馬麟 許皖卉

摘 ? 要：本文主要介紹了自動駕駛儀的發(fā)展簡史，分析了它的組成、基本功用、基本原理及使用特點。本文結(jié)合空客A330機型，介紹了該機型自動駕駛儀的使用特點以及使用中的限制條件。最后強調(diào)討論了自動飛行對機組處境意識的影響以及對飛行安全的影響。得出結(jié)論：飛行的高度自動化只是為安全奠定了良好的物質(zhì)基礎(chǔ)，但要系統(tǒng)安全運行，關(guān)鍵還要靠人來正確使用和監(jiān)控。

關(guān)鍵詞：自動駕駛儀 ?俯仰通道 ?角度控制 ?軌跡控制 ?速度控制

中圖分類號：V267 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1674-098X（2020）04（c）-0060-04

Abstract： The development of the autopilot is introduced in this paper. The components of autopilot，functions of autopilot，principle of autopilot and features in utility of autopilot are analyzed. Autopilots features and limitions in utility are introduced through introducing the autopilot of Airbus 330. At the end of this paper， the effect of the autoflight to crews situaional awareness and flight safety is emphasized and discussed. A conclusion was drawn that the automation in flight is only the promotion， while the proper operation and monitoring of the system play the most important part in flight safety.

Key Words： Autopilot; Pitch channel; Angle control; Track control; Speed control

隨著航空制造工業(yè)的發(fā)展，飛機的自動化程度也越來越高。其中，自動駕駛儀在減小飛行員的工作負(fù)荷方面起著不可替代的作用，因為它可以直接代替飛行員操縱飛機的桿/盤舵，把飛行員從一桿兩舵的體力勞動中解放了出來，有更多的時間和精力對飛機和發(fā)動機的狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)控，使飛行員從簡單操作員變成了駕駛艙信息的管理者。

在20世紀(jì)70年代，航空界進(jìn)入了電子顯示儀表階段，數(shù)字式AFS可以進(jìn)行ILS ⅢB自動著陸，高度自動化地完成飛行任務(wù)。自動駕駛儀可以通過自身的系統(tǒng)去工作，實現(xiàn)操縱飛機，也可以通過飛行管理計算機系統(tǒng)向自動駕駛儀提供引導(dǎo)信號，實現(xiàn)對飛行計劃航路和飛行性能的控制。

1 ?自動駕駛儀的功用及實現(xiàn)飛行自動化的意義

自動駕駛儀（Autopilot）是在飛機上代替飛行員直接控制飛機舵面，完成對飛機控制的自動化設(shè)備。在現(xiàn)代化大型運輸機上，自動駕駛儀能實現(xiàn)以下具體功能：

（1）按給定的平飛姿態(tài)和航向保持飛機平直飛行。

（2）按給定的傾斜角或預(yù)選的航向?qū)崿F(xiàn)操縱飛機轉(zhuǎn)彎，自動進(jìn)行機動飛行以轉(zhuǎn)入到新的航向或新的高度，自動作等待轉(zhuǎn)彎等。

（3）按給定的俯仰角或升降率實現(xiàn)上升或下降。

（4）按甚高頻導(dǎo)航系統(tǒng)的全向信標(biāo)臺的無線電信號（VOR）操縱飛機進(jìn)入VOR的徑向線并保持;也可按ILS的信號完成飛機著陸前的進(jìn)近。自主進(jìn)行自動化進(jìn)近和自動化著陸。

（5）按FMC或其它導(dǎo)航系統(tǒng)要求，借助導(dǎo)航系統(tǒng)，實現(xiàn)按預(yù)定的航路飛行，準(zhǔn)確地進(jìn)行航跡控制。

（6）控制升降舵同時，發(fā)出信號去配平安定面，實現(xiàn)速度，穩(wěn)定和配平飛機等。

（7）減輕駕駛員長距離飛行或在困難飛行階段下（例如著陸進(jìn)場）的負(fù)擔(dān)，使駕駛員能有精力處置其它任務(wù)（例如無線電通信、系統(tǒng)監(jiān)控、飛行計劃）。

（8）遵守飛行包線（最大迎角、最大馬赫數(shù)、最大加速度），以減輕駕駛員監(jiān)控工作的負(fù)擔(dān)。

2 ?自動駕駛儀的基本原理

2.1 自動駕駛儀穩(wěn)定飛機的原理

飛機在保持平飛時，若受到干擾力矩作用，機頭上仰，測量元件感受偏離方向和大小，并輸出信號經(jīng)計算機處理放大，操縱執(zhí)行機構(gòu)，使升降舵下偏，使飛機趨向原始狀態(tài)。由于舵面偏轉(zhuǎn)產(chǎn)生回輸信號，抵消偏離信號，當(dāng)偏離信號等于回輸信號時舵面停止偏轉(zhuǎn)。飛機狀態(tài)改變使偏轉(zhuǎn)信號減小，直到小于回輸信號。經(jīng)處理放大后又帶動舵面回收，使飛機狀態(tài)轉(zhuǎn)向原始位置。如此周而復(fù)始，當(dāng)飛機回到原始位置，偏離信號為零，舵面中立，回輸信號也為零，這就是自動駕駛儀穩(wěn)定飛機的過程（如圖1）。

2.2 自動駕駛儀操縱飛機的原理

飛機平飛時，舵面中立，回輸信號、測量信號為零（如圖2-a）。人為輸入上仰信號，使電刷偏離中立位，飛行控制計算機接受指令后，經(jīng)計算放大，至舵機（如圖2-b），舵面上偏，同時產(chǎn)生回輸信號。當(dāng)回輸信號等于指令信號后，舵面停止偏轉(zhuǎn)，飛機在舵面作用下開始抬頭上仰。測量裝置測到這一信號后輸入飛行控制計算機。這樣指令信號、回輸信號和測量信號之差不為零，差值信號的極性和指令信號相反，經(jīng)處理后放大，送至舵機，帶動舵面回收一些，使得回輸信號減少，但舵面仍上偏（如圖2-c）。如此反復(fù)，當(dāng)測量信號等于指令信號時，升降舵中立，回輸信號為零，飛機達(dá)到預(yù)定狀態(tài)（如圖2-d），上仰角度可從地平儀上反映出來。

3 ?A330機型自動駕駛儀的使用特點

在A330機型上將自動駕駛儀、飛行指引儀、飛行管理等功能綜合在“飛行管理和引導(dǎo)計算機”中，從而實現(xiàn)了廣泛的集成化。通過自動駕駛儀和推力控制器的局部配合，以及總能量控制工作方式，實現(xiàn)了變化飛行航跡的控制引導(dǎo)，有效地減輕駕駛員的負(fù)擔(dān)。

A330飛機上的自動駕駛儀具有導(dǎo)航方式、航向方式、高度方式、速度方式航向道方式、進(jìn)近方式等多種工作方式，如圖3所示。導(dǎo)航方式允許飛行管理計算機控制自動駕駛儀，操縱飛機按預(yù)定的飛行計劃飛行。航向方式允許自動駕駛儀控制飛機保持現(xiàn)航向或轉(zhuǎn)向新航向。高度方式允許自動駕駛儀控制飛機保持現(xiàn)高度或改變高度。速度方式可控制飛機保持現(xiàn)速度或改變速度。航向道方式（LOC）將使自動駕駛儀去截獲和跟蹤所調(diào)諧的LOC航向道。進(jìn)近方式使自動駕駛儀去截獲航向道和下滑道，并保持在航向道和下滑道上。

4 ?關(guān)于A330自動駕駛儀使用的安全建議

4.1 一是機組必須隨時掌握飛機的狀態(tài)，保持清醒的“情境意識”

情境意識從理論上講是對環(huán)境的一個綜合的、有條理的描述，并能根據(jù)對現(xiàn)實環(huán)境的判斷結(jié)果不斷更新。從實踐意義上來講：情境意識是對周圍發(fā)生的一切具有清楚的、不斷更新的認(rèn)識和理解。飛行員工作在一個不斷變化的環(huán)境當(dāng)中，要保持良好的情境意識，就要求必須清楚地知道自己周圍所發(fā)生的一切;同時，良好的情境意識也使得飛行員在任何時候都能對下列問題做出正確的回答。這些問題可能是來自于飛機的各個系統(tǒng)，也可能來自飛行員自己的大腦或周圍環(huán)境。

增強“情境意識”的途徑是，首先對飛機運行的“現(xiàn)實狀態(tài)”、“當(dāng)前進(jìn)程”、“期望目標(biāo)”和“實施步驟”要隨時警醒;其次掌握“現(xiàn)實狀態(tài)”與“標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)”的差異，掌握外界條件的變化趨勢;最后隨時準(zhǔn)備接替自動飛行系統(tǒng)的工作，實施人工飛行。

4.2 加強學(xué)習(xí)A330自動駕駛儀的理論知識

在現(xiàn)代自動化駕駛艙中，飛機飛行的大量信息運用了計算機顯示技術(shù)。各種操作模式的組合使用為機組人員實現(xiàn)高效飛行提供了更大的行為空間，同時也增加了模式混淆的可能性。

作為在飛行中操縱或試圖操縱航空器的當(dāng)代駕駛員，知識是最有價值的素質(zhì)之一。為了能在自動化的駕駛艙中安全履行飛行職責(zé)，每個駕駛員必須具備所飛航空器的基本知識。這其中不僅應(yīng)該包括通過按壓按鈕來操縱復(fù)雜的駕駛艙自動化系統(tǒng)，還應(yīng)包括學(xué)習(xí)一定的自動化知識，理解自動化系統(tǒng)的工作原理。

4.3 重視基本駕駛術(shù)訓(xùn)練

目前，盡管絕大多數(shù)現(xiàn)代民用航空器和機場設(shè)備都具備了自動著陸的功能，但要實施真正意義上的自動降落，還有許多路要走。目前通行的做法是起飛著陸人工操縱，其余階段則實施自動飛行。飛行技術(shù)只是一種較為特殊的技能，擺脫不了技能的遺忘退化規(guī)律，一次訓(xùn)練之后，技術(shù)只能保持一個短暫的穩(wěn)定期，緊隨其后的則是技術(shù)下滑期，等到再次訓(xùn)練才可望使技能逐漸回升到過去的水平。飛行學(xué)院或是航空公司都應(yīng)創(chuàng)造盡可能多的機會使飛行員通過手控方式體驗摸索航空器的實際運動特性。另外也可利用模擬機，盡管模擬機與真實飛機之間存在一定差距，但模擬機的運動表現(xiàn)還是與真實飛行相當(dāng)接近。在模擬機訓(xùn)練中，通過飛一些能夠較好地鍛煉操縱能力的課目，無疑是一條捷徑。

4.4 加強CRM訓(xùn)練——機組協(xié)作

目前國際民航界在CRM訓(xùn)練中采取的方法比較多，但這些方法都強調(diào)了CRM訓(xùn)練應(yīng)注重機組成員作為小組一員時的職能，而不是僅僅強調(diào)個人技能;CRM訓(xùn)練應(yīng)指導(dǎo)機組成員實施操縱時如何提高機組整體的工作效率;CRM訓(xùn)練使機組成員有機會練習(xí)其技能，這些技能對于一個合格的機長或機組成員是必不可少的;CRM訓(xùn)練對于所有機組成員（包括機長、副駕駛、飛行機械員、飛行乘務(wù)員等）的訓(xùn)練內(nèi)容應(yīng)與其在常規(guī)執(zhí)行任務(wù)時完成的職能相同;CRM訓(xùn)練應(yīng)包括常規(guī)、日常操縱中有效的機組行為。

大量的飛行事故調(diào)查表明，現(xiàn)代飛機失事，尤其是自動化座艙的飛行事故和座艙秩序混亂、機長指揮不力、機組人員參與意識差及集體決策錯誤等密切相關(guān)。有專家認(rèn)為，在飛機座艙環(huán)境中，最薄弱的界面不是人們以往認(rèn)為的人-機面，而是人-人界面。

從航空出現(xiàn)的第一天起，它已是一個集體的事業(yè)。僅由一個人來圓滿解決一架飛機飛行的所有問題，這是不可能的。與任何復(fù)雜系統(tǒng)一樣，在航空中也會發(fā)生小的和大的故障。雖然在飛機設(shè)計和運行中，對所有可能的故障進(jìn)行了分析并制定了被用方案，但在發(fā)生故障時，要求的預(yù)防和糾正措施數(shù)量急劇增加。只有訓(xùn)練有素的專業(yè)團(tuán)體才能操縱飛機在所有設(shè)計條件下運行。自動化航空器的運行甚至要求更多的協(xié)同工作。駕駛艙機組和客艙機組有大量任務(wù)，如果這兩個專業(yè)小組像一個團(tuán)隊那樣協(xié)作，這些任務(wù)能由駕駛員和飛行乘務(wù)員圓滿完成。不僅如此，整個航空器機組必須作為一個統(tǒng)一的團(tuán)隊行動。這個條件是正常飛行特別是緊急情況下絕對需要的。

因此，要將自動飛行方式從“神壇”上請下來。既要充分發(fā)揮它的長處，更要正視它的薄弱環(huán)節(jié)。飛行的高度自動化只是為安全奠定了良好的物質(zhì)基礎(chǔ)，但要系統(tǒng)安全運行，關(guān)鍵還要靠人來正確使用和監(jiān)控。如果把整架飛機當(dāng)成一個大系統(tǒng)，則飛行員必須處于大系統(tǒng)的中心地位，是大系統(tǒng)的管理者、決策者、驗收者;而自動飛行系統(tǒng)（子系統(tǒng)）只能是飛行員的好幫手，給飛行員提供信息，執(zhí)行飛行員的指令。實施自動飛行時，機組要增強“處境意識”。對飛機運行的“現(xiàn)實狀態(tài)”、“當(dāng)前進(jìn)程”、“期望目標(biāo)”、和“實施步驟”要隨時警醒;明確“現(xiàn)實狀態(tài)”與“標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)”的差異，掌握外界條件的變化趨勢;隨時準(zhǔn)備接替自動飛行系統(tǒng)的工作，實施人工飛行。

5 ?結(jié)語

對于空中客車A330機型來講，由于它承擔(dān)著長距離、遠(yuǎn)航程的航行任務(wù)，自動駕駛儀起到了舉足輕重的作用，可以說它在現(xiàn)代飛機上已經(jīng)是不可缺少的裝置。

但我們應(yīng)當(dāng)看到，飛機駕駛的主體仍是飛行員，自動駕駛儀只是用于輔助飛行員來駕駛飛機，飛行的高度自動化只是為安全奠定了良好的物質(zhì)基礎(chǔ)，但要系統(tǒng)安全運行，關(guān)鍵還要靠人來正確使用和監(jiān)控。飛行員在飛行過程中要嚴(yán)密地監(jiān)視飛機的狀態(tài)，合理分配駕駛艙資源，嚴(yán)密監(jiān)視飛機狀態(tài)以及自動駕駛儀的工作狀態(tài)，只有這樣才能有效保證安全飛行。

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