張曙光, 朱可一

(北京航空航天大學(xué) 交通科學(xué)與工程學(xué)院, 北京 100191)

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電傳操縱運輸機操穩(wěn)適航性問題分析

張曙光, 朱可一

(北京航空航天大學(xué) 交通科學(xué)與工程學(xué)院, 北京 100191)

電傳操縱系統(tǒng)已經(jīng)成為民用運輸類飛機操縱系統(tǒng)的主流?，F(xiàn)行適航規(guī)章與操穩(wěn)特性相關(guān)的要求主要是基于機械操縱飛機制定的,而電傳操縱系統(tǒng)可以設(shè)計成與機械操縱不同的操縱性和穩(wěn)定性,使得適航規(guī)章要求與電傳操縱飛機之間存在不一致。對波音和空客公司的電傳操縱系統(tǒng)操穩(wěn)設(shè)計特征進行了分析,對與適航性密切相關(guān)的幾個關(guān)鍵問題進行了對比研究,包括主操縱裝置型式、響應(yīng)類型、穩(wěn)定性特征、大迎角保護、操縱品質(zhì)評價以及飛行控制律需求捕獲與確認等問題,為電傳操縱運輸機的設(shè)計與適航審定提供了借鑒。

適航性; 電傳操縱; 穩(wěn)定性和操縱性

0　引言

自1988年第一款使用數(shù)字電傳操縱飛行操縱系統(tǒng)的空客A320獲得型號合格證以來,波音B777,B787,B747-8,空客A330,A340,A380,A350等民用運輸類飛機都采用了電傳操縱系統(tǒng),在飛機性能、操縱品質(zhì)、制造和維護、家族繼承性等多方面獲得了提升,增強了市場商業(yè)競爭能力。當(dāng)前,電傳操縱系統(tǒng)已經(jīng)成為新型運輸類飛機飛控系統(tǒng)的“范式”。

具有滿意的穩(wěn)定性和操縱性(亦即操縱品質(zhì))是電傳操縱系統(tǒng)的核心屬性,通過總體布局和控制律綜合保證。作為高度復(fù)雜的飛行安全關(guān)鍵系統(tǒng),電傳飛行操縱系統(tǒng)的開發(fā)需要進行全過程的系統(tǒng)安全管理,目前適航建議采納SAE ARP-4754A的框架[1]。對于操縱品質(zhì)分析和等級評分,國內(nèi)外已經(jīng)積累了大量針對電傳操縱軍機的基礎(chǔ)研究及其方法[2-3],可以供民機借鑒。進一步,美國聯(lián)邦航空局(FAA)咨詢通告AC 25-7C[4]等適航局方指導(dǎo)性文件建議,對于運輸類飛機的操穩(wěn)性審定可以采取操縱品質(zhì)評價的方法,并已經(jīng)在型號合格審定中得到應(yīng)用。

文獻[5-6]針對CCAR-25(當(dāng)前有效版R4[7])與飛行品質(zhì)相關(guān)的條款進行了研究,其中文獻[5]探討了借用軍用標(biāo)準(zhǔn)的指標(biāo)和處理方法提供電傳民機設(shè)計借鑒以及適航驗證的基本考慮;文獻[8-9]分析了應(yīng)用操縱品質(zhì)等級評定方法(HQRM)分析電傳飛機合格審定相關(guān)的問題;文獻[8]還將HQRM方法與美軍標(biāo)評價標(biāo)準(zhǔn)進行了對比。

本文基于適航性考慮,從對比波音及空客電傳飛行控制系統(tǒng)的特征入手,進一步分析了電傳飛機操穩(wěn)性與適航相關(guān)的關(guān)鍵問題。

1　側(cè)桿和中央盤操縱問題

操縱裝置是駕駛員施加指令的接口,對操縱品質(zhì)有明顯的影響。當(dāng)前電傳操縱民機主操縱裝置主流型式是側(cè)桿和中央盤操縱。

側(cè)桿操縱裝置有諸多優(yōu)點,與操縱密切相關(guān)的是側(cè)桿布置使駕駛員肘部有支撐,有利于精確操縱,減少了工作負荷。另外,側(cè)桿布置使駕駛員更易觀察飛行顯示器等儀表。

目前以空客飛機為代表的被動側(cè)桿,不像中央盤操縱裝置具有左右駕駛的機械連接,并提供對飛機運動變化的操縱感知,也沒有自動駕駛儀模式時操縱盤的隨動[10],這樣導(dǎo)致被動側(cè)桿操縱裝置有明顯的不足。例如,因為缺乏自動駕駛儀模式的隨動,可能會導(dǎo)致自動與手動操縱切換時過大的瞬態(tài);駕駛員缺乏充分的觸覺感知,增加臨近飛行包線邊界狀態(tài)時,因信息反饋不足而導(dǎo)致飛行風(fēng)險;缺乏左右駕駛間的操縱行為感知,增加了因操縱沖突而導(dǎo)致的風(fēng)險。

因操縱行為缺乏感知而導(dǎo)致的相關(guān)典型事故有法航AF447航班事故。飛機巡航時出現(xiàn)皮托管結(jié)冰失效,飛控模式降級為異常重構(gòu)模式,喪失了大迎角保護功能。當(dāng)右駕駛員拉桿以及減少推力等試圖減速時,導(dǎo)致了飛機失速。而左駕駛員不清楚對方的操縱狀態(tài),被動側(cè)桿特性使其不能超控右駕駛,飛機沒能正確改出失速而墜海[11]。

但是,側(cè)桿的不足并不是不可克服的。例如,空客公司增加了左右駕駛疊加操縱的警告功能,包括視覺、聽覺、觸覺的方式,BAE等公司還提出主動側(cè)桿可彌補駕駛操縱狀態(tài)不明的缺陷[12]。

波音公司與之不同,從B777開始仍然采用中央盤操縱裝置,現(xiàn)行的25部適航規(guī)章的相關(guān)條款對其是適用的,不存在因為新穎駕駛特性而制定審定專有條件[13]。

對于側(cè)桿操縱裝置,現(xiàn)行25部規(guī)章中基于盤式操縱力的條款對其不適用,包括25.143(d),25.145(b),25.175(d)及25.1329等要求。針對這些不適用的條款,合格審定時需要制定針對側(cè)桿的專有條件[14]。當(dāng)前,依據(jù)駕駛員操縱品質(zhì)等級評定(HQRM)方法是對側(cè)桿操縱符合性的主要判斷方法。

2　操縱響應(yīng)類型

操縱響應(yīng)類型指飛機對駕駛員操縱(桿或盤)輸入的預(yù)期響應(yīng)的狀態(tài)參數(shù)及其響應(yīng)過程的特性。全權(quán)限電傳操縱給控制設(shè)計帶來了足夠的自由度,可以實現(xiàn)各種期望的響應(yīng)類型,但也帶來了在不同飛行任務(wù)下選擇適宜響應(yīng)類型的問題[15]。

僅當(dāng)飛控系統(tǒng)因為故障采用降級或者直連控制模式時,從控制實現(xiàn)和保證最低安全考慮,一般接近或者采用常規(guī)的響應(yīng)模式。在飛控系統(tǒng)主要工作的正常模式下,需要從獲得滿意操縱品質(zhì)角度進行選擇。

空客A320飛機正常模式的響應(yīng)類型如表1和表2所示[16-17]。其俯仰軸、滾轉(zhuǎn)軸響應(yīng)類型較為豐富。在起飛爬升階段俯仰軸為俯仰角速度響應(yīng),在進場著陸階段則更關(guān)心姿態(tài)的精準(zhǔn)性,分別為俯仰角、滾轉(zhuǎn)角響應(yīng)。

表1　空客A320飛機俯仰響應(yīng)類型Table1　PitchresponsetypesofAirbusA320

表2　空客A320飛機偏航和滾轉(zhuǎn)響應(yīng)類型Table2　Roll-yawresponsetypesofAirbusA320

在巡航階段,俯仰軸采用C*指令模式,不具有速度穩(wěn)定性,無法滿足適航條款25.175所述的桿力-速度特性。另外,滾轉(zhuǎn)軸為滾轉(zhuǎn)角速度響應(yīng)、偏航軸為側(cè)滑角響應(yīng)的方式雖然與常規(guī)機械操縱的響應(yīng)較為接近,但是后者并非為嚴(yán)格的滾轉(zhuǎn)角速度和側(cè)滑角響應(yīng),二者在細節(jié)上依然有些區(qū)別。

與空客系列不同,波音電傳操縱飛機更多體現(xiàn)了機械操縱飛機的特性。在巡航飛行時,俯仰軸控制提供與機械操縱飛機相一致的操縱感覺,B777飛機采用了所謂C*U響應(yīng)類型[10]。當(dāng)空速偏離配平速度時,飛行控制律通過俯仰調(diào)整,使速度恢復(fù)到配平空速,這樣,25.175條所述的桿力-速度特性可以得到保持,即使構(gòu)型變化了也如此。

在滾轉(zhuǎn)軸和偏航軸,波音電傳操縱保持了直接指令副翼和方向舵偏轉(zhuǎn)的基本響應(yīng)類型,通過反饋增加穩(wěn)定性和阻尼，這與機械式常規(guī)操縱飛機是一致的。

對于空客飛機的俯仰C*響應(yīng)類型、滾轉(zhuǎn)角速度響應(yīng)類型,連同下節(jié)討論的穩(wěn)定性變化一起,需要制定相應(yīng)的適航專有條件作為審定依據(jù),并在低能量等風(fēng)險狀態(tài)給予特別的考慮,以保證飛行安全性。

3　穩(wěn)定性要求

CCAR-25-R4中關(guān)于穩(wěn)定性的要求有總則、靜穩(wěn)定要求和動穩(wěn)定性要求[7]。

對于縱向靜穩(wěn)定特性,25.173和25.175條主要按照桿力-速度特性進行判定,對于機械操縱飛機等效于提供“松桿靜穩(wěn)定性”。通過拉桿來獲得并保持一個低于配平速度的速度,通過推桿來獲得并保持一個高于配平速度的速度,并且不允許力反向,松桿后速度恢復(fù)接近配平速度。其體現(xiàn)了無反饋的機械操縱飛機的縱向靜穩(wěn)定性、靜操縱性和動穩(wěn)定性具有內(nèi)在對應(yīng)關(guān)系這一特征。

通過反饋增穩(wěn)后,靜穩(wěn)定性與動穩(wěn)定性的關(guān)系被改變,如果控制系統(tǒng)具有足夠高的可靠性和安全性水平,靜穩(wěn)定性可以放寬甚至放棄要求(如電傳軍機可以靜不穩(wěn))。因此,空客電傳飛機不滿足25.173和25.175條要求也是可以接受的，前提是:

(1)能夠提供良好的操縱品質(zhì),從適航角度來說則是最低安全所要求的操縱品質(zhì)。25.181條的要求是基礎(chǔ),而在適航審定中可按照操縱品質(zhì)評估方法(HQRM)判定;

(2)飛行控制系統(tǒng)具有足夠高的安全性水平,滿足25.671,25.672以及25.1309條要求;

(3)充分識別其他導(dǎo)出風(fēng)險,并具有足夠的保護設(shè)計。由于采用C*指令模式,并且引入積分器環(huán)節(jié)以消除靜差的設(shè)計,使得空客電傳飛機的速度是中立穩(wěn)定的。如果進入小速度、低高度以及小推力的低能量狀態(tài),而駕駛員缺乏感知,將可能導(dǎo)致飛行風(fēng)險。為此,從安全性考慮,適航要求提供不允許被駕駛員解除的低能量狀態(tài)告警功能,或者恢復(fù)靜穩(wěn)定性及其桿力梯度特性(要求側(cè)桿提供每6 kn速度變化1 lb力的桿力梯度),直到改出低能量狀態(tài)。

對于橫航向靜穩(wěn)定性,25.177條要求在小側(cè)滑角定常直線狀態(tài)下,副翼和方向舵操縱行程及操縱力正比于側(cè)滑角;大側(cè)滑角下,方向舵腳蹬力沒有反逆現(xiàn)象。要求的基本出發(fā)點體現(xiàn)了常規(guī)機械操縱飛機橫航向靜穩(wěn)定性可以由側(cè)滑飛行時的靜操縱性描述,并且與動穩(wěn)定性具有內(nèi)在對應(yīng)關(guān)系的特征。

空客飛機橫向操縱是滾轉(zhuǎn)角速度響應(yīng)類型。在定常直線側(cè)滑過程中,滾轉(zhuǎn)軸指令為零,這不適用25.177(c)中的要求。

針對空客飛機的縱向、橫向靜穩(wěn)定性的新特征,需要制定專有條件,替代原有25.171,25.173,25.175以及25.177條的要求[18]。

波音系列電傳飛機在充分發(fā)揮電傳飛行操縱優(yōu)勢的同時,基本理念是保留與機械操縱飛機相同的特性,從而,相關(guān)的25.171,25.173,25.175以及25.177條適用,不需要新的專有條件要求。

4　失速保護

與失速特性相關(guān)的適航條款25.201,25.203以及25.207,對失速特性、失速警告、失速改出能力提出了要求。波音及空客電傳飛機都設(shè)置了相關(guān)的飛行包線保護功能。

以B787為例的波音系列電傳飛機,在主飛行控制系統(tǒng)正常模式下,失速保護和超速保護、滾轉(zhuǎn)坡度角保護一起,構(gòu)成3種飛行保護功能。需要注意的是,駕駛員有超控權(quán)限。當(dāng)飛機接近保護邊界時,飛控系統(tǒng)通過增加桿力梯度及語音進行提示,但駕駛員仍然可以繼續(xù)操縱,甚至能夠超出保護邊界。

以A380為例的空客系列電傳飛機,在主飛行控制系統(tǒng)正常模式下,失速保護和超速保護、過載保護、俯仰角保護、滾轉(zhuǎn)角保護一起構(gòu)成5種飛行保護功能。但與波音飛機不同,飛控系統(tǒng)具有最高操縱權(quán)限。當(dāng)飛機接近保護邊界時,超過飛行保護邊界的駕駛員操縱會被限制,飛控系統(tǒng)強制飛機在設(shè)定的飛行包線內(nèi)實現(xiàn)無憂飛行[19]。對于失速保護功能,空客及波音系列電傳飛機所監(jiān)測的飛行參數(shù)不同,波音飛機監(jiān)測飛行速度,而空客飛機直接監(jiān)測迎角;其次,兩者在飛行包線邊界危險狀態(tài)飛行時,波音飛機給予駕駛員超控權(quán)限,而空客飛機則賦予飛控系統(tǒng)全權(quán)限,不允許超控以杜絕人因差錯。

這里,波音飛機依據(jù)空速推斷迎角的方法雖然在民機中常見,但是在非正常情況下推斷可能無效。另外,電傳飛控系統(tǒng)一般可配置多余度迎角傳感器,并在大迎角保護功能中引入迎角信號(如空客飛機)。法航AF447事故調(diào)查后,推斷如果具有有效迎角指示信號,可能會幫助機組有機會改出,因而法國民用航空安全調(diào)查局(BEA)建議EASA和FAA強制運輸類飛機給駕駛員提供迎角指示信號,以備駕駛員緊急處置。

這場兩天期限的旅行還未滿就結(jié)束了，下山后田銘把范青青直接塞進汽車?yán)厥袇^(qū)。和范青青相處以來，他第一次心里充滿莫名的嫉妒。

5　操縱品質(zhì)評估

電傳操縱飛機具有依飛行階段以及故障情況而變化的豐富的響應(yīng)類型,并且還提供較全面的保護功能;另外,如空客飛機的設(shè)計理念和設(shè)計特征,部分適航相關(guān)條款不適用,因此,需要建立評定操縱品質(zhì)的手段。

FAA在AC25-7C中提供了評定操縱品質(zhì)的偽定量方法,即操縱品質(zhì)等級評定HQRM方法。

根據(jù)飛行的實際情況,評定需要考慮飛行包線條件、故障發(fā)生概率、大氣擾動等情況,基于任務(wù)進行評定[4]。借鑒庫伯-哈珀評分,FAA制定了3級HQRM評分方法。駕駛員評定主要綜合考慮指令模式的準(zhǔn)確性、飛機動穩(wěn)定性以及操縱響應(yīng)的主觀感受,提取完成任務(wù)時的關(guān)鍵飛行參數(shù)特性,定義最低可接受的操縱品質(zhì)要求。

就空客飛機側(cè)桿電傳飛行操縱設(shè)計特征而言,需要特別關(guān)注的HQRM評估內(nèi)容有[18]:

(1)取代條款25.171,25.173,25.175以及25.177的側(cè)桿與靜穩(wěn)定性相關(guān)的新穎設(shè)計特性,重點評估因為被動側(cè)桿和俯仰、滾轉(zhuǎn)中立穩(wěn)定性所引起的駕駛員操縱感受;

(2)對于不能表明極不可能發(fā)生的所有飛控失效狀態(tài),依照25.672(c)條故障失效時的要求進行評定;

(3)要考慮對于失效、大氣擾動和飛行包線的所有組合。

對于波音B777和B787飛機的審定,沒有上述第(1)點中的問題,HQRM評估更多的是針對飛控故障及其與大氣擾動的組合。

6　飛行控制律需求的捕獲和確認

民用運輸機的電傳飛行操縱系統(tǒng)通過控制律的設(shè)計方便地“掩蓋”了飛機本體的常規(guī)特性,給飛控系統(tǒng)的設(shè)計賦予了更大權(quán)限,也使得控制律的模態(tài)多樣、高度復(fù)雜。因此,其需求的捕獲和確認是首要環(huán)節(jié)。

對于飛行控制律需求的捕獲,需要考慮如下幾點:

(1)頂層需求。包括航空器客戶需求、適航審定需求、駕駛員操縱需求等。例如,航空公司為了降低油耗,要求飛機放寬靜穩(wěn)定性;根據(jù)航線需要,設(shè)定預(yù)期的運行環(huán)境。操縱品質(zhì)需求直接服務(wù)于駕駛員操縱飛機的需要,而適航審定與飛行控制律相關(guān)的要求源于操縱品質(zhì)中的最低安全需求。

(2)飛控系統(tǒng)需求。例如,考慮系統(tǒng)的硬件技術(shù),提出對于飛行控制律的相關(guān)需求。

(3)其他系統(tǒng)需求。例如,從強度設(shè)計角度考慮,提供陣風(fēng)減緩功能是有益的。

(4)飛行控制律自身需求。例如,需要具有良好的魯棒性等。

需求的捕獲和確認可以采用分析和仿真、相似性(經(jīng)驗)、HQRM等方法。其中,HQRM方法既是飛行控制律驗證和適航符合性表明的方法,也是需求確認的重要手段之一?；诓倏v品質(zhì)計算的數(shù)值評估和HQRM一起,貫穿于飛行控制律研發(fā)過程的不同階段,提供控制律需求捕獲、確認和驗證的支持依據(jù)。

7　結(jié)束語

在民機發(fā)展歷史上,波音公司早于空客公司,其飛機的設(shè)計習(xí)慣與適航規(guī)章是一致的,并且這種一致性在其首架電傳操縱的B777及其以后的機型中得以保持,包括采用同樣的中央操縱盤型式。而空客公司的電傳飛控系統(tǒng)體現(xiàn)了其創(chuàng)新取勝的理念,首先在操縱上使用了側(cè)桿。理念上的差別,決定了其支撐技術(shù)的不同。

在電傳飛機飛行控制律的設(shè)計中,波音和空客有很多相近點,如都有多種響應(yīng)模式、采用飛行包線保護功能、放寬靜穩(wěn)定度等。在響應(yīng)模式的使用、穩(wěn)定性、低速大迎角保護等問題上保留了各自的設(shè)計特征。波音飛機將權(quán)限留給駕駛員,可以超控飛控系統(tǒng);而空客飛機則讓自動控制系統(tǒng)優(yōu)先。從適航角度,空客的電傳操縱設(shè)計因為引入了新特性,與現(xiàn)行規(guī)章不符,從而提出了新的審定要求。

電傳飛機控制律的開發(fā)和審定需要進行嚴(yán)格的過程管理,其中需求捕獲和確認是非常重要的環(huán)節(jié),要在捕獲的基礎(chǔ)上,進行充分的確認。

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(編輯：姚妙慧)

Analysis on controllability and stability airworthiness of fly-by-wire transport airplanes

ZHANG Shu-guang, ZHU Ke-yi

(School of Transportation Science and Engineering, BUAA, Beijing 100191, China)

Fly-by-wire flight control system has become the mainstream for the control systems of civil transport category airplanes. The present valid airworthiness regulations on controllability and stability apply to conventional mechanical control airplanes. Fly-by-wire systems can provide different controllability and stability, which are inconsistent with the valid regulations, while they may still guarantee flight. In this paper, typical controllability and stability of Airbus and Boeing fly-by-wire airplanes are analyzed and compared in terms of primary control device, response type, stability, high incidence protection, handling qualities evaluation and control law requirements capture and validation to provide reference for development and certification of fly-by-wire civil airplanes.

airworthiness; fly-by-wire control; stability and controllability

2015-10-28;

2016-03-30; 網(wǎng)絡(luò)出版時間:2016-04-22 09:52

張曙光(1969-)，女，廣東惠州人，教授，博士生導(dǎo)師，研究方向為飛機飛行品質(zhì)、飛行控制和系統(tǒng)安全。

V212.1

A

1002-0853(2016)04-0001-04