趙 明

(中電科航空電子有限公司，成都611731)

1 引 言

“通用飛機(jī)”是根據(jù)飛機(jī)用途所提出的概念，包括所有用于公共航空運(yùn)輸以外目的的飛機(jī)［1－2］，其中有起飛重量達(dá)到數(shù)十噸的大型滅火救援飛機(jī)，也有不足一噸的小型飛機(jī)。本文所述的“通用飛機(jī)”，專指由23 部民航規(guī)章所界定的飛機(jī)，即19 座以下(不含駕駛員)、最大起飛重量不超過(guò)約8 600 kg 的固定翼飛機(jī)［3］。此類飛機(jī)廣泛應(yīng)用于公務(wù)飛行、飛行培訓(xùn)、旅游觀光、航空作業(yè)等多種領(lǐng)域。

在龐大市場(chǎng)需求的推動(dòng)下，隨著低空空域開(kāi)放政策的逐步實(shí)施，我國(guó)的通用航空產(chǎn)業(yè)將迎來(lái)快速發(fā)展。航電系統(tǒng)是飛機(jī)的重要組成部分，我國(guó)未來(lái)對(duì)通用飛機(jī)的巨大需求意味著通用飛機(jī)航電系統(tǒng)(以下簡(jiǎn)稱“通飛航電”)擁有廣闊的市場(chǎng)前景。

歐美的通用航空產(chǎn)業(yè)較為發(fā)達(dá)，其通飛航電技術(shù)也較為成熟，有多家企業(yè)可以提供貨架產(chǎn)品。特別是美國(guó)，早在10年前就出現(xiàn)了針對(duì)通用飛機(jī)的綜合化航電系統(tǒng)，應(yīng)用相當(dāng)廣泛。相比之下，我國(guó)的通用航空產(chǎn)業(yè)方興未艾，通飛航電的研制還處于起步階段。目前，國(guó)內(nèi)通用飛機(jī)所使用的航電產(chǎn)品主要依賴進(jìn)口，自主研發(fā)水平亟待提高。

本文在總結(jié)航電技術(shù)發(fā)展動(dòng)因的基礎(chǔ)上，以通飛航電的特點(diǎn)及系統(tǒng)架構(gòu)為切入點(diǎn)，對(duì)具有代表性的產(chǎn)品進(jìn)行了分析，結(jié)合應(yīng)用需求提出了對(duì)于通飛航電技術(shù)未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)的觀點(diǎn)，并指出了所涉及的關(guān)鍵技術(shù)。

2 發(fā)展動(dòng)因

無(wú)論是通用飛機(jī)、運(yùn)輸類飛機(jī)，還是軍用飛機(jī)，其航電系統(tǒng)都經(jīng)歷了從獨(dú)立式到聯(lián)合式、再到綜合化的發(fā)展歷程，這是業(yè)內(nèi)普遍的共識(shí)。

現(xiàn)代航電系統(tǒng)是由多個(gè)子系統(tǒng)、多種環(huán)境、多項(xiàng)任務(wù)、多種資源構(gòu)成的相互關(guān)聯(lián)、相互支持、相互集成、相互制約的復(fù)雜系統(tǒng)，具有多目標(biāo)、多信息、多專業(yè)、多任務(wù)、多功能、多資源、多過(guò)程的特征。如何實(shí)現(xiàn)多目標(biāo)構(gòu)成、多信息構(gòu)建、多任務(wù)組成、多功能組織、多專業(yè)配置、多資源組合、多過(guò)程支撐，滿足功能多、品質(zhì)高、能力強(qiáng)、成本低的需求，是新一代航電系統(tǒng)面臨的挑戰(zhàn)。針對(duì)日趨復(fù)雜的航電系統(tǒng)而言，綜合化技術(shù)已經(jīng)成為該領(lǐng)域內(nèi)最為關(guān)注的發(fā)展方面之一。

3 系統(tǒng)特點(diǎn)

雖然安全性與經(jīng)濟(jì)性是運(yùn)輸類飛機(jī)與通用飛機(jī)航電系統(tǒng)的共同特點(diǎn)，但通過(guò)更為深入的分析可以發(fā)現(xiàn)通飛航電有別于運(yùn)輸類航電的方面。

(1)安全性要求稍低

根據(jù)相關(guān)適航規(guī)定，除通勤類飛機(jī)以外，其他通用飛機(jī)的安全性要求比運(yùn)輸類飛機(jī)低1～3 個(gè)數(shù)量級(jí)［4］。因此，通用飛機(jī)的航電系統(tǒng)相對(duì)簡(jiǎn)單，研發(fā)成本相對(duì)較低。

(2)追求經(jīng)濟(jì)性

與運(yùn)輸類飛機(jī)相比，通用飛機(jī)的技術(shù)門(mén)檻相對(duì)較低，競(jìng)爭(zhēng)相對(duì)激烈，研發(fā)成本是決定其市場(chǎng)表現(xiàn)的關(guān)鍵因素。在保證安全性要求的前提下，通飛航電的設(shè)計(jì)需要最大限度地降低成本。為了實(shí)現(xiàn)多功能與低成本的兼顧，綜合化、模塊化設(shè)計(jì)已經(jīng)得到廣泛應(yīng)用。

(3)系統(tǒng)架構(gòu)緊湊，系統(tǒng)構(gòu)型靈活

運(yùn)輸類飛機(jī)的航電系統(tǒng)規(guī)模龐大、功能完備、設(shè)備眾多、綜合化程度高、系統(tǒng)構(gòu)型相對(duì)固定，其設(shè)計(jì)理念追求的是“大而全”。相比之下，受成本、重量、安裝空間等因素的制約，通飛航電的設(shè)計(jì)追求的是“小而精”，除基本功能外，其他功能可以根據(jù)需要靈活配置?；竟δ馨w行參數(shù)指示、引擎參數(shù)指示、話音通信、GPS 導(dǎo)航、VOR(甚高頻全向信標(biāo))導(dǎo)航、儀表著陸、航管應(yīng)答等，擴(kuò)展功能包括自動(dòng)飛行、飛行管理、數(shù)據(jù)通信、多種無(wú)線電導(dǎo)航、合成視景、近地告警、氣象雷達(dá)、防撞、自動(dòng)相關(guān)監(jiān)視等［5－6］。

(4)先進(jìn)技術(shù)運(yùn)用有限

飛控計(jì)算機(jī)、光纖、AFDX(全雙工交換式航空以太網(wǎng))總線、TCAS(交通防撞系統(tǒng))、HUD(平視顯示)等先進(jìn)技術(shù)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于運(yùn)輸類飛機(jī)，但在通用飛機(jī)上卻很少見(jiàn)，這同樣是由于成本因素的制約。

(5)隨機(jī)取證為主

運(yùn)輸類飛機(jī)的航電系統(tǒng)相當(dāng)龐大，設(shè)備供應(yīng)商較多，因此主要以設(shè)備獨(dú)立取證的方式完成適航取證。通用飛機(jī)的航電系統(tǒng)通常由一個(gè)供應(yīng)商提供，為控制成本，主要采用隨機(jī)取證的方式，即航電系統(tǒng)跟隨飛機(jī)一同完成適航取證。表1給出了通用飛機(jī)與運(yùn)輸類飛機(jī)航電系統(tǒng)的簡(jiǎn)要對(duì)比，此處的安全性指標(biāo)為系統(tǒng)發(fā)生災(zāi)難性失效的概率［4］。

表1 通用飛機(jī)與運(yùn)輸類飛機(jī)航電系統(tǒng)簡(jiǎn)要對(duì)比Table 1 Brief comparison between avionics systems for general and transport aircraft

4 系統(tǒng)架構(gòu)

通用飛機(jī)航電系統(tǒng)按照基本功能可劃分為9 個(gè)子系統(tǒng)，相應(yīng)的功能及設(shè)備配置如表2所示，ADS－B 為廣播式自動(dòng)相關(guān)監(jiān)視，ILS 為儀表著陸系統(tǒng)，TAWS 為地形感知與告警系統(tǒng)。

表2 通用飛機(jī)綜合航電系統(tǒng)的組成Table 2 Major subsystems of general aircraft avionics

綜合化技術(shù)使得通飛航電系統(tǒng)中的獨(dú)立設(shè)備數(shù)量大大減少。基本的綜合化通飛航電系統(tǒng)由智能飛行顯示器、大氣航姿設(shè)備、綜合無(wú)線電設(shè)備、自動(dòng)駕駛儀、音頻控制面板、機(jī)身/引擎接口設(shè)備等獨(dú)立單元組成，系統(tǒng)架構(gòu)如圖1所示。

圖1 綜合化通飛航電系統(tǒng)架構(gòu)Fig.1 Integrated general aircraft avionics architecture

系統(tǒng)的綜合化主要體現(xiàn)在:

(1)基于帶控制接口的智能顯示器，實(shí)現(xiàn)顯示控制界面以及飛行管理功能的綜合;

(2)通過(guò)大氣數(shù)據(jù)與航姿數(shù)據(jù)的集中處理，實(shí)現(xiàn)飛行參數(shù)處理功能的綜合;

(3)基于綜合無(wú)線電設(shè)備，實(shí)現(xiàn)通信、導(dǎo)航、監(jiān)視功能的綜合;

(4)通過(guò)音頻控制面板，實(shí)現(xiàn)音頻信號(hào)的集中處理;

(5)通過(guò)機(jī)身/引擎接口設(shè)備，實(shí)現(xiàn)飛機(jī)參數(shù)采集功能的綜合。

5 典型產(chǎn)品

在目前眾多的通飛航電系統(tǒng)中，具有代表性的是Garmin 公司的G1000 系統(tǒng)和Avidyne 公司的Entegra 系統(tǒng)，下面分別進(jìn)行介紹。

5.1 G1000 系統(tǒng)

G1000 系統(tǒng)主要針對(duì)中小型通用飛機(jī)，具有較高的市場(chǎng)占有率。該系統(tǒng)主要由下列設(shè)備構(gòu)成［7－8］:2 臺(tái)智能飛行顯示器;2 臺(tái)綜合無(wú)線電設(shè)備;2 臺(tái)大氣數(shù)據(jù)計(jì)算機(jī);2 臺(tái)航姿測(cè)量設(shè)備;2 臺(tái)模式應(yīng)答機(jī);1 臺(tái)引擎/機(jī)身接口設(shè)備;1 臺(tái)音頻控制面板。

該系統(tǒng)的主要特點(diǎn)是:

(1)開(kāi)放式架構(gòu)，構(gòu)型靈活，便于功能擴(kuò)展;

(2)雙余度設(shè)計(jì)，具有較高的可靠性與功能可用性;

(3)以智能飛行顯示器和綜合無(wú)線電設(shè)備為核心，綜合化程度較高;

(4)在飛行顯示器中以軟件的形式集成了飛行管理、合成視景、交通咨詢等功能;

(5)綜合無(wú)線電設(shè)備集成了超短波通信、超短波導(dǎo)航、GPS、自動(dòng)駕駛、飛行指引、接口管理等功能;

(6)較多地采用了普通以太網(wǎng)、RS232、RS429等廉價(jià)總線，有助于成本控制。

5.2 Entegra 系統(tǒng)

Entegra 是第一款針對(duì)輕型通用飛機(jī)的綜合化航電系統(tǒng)，于2003年推向市場(chǎng)。該系統(tǒng)包含完整的航電功能，最新版本為R9。

基本型的Entegra R9 由綜合飛行顯示器、控制顯示單元、自動(dòng)駕駛儀、音頻控制面板、數(shù)據(jù)采集單元、氣象數(shù)據(jù)接收機(jī)等設(shè)備組成，同時(shí)可擴(kuò)展S 模式應(yīng)答、交通咨詢、自動(dòng)定向、測(cè)距、近地告警等功能［9］。該系統(tǒng)主要具有以下特點(diǎn):

(1)以綜合飛行顯示器為核心，實(shí)現(xiàn)了高度的綜合化與模塊化。綜合飛行顯示器實(shí)際上是液晶顯示模塊與顯示器機(jī)箱的組合，主要的航電設(shè)備均以模塊的形式集成在機(jī)箱中，這些模塊包括核心處理模塊、大氣航姿模塊、通信導(dǎo)航模塊、GPS 模塊和接口模塊;

(2)采用常見(jiàn)于運(yùn)輸類飛機(jī)的IMA 技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了多個(gè)功能軟件在核心處理模塊上的綜合。借助分區(qū)操作系統(tǒng)，這些功能軟件之間能得到可靠的隔離，從而在保證系統(tǒng)安全性的同時(shí)降低研制成本［10］;

(3)雙冗余架構(gòu)與雙冗余數(shù)據(jù)總線結(jié)合，避免了單點(diǎn)故障擴(kuò)展為級(jí)聯(lián)故障;

(4)基于“FMS Vectors”和“GeoFill”等功能，整套系統(tǒng)界面友好，操作簡(jiǎn)單。

6 發(fā)展趨勢(shì)及關(guān)鍵技術(shù)

6.1 發(fā)展趨勢(shì)

推動(dòng)通飛航電技術(shù)發(fā)展的因素主要來(lái)自民航空管部門(mén)和用戶兩個(gè)方面。一方面，隨著空域內(nèi)飛行密度的不斷增加，空管部門(mén)要求通用飛機(jī)安全性更高、對(duì)空域資源的利用更加有效;另一方面，用戶要求通用飛機(jī)經(jīng)濟(jì)性更好，操縱更簡(jiǎn)便［11］。在此背景下，通用飛機(jī)航電技術(shù)的發(fā)展呈現(xiàn)出以下幾個(gè)趨勢(shì)。

(1)適應(yīng)未來(lái)低空空管體系的發(fā)展

可以預(yù)見(jiàn)，在未來(lái)的低空空管體系中，各種先進(jìn)技術(shù)將得到應(yīng)用，以適應(yīng)空中交通流量的日益增長(zhǎng)。多模式航管應(yīng)答、ADS－B、地空數(shù)據(jù)鏈等功能將被納入通飛航電。

(2)全面的安全性考慮與更加人性化的設(shè)計(jì)

通過(guò)氣象探測(cè)、近地告警、合成視景、ADS－ B等技術(shù)，未來(lái)的通用飛機(jī)將具有氣象、地形、交通等全方位的態(tài)勢(shì)感知能力，飛行更為安全。在操控方面，通飛航電強(qiáng)調(diào)簡(jiǎn)單易用的設(shè)計(jì)理念，最大限度降低誤操作隱患。

(3)飛行過(guò)程的智能化

在應(yīng)用需求的推動(dòng)下，飛行管理、自動(dòng)飛行、電傳飛控等常見(jiàn)于運(yùn)輸類飛機(jī)的先進(jìn)技術(shù)正逐漸在通用飛機(jī)上出現(xiàn)。這些技術(shù)的應(yīng)用，將大幅降低飛行員的工作負(fù)擔(dān)，實(shí)現(xiàn)飛行過(guò)程的智能化，提升飛行品質(zhì)［12］。

(4)經(jīng)濟(jì)性與功能多樣性的平衡

未來(lái)的通用航空需要航電系統(tǒng)具有多種功能，同時(shí)要求功能成本盡可能低。在此前提下，開(kāi)放式架構(gòu)和綜合化設(shè)計(jì)是解決經(jīng)濟(jì)性與功能多樣性之間矛盾的有效途徑。

6.2 關(guān)鍵技術(shù)

(1)IMA 技術(shù)［13］

IMA 即“綜合模塊化航空電子”，它基于模塊化設(shè)計(jì)、高性能計(jì)算機(jī)、先進(jìn)數(shù)據(jù)總線、分區(qū)實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)等技術(shù)，帶來(lái)了航電系統(tǒng)的更新?lián)Q代。IMA 的目標(biāo)是，在可接受的成本范圍內(nèi)，實(shí)現(xiàn)航電系統(tǒng)功能的多樣性、可用性、可維護(hù)性以及可擴(kuò)展性［14］。目前IMA 技術(shù)在運(yùn)輸類飛機(jī)上已經(jīng)得到廣泛應(yīng)用，在通用飛機(jī)上的應(yīng)用也已經(jīng)開(kāi)始。

(2)軟件技術(shù)

軟件已經(jīng)開(kāi)始在航電系統(tǒng)中發(fā)揮越來(lái)越重要的作用［15］。飛行管理、合成視景、近地告警、飛行控制、綜合顯控［16］等功能均由軟件實(shí)現(xiàn)。借助于分區(qū)操作系統(tǒng)，多個(gè)功能軟件可以在同一處理平臺(tái)上運(yùn)行，功能之間可以有效隔離，這樣既能保證安全性，又能降低制造成本。

(3)電傳飛控技術(shù)

由于成本較高，電傳飛控目前主要應(yīng)用于運(yùn)輸類飛機(jī)。近年來(lái)，隨著技術(shù)的發(fā)展，國(guó)外已經(jīng)出現(xiàn)了使用電傳技術(shù)的通用飛機(jī)。這項(xiàng)技術(shù)可以取代傳統(tǒng)的機(jī)械操縱機(jī)構(gòu)，使飛機(jī)操縱輕便化，實(shí)現(xiàn)飛行軌跡優(yōu)化及包線保護(hù)，從而降低飛機(jī)重量、減輕飛機(jī)員工作負(fù)擔(dān)、保證飛行安全、提升飛行品質(zhì)。

(4)輕/小型化與低成本的設(shè)計(jì)與制造技術(shù)

如前所述，通用飛機(jī)對(duì)航電設(shè)備的尺寸和重量都有較高的要求。為此，一方面需要通過(guò)IMA 技術(shù)提高硬件的集成度和功能的軟件化程度，另一方面需要在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過(guò)程中多采用有助于減小尺寸和重量的工藝和材料，以實(shí)現(xiàn)輕/小型化目標(biāo)。

在充分采用上述4 種先進(jìn)技術(shù)的同時(shí)，系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與制造成本應(yīng)當(dāng)?shù)玫匠浞挚紤]。性價(jià)比才是決定系統(tǒng)最終市場(chǎng)表現(xiàn)的決定因素?？梢灶A(yù)見(jiàn)，成熟、廉價(jià)的設(shè)計(jì)與制造技術(shù)仍將在未來(lái)的通飛航電系統(tǒng)中得到廣泛運(yùn)用。

7 結(jié)束語(yǔ)

2013年11月18日，中國(guó)人民解放軍總參謀部會(huì)同中國(guó)民用航空局聯(lián)合發(fā)布了《通用航空飛行任務(wù)審批與管理規(guī)定》，并計(jì)劃于2013年12月1日起正式實(shí)施，這對(duì)整個(gè)通用航空產(chǎn)業(yè)的發(fā)展是一個(gè)實(shí)質(zhì)性的重大利好。在此背景下，通用飛機(jī)綜合航電技術(shù)具有較高的研究?jī)r(jià)值，相關(guān)單位宜盡早開(kāi)展相關(guān)的技術(shù)研究及產(chǎn)品研制，形成國(guó)內(nèi)自主研發(fā)能力，爭(zhēng)取市場(chǎng)份額。

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