尤其是對設(shè)計(jì)有支撐作用的標(biāo)準(zhǔn)，是保證產(chǎn)品符合適航要求的有力手段。

本文以民用飛機(jī)的自動(dòng)駕駛儀系統(tǒng)為例，以適航審定要求為牽引，以中國民用航空規(guī)章第25部CCAR 25《運(yùn)輸類飛機(jī)適航標(biāo)準(zhǔn)》為出發(fā)點(diǎn)，整理了相關(guān)的主要標(biāo)準(zhǔn)，分析了標(biāo)準(zhǔn)間的相互關(guān)系，并針對典型設(shè)計(jì)論述了各項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)在系統(tǒng)設(shè)計(jì)中所起的主要作用。

1 民機(jī)自動(dòng)駕駛儀系統(tǒng)簡介

自動(dòng)駕駛儀系統(tǒng)是自動(dòng)飛行控制系統(tǒng)中一個(gè)不可缺少的子系統(tǒng)，通過駕駛員的選擇，提供飛機(jī)姿態(tài)、航向和高度等的自動(dòng)控制。

典型的自動(dòng)駕駛儀系統(tǒng)組成主要包括計(jì)算單元和模式控制單元。先進(jìn)的計(jì)算單元均為數(shù)字式設(shè)備，主要用來實(shí)現(xiàn)控制模式調(diào)度邏輯和各模式下控制律的計(jì)算；模式控制單元是駕駛員與系統(tǒng)之間的接口單元，為駕駛員提供模式選擇和參數(shù)調(diào)整的手段。此外，對于小型飛機(jī)（非電傳飛行控制系統(tǒng)配置）通常還包括自動(dòng)駕駛儀的作動(dòng)器，用來驅(qū)動(dòng)對應(yīng)的操縱面。

為實(shí)現(xiàn)功能，系統(tǒng)的主要交聯(lián)設(shè)備有機(jī)載的顯示單元，如PFD（主飛行顯示器）和／或EFIS（電子飛行儀表系統(tǒng)），用于顯示系統(tǒng)的工作模式、設(shè)備健康狀態(tài)等信息；與自動(dòng)駕駛儀控制相關(guān)的機(jī)上開關(guān)（如駕駛盤／桿上的自動(dòng)駕駛儀斷開開關(guān)、油門桿上的復(fù)飛開關(guān)等），以及提供所需飛機(jī)運(yùn)動(dòng)信息的部分機(jī)載傳感器（如大氣數(shù)據(jù)系統(tǒng)和姿態(tài)航向系統(tǒng)）。

對于民用飛機(jī)，自動(dòng)駕駛儀系統(tǒng)的典型模式設(shè)置包括：俯仰姿態(tài)保持、傾斜姿態(tài)保持、航向給定與保持、高度給定與保持，輔以自動(dòng)推力控制，還可以有速度／馬赫數(shù)給定與保持、垂直速度保持等。

2 主要設(shè)計(jì)支撐標(biāo)準(zhǔn)

2.1 設(shè)計(jì)支撐標(biāo)準(zhǔn)涵義

通常，一個(gè)完整的標(biāo)準(zhǔn)體系由管理標(biāo)準(zhǔn)、技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)和客戶服務(wù)標(biāo)準(zhǔn)3部分組成，其中技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)又包括產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)、基礎(chǔ)標(biāo)準(zhǔn)、專業(yè)工程標(biāo)準(zhǔn)、工藝／工裝標(biāo)準(zhǔn)、計(jì)量／理化標(biāo)準(zhǔn)，以及材料和制造標(biāo)準(zhǔn)等[1]。

上述標(biāo)準(zhǔn)中對產(chǎn)品方案設(shè)計(jì)起主要影響作用的是產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)（包括產(chǎn)品設(shè)計(jì)規(guī)范、軟件規(guī)范和試驗(yàn)規(guī)范等）、部分基礎(chǔ)標(biāo)準(zhǔn)（如術(shù)語符號標(biāo)記）和專業(yè)工程標(biāo)準(zhǔn)（關(guān)于安全性、可靠性、維修性、環(huán)境適應(yīng)性、人機(jī)因素等），本文將這幾類標(biāo)準(zhǔn)定義為設(shè)計(jì)支撐標(biāo)準(zhǔn)。

2.2 民機(jī)自動(dòng)駕駛儀系統(tǒng)的設(shè)計(jì)支撐標(biāo)準(zhǔn)

2.2.1 CCAR 25

對于民機(jī)產(chǎn)品，適航規(guī)章是適航審定的基礎(chǔ)。大型民用運(yùn)輸機(jī)適用的適航規(guī)章是FAR 25部／CCAR 25部，與自動(dòng)駕駛儀系統(tǒng)相關(guān)的適用條款主要有以下幾項(xiàng)：

● §25.777駕駛艙操縱器件，對操縱器件的布局、位置、操縱感覺等提出了要求；

● §25.779駕駛艙操縱器件的動(dòng)作和效果，指出不同操縱器件的運(yùn)動(dòng)形式及所產(chǎn)生的控制效果；

● §25.901（動(dòng)力裝置）安裝，與機(jī)載設(shè)備的維護(hù)性有關(guān)；

● §25.1301（設(shè)備）功能和安裝，對標(biāo)牌、安裝限制的原則性描述；

● §25.1309設(shè)備、系統(tǒng)及安裝，提出了安全性要求；

● §25.1322警告燈、戒備燈和提示燈，規(guī)定了各種不同作用的燈的顏色；

● §25.1329自動(dòng)駕駛儀系統(tǒng)，對自動(dòng)駕駛儀系統(tǒng)的作用、權(quán)限、切斷以及其它與安全性相關(guān)的部分提出了要求。

2.2.2 其它標(biāo)準(zhǔn)

因?yàn)檫m航規(guī)章僅是原則性的規(guī)定，具體如何實(shí)現(xiàn)上述CCAR 25部條款描述的要求，需參考一些輔助性標(biāo)準(zhǔn)，如相關(guān)條款的AC（咨詢通告），有對應(yīng)TSO（技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定）的產(chǎn)品還須參考相應(yīng)TSO／CTSO，以及國際上各標(biāo)準(zhǔn)化組織所制定的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，如SAE（美國汽車工程師學(xué)會(huì)）的AS（航空[航天]標(biāo)準(zhǔn)）、ARP（航空[航天]實(shí)踐推薦草案），RTCA（航空無線電技術(shù)委員會(huì)）以及ARINC（美國航空無線電公司）的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。

與民機(jī)自動(dòng)駕駛儀系統(tǒng)相關(guān)的主要標(biāo)準(zhǔn)見表1。

2.3 標(biāo)準(zhǔn)間的相互關(guān)系

以CCAR 25部相關(guān)條款為基礎(chǔ)，上述標(biāo)準(zhǔn)與各條款的對應(yīng)說明關(guān)系如表2。

CCAR 25部中的有些條款較明確，比較容易理解并找到對應(yīng)的符合性方法，而有些條款則不然。對于這樣的條款，為指導(dǎo)適航取證申請人提出可被局方接受的符合性證明方法，會(huì)發(fā)布相關(guān)的咨詢通告，如AC25.1309–1B等。

若在CCAR 25部中指明某設(shè)備“必須經(jīng)過批準(zhǔn)”，則表示此設(shè)備有對應(yīng)的TSO/CTSO，即此種設(shè)備的最低性能要求。在裝機(jī)批準(zhǔn)之前，可完成設(shè)備的TSOA/CTSOA取證工作。

而在AC或TSO/CTSO中，通常也會(huì)引用到某些國際標(biāo)準(zhǔn)化組織所制定的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。如對應(yīng)TSO C9c，就引用了SAE AS 402B，SAE AS 402B又引用了RTCA DO–178B和RTCA DO–160。AC25.1329–1X中對應(yīng)自動(dòng)駕駛儀還引用了SAE ARP 5366和RTCA DO–254等。

這種層層指引、層層補(bǔ)充的標(biāo)準(zhǔn)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成了保證產(chǎn)品符合適航要求的設(shè)計(jì)“規(guī)矩”。

3 標(biāo)準(zhǔn)作用分析

以一個(gè)典型的民機(jī)自動(dòng)駕駛儀系統(tǒng)的設(shè)計(jì)為例，在系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)中需考慮的主要設(shè)計(jì)方面如圖1。

在圖1所示的每個(gè)方面，都能找到相應(yīng)的設(shè)計(jì)支撐標(biāo)準(zhǔn)。

3.1 功能、性能的設(shè)計(jì)

自動(dòng)駕駛儀系統(tǒng)功能、性能設(shè)計(jì)主要包括以下幾項(xiàng)內(nèi)容：系統(tǒng)接通／斷開邏輯、控制模式設(shè)置及切換邏輯設(shè)計(jì)、控制權(quán)限，以及控制性能。約束這部分方案設(shè)計(jì)的標(biāo)準(zhǔn)主要有SAE AS402B、AC25.1329–1X、SAE ARP5366和ARINC417。

表1 民機(jī)自動(dòng)駕駛儀系統(tǒng)相關(guān)的主要標(biāo)準(zhǔn)

表2 標(biāo)準(zhǔn)對應(yīng)關(guān)系表

圖1 自動(dòng)駕駛儀系統(tǒng)設(shè)計(jì)考慮

3.1.1 系統(tǒng)接通／斷開邏輯

SAE AS402B的4.2.1和4.2.2原則性地提出了自動(dòng)駕駛儀斷開及其操縱力快速釋放的要求，而在SAE ARP5366的3.2.1和3.2.2以及AC25.1329–1X第10章的A中，分別詳細(xì)描述了系統(tǒng)接通和系統(tǒng)斷開的邏輯需求。

3.1.2 控制模式設(shè)置

參考AC25.1329–1X第13章、 SAE ARP 5366的3.2.4.1和3.2.4.2以及 ARINC 417中第4章的描述，自動(dòng)駕駛儀系統(tǒng)常用控制模式見表3。

根據(jù)不同的用戶需求，可對上述控制模式進(jìn)行裁剪、補(bǔ)充、分解或組合。

AC25.1329–1X第11章規(guī)定了模式選擇和模式改變的操作原則，為模式切換邏輯的設(shè)計(jì)提供指導(dǎo)。

3.1.3 控制權(quán)限

自動(dòng)駕駛儀非全權(quán)限控制系統(tǒng)，在SAE AS 402B的4.4中給出了自動(dòng)駕駛儀修正控制和指令控制的姿態(tài)角和偏航角的最大范圍。

3.1.4 控制性能

ARINC417的第12章規(guī)定了自動(dòng)駕駛儀各控制模式的性能，包括過渡過程響應(yīng)、穩(wěn)態(tài)剩余振蕩、控制精度、接通／斷開瞬態(tài)、操縱限制等。

3.2 硬件的設(shè)計(jì)

先進(jìn)民機(jī)自動(dòng)駕駛儀系統(tǒng)中的硬件主要包括計(jì)算單元（或?yàn)長RU，或?yàn)槟K（LRM））和控制裝置。這些硬件產(chǎn)品在設(shè)計(jì)中需參照RTCA DO-160（具體版本需根據(jù)項(xiàng)目申請時(shí)間確定）中的環(huán)境要求考慮必要的電磁防護(hù)設(shè)計(jì)和／或恰當(dāng)?shù)牟牧稀⒃骷熬o固件選擇等，至少應(yīng)能滿足SAE AS402B中的環(huán)境條件。若硬件產(chǎn)品含有復(fù)雜電子硬件如CPLD（復(fù)雜可編程邏輯器件）、ASIC（特定用途集成電路）、FPGA（現(xiàn)場可編程門陣列）等，根據(jù)AC 20–152的指導(dǎo)，還需遵循RTCA DO–254開展全壽命周期的過程受控的研制活動(dòng)。控制裝置因位于駕駛艙且涉及人機(jī)交互作用，還需參考SAE ARP4102和SAE ARP4105B等標(biāo)準(zhǔn)。

硬件產(chǎn)品中以控制裝置，尤其是控制面板部分的設(shè)計(jì)對標(biāo)準(zhǔn)的體現(xiàn)最為直接。下面以某型BOEING飛機(jī)上的MCP（模式控制面板）為例來說明標(biāo)準(zhǔn)在面板方案設(shè)計(jì)中的作用，見圖2。

3.2.1 F/D開關(guān)

根據(jù)SAE ARP 5366中3.2.1.1的要求，“任一駕駛員應(yīng)能通過單個(gè)動(dòng)作單獨(dú)選擇獨(dú)立的IFGS（綜合飛行導(dǎo)引系統(tǒng)）的飛行指引儀功能?！?，因此，控制面板上設(shè)有兩個(gè)F/D雙位開關(guān)，可供兩個(gè)駕駛員分別接通和／或斷開各自對應(yīng)的飛行指引儀。開關(guān)向上推時(shí)為“ON”，表示飛行指引儀接通，與SAE ARP 4102中5.3.3對撥動(dòng)開關(guān)的操作定義一致。

表3 自動(dòng)駕駛儀系統(tǒng)常用控制模式

3.2.2 參數(shù)選擇旋鈕

通常用旋轉(zhuǎn)式控制器進(jìn)行參數(shù)選擇。按照SAE ARP 4102中5.3.1.1的要求，當(dāng)旋轉(zhuǎn)式控制器順時(shí)針旋轉(zhuǎn)時(shí)，參數(shù)應(yīng)增加，而當(dāng)其逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)時(shí)參數(shù)減小。

圖2 控制面板的設(shè)計(jì)支撐標(biāo)準(zhǔn)示意

3.2.3 模式控制旋鈕

作為模式控制使用的旋鈕，按照SAE ARP 4102中5.1.1.4和5.3.1.3的要求，在每個(gè)標(biāo)記的控制位置都應(yīng)具有明顯的槽位以使駕駛員能清晰地分辨出所選擇的控制模式和參數(shù)。

3.2.4 面板布局

SAE ARP 4102的3.1.5要求控制面板應(yīng)設(shè)計(jì)成一種有序的、功能分割的形式以避免誤操作。因此，在面板上，各功能模式相關(guān)的控制器和顯示單元分別集中布局，如與垂直速度相關(guān)的模式按鈕、基準(zhǔn)顯示模塊和基準(zhǔn)調(diào)節(jié)撥輪集中在一起，且撥輪與模式按鈕之間還利用連線標(biāo)識強(qiáng)調(diào)了對應(yīng)關(guān)系。

3.2.5 面板上的標(biāo)識

SAE ARP 4102中2.3要求使用的縮寫詞應(yīng)符合SAE ARP 4105，圖2中各功能按鈕的標(biāo)識均可在ARP 4105B中找到依據(jù)。

3.2.6 A/P開關(guān)

SAE ARP 5366中3.2.1.2要求“每個(gè)駕駛員應(yīng)能通過單個(gè)動(dòng)作接通IFGS的自動(dòng)駕駛儀功能，且多個(gè)自動(dòng)駕駛儀可分別單獨(dú)接通。”，因此，對左（L）、中（C）、右（R）3個(gè)自動(dòng)駕駛儀分別設(shè)置了3個(gè)瞬時(shí)接通型按鈕。

3.3 軟件的設(shè)計(jì)

根據(jù)系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)分配給軟件的功能，利用ARP 4754的程序指導(dǎo)以及ARP 4761方法說明，在系統(tǒng)安全性評估的基礎(chǔ)上，需先對軟件架構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)，并最終確定各模塊軟件的設(shè)計(jì)保證等級。

在RTCA DO–178B相應(yīng)設(shè)計(jì)保證等級對應(yīng)的各階段過程目標(biāo)指導(dǎo)下，開展相應(yīng)的過程活動(dòng)，形成必要的過程證據(jù)，來保證軟件的安全性。

如何能夠通過軟件的適航審查，可參考中國民用航空總局于2000年發(fā)布的AC–21–02，即機(jī)載系統(tǒng)和設(shè)備合格審定中的軟件審查方法，其中對RTCA DO–178B的部分要求進(jìn)行了較細(xì)致的說明。

AC 20–148是特殊類型軟件（即可重用軟件組件）的設(shè)計(jì)指南，考慮后續(xù)項(xiàng)目中通用化軟件的重用，在首次設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)參考其中第5章的相關(guān)指導(dǎo)。

3.4 非功能性要求考慮

在考慮功能相關(guān)設(shè)計(jì)因素之外，還須考慮對系統(tǒng)方案有重大影響（如余度配置、基本可靠性要求、測試線路與邏輯設(shè)計(jì)、維修接口預(yù)置等）的非功能性要求。

SAE AS 402B中4.5和4.6分別針對安全性和可靠性提出了定性要求；依據(jù)AC25.1309–1B，引起飛機(jī)災(zāi)難性事故的失效率應(yīng)低于10－9，引起飛機(jī)危險(xiǎn)事故的失效率應(yīng)低于10－7。同時(shí)，AC25.1309–1B給出了§25.1309的符合性證明方法，可用于系統(tǒng)安全措施、告警信號形式與邏輯等的設(shè)計(jì)。

AC25.1329–1X第15章“安全性評估”給出了系統(tǒng)的失效狀態(tài)定義、可能影響的功能、失效狀態(tài)類型、失效原因以及嚴(yán)酷程度，提出了減輕失效影響的方法，為系統(tǒng)安全性設(shè)計(jì)提供了依據(jù)。

4 結(jié)束語

標(biāo)準(zhǔn)是民機(jī)發(fā)展的技術(shù)保障，國際上各個(gè)組織依據(jù)長期積累的知識和經(jīng)驗(yàn)而制定的民機(jī)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)是研制民機(jī)產(chǎn)品的最佳指導(dǎo)性文件，也是參與國際合作必備的技術(shù)基礎(chǔ)。因此，民機(jī)產(chǎn)品研制的相關(guān)單位應(yīng)盡快熟悉并掌握產(chǎn)品對應(yīng)的各種標(biāo)準(zhǔn)，提高產(chǎn)品的設(shè)計(jì)起點(diǎn)，提升我國民機(jī)產(chǎn)品在激烈的國際市場中的競爭力。

[1]張曉靜，梁勇，趙謙等.新渦槳支線飛機(jī)標(biāo)準(zhǔn)體系規(guī)劃方案[J].航空標(biāo)準(zhǔn)化與質(zhì)量，2008，5.