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携手商飞 助力大飞机事业

发布时间:2020-01-09人气:134

  光传操纵技术提升飞机安全性 

  2008年3月18日,湾流航空公司宣布成功进行了采用光传飞控技术(“Fly-By-Light“ (FBL))进行了飞机控制的演示验证,这是湾流公司第一次在其商用飞机的主飞行操纵舵面上进行的光传飞控技术测试。在湾流GV测试飞机上,一组光纤线束传输了从飞控计算机到扰流板的驾驶员控制输入信号,完成了近75分钟的飞行测试。

  光纤是光导纤维的简称。光纤是以光脉冲的形式来传输信号,材质以玻璃或有机玻璃为主的网络传输介质。在传输过程中一般是在发送端将电信号转换为光信号,信号通过光纤传输,在接受端将光信号转换为电信号,实现光传输的通信。在飞机上采用光传输,首先带来的是飞机安全性的提升:光纤可以有效地防御电磁干扰及由雷击或闪电引起的电磁冲击,并且对核爆炸等引起的电磁脉冲不敏感;光纤的电隔离性好,消除了电火花的产生及引起爆炸的危险;光纤故障隔离性好,因而当一个通道发生故障时不会影响到其它的通道;光纤是介质材料,不向外辐射能量,因而不存在金属导线所固有的地环流和由此引起的瞬间扰动;光纤可以有效地消除各信号之间的串扰;光纤的抗腐蚀性和热防护品质优良。

  光传输系统以光纤取代电缆,也带来了飞机经济性的提升:光纤一般由SiO2晶体制成,纤芯很细,光纤比电缆轻,因而采用光纤可以极大地减少系统的重量和尺寸;光纤可以利用时分复用或波分复用技术实现多路传输,采用波分复用技术还可实现单个光纤双向传输,在布线数量和维护上带来优势。

  在飞机上采用光传输,可以带来传输速率的提高:光传输在数据传输率方面具有较大的优势,一般电缆传输最高速率100Mbps,光缆传输信号速率可轻松达到1-4 Gbps,可见其对具有高数据传输率要求的新系统具有支持作用。

  光传操纵技术发展历程 

  欧美国家的光传操纵及光总线组网技术研究起步较早,最初主要针对军机,以使其适应复杂的作战环境。随着研究的深入,该技术在民用飞机上也逐渐得到应用,用以提高飞机的性能。

  为提高直升机的性能水平,美国陆军自上世纪60年代发起“先进数字光学控制系统(ADOCS)计划”研究,以使直升机具有全天候贴地飞行的性能。该技术在UH-60A(黑鹰)直升机上进行了试飞,波音公司研制了光传操纵系统,采用了光传感器、三余度光缆、微处理机等作为主系统,机械系统作为备份系统。

  上世纪70年代到90年代,美国飞行试验中心在A-7D飞机上进行“数字战术飞行控制系统(DIGTAC)计划”的研究,它利用光纤作为飞控系统的数据传输线,采用了电传/光传混合控制,是战术飞机光传操纵的雏形。在A-7D飞机上,利用1553通信连接了驾驶舱远程终端、作动器伺服和传感器终端以及总线控制器,并进行了多次试飞。

  1979年,美国洛克希德-乔治亚公司在一架卡普罗尼喷气滑翔机上实验了光传操纵系统,把光纤信号传输用于俯仰通道的控制,其目的是在飞行中研究和评定一种采用光纤进行指令和反馈信号传输的闭环数字飞行控制系统,于1979年9月进行了试飞。试验表明与电传操纵系统相比,光传操纵系统在抗电磁干扰、减轻重量、提高可靠性等方面有明显的优势。

  八十年代末至九十年代初,美国开展了光纤控制一体化(FOCSI)计划,FOCSI的目的是开发并评估用于推力控制和飞行控制的光传感器和光电转换架构(EOA)。光传感器和EOA仅用于测试平台上的开环测量,测量的数据与传统的电传感器数据进行对比,以检测光传感器和EOA工作的可行性。该技术的研究平台是一架F/A-18飞机,在推进系统控制和飞行控制上采用了光传感器。

  光传操纵飞机闭环测试(FACT)计划使用FOCSI开发的光传感器和光电转换架构,在飞控系统的作动器上实现闭环控制系统。FACT计划主要是检测整个系统是否能够正常工作,以支持后期的其它光传项目的研究。FACT在F/A-18飞机上进行了试飞试验,用以表明光传操纵可以实现电传操纵方向舵的控制。

  随后的光传操纵先进系统硬件(FLASH)计划的目的是开发出一整套用于光传操纵的硬件技术。在前期FACT研究成果的基础上,进一步对传感器、操纵部件、计算机、作动器、接口装置等关键部件进行研制,以成就光传操纵技术。主要集中在:满足飞机要求的光缆技术;低成本的飞控系统用传感器和控制链,包括革新性的控制系统设计架构;作动器技术。FLASH中使用了FACT中取得的硬件技术,如光传感器和EOA等部件,实现了从驾驶杆到作动器的闭环仿真演示。FLASH是一个大的计划,但并没有进行飞行试验,只在部分系统上得到了实现。

  麦道飞机公司利用FLASH研究成果,在MD-90飞机研制了光传副翼配平(FLOAT)系统,并进行了空中演示。其先进的光传系统项目中有二项任务:任务一为综合光缆装置及部件的开发,如高密度光纤条状缆线和接口部件,及其在飞机上的安装和维修技术;任务二为基于飞行控制和航空电子系统的柔性结构,进行光传飞行控制硬件及系统的开发,并演示光传飞机闭环控制系统的功能。

  中国民机业对光传操纵技术的探索

 

  图为中国商飞北研中心光传飞控模拟驾驶舱结构。中国商飞供图 

 

  民用飞机安全性要求较高,光传操纵及光总线组网技术滞后于军机的研究,但是从上世纪末开始,民机也在逐渐开始应用光传输技术。

  八十年代末至九十年代初,美国为保持光传操纵系统的领先地位,就已开展了一系列研究开发计划,包括光纤控制一体化计划、光纤推进管理接口系统、光传飞机闭环测试计划等。其研究计划之间相互承接,主要目标是到2000年开发出具有明确规范的光传飞控系统。

  我国光传起步较晚,光传操纵目前主要集中在理论分析和实验室仿真阶段。目前从事光传操纵研究的主要高校有清华、北航、西工大,研究所有618所、631所等。国内研究目前还没有一个系统的将光传输技术向军、民机转化应用的顶层规划,成果集中在光传操纵体系、光传硬件设计理论及试验件研制、光传数据总线技术与标准等。

  中国商飞未来客机项目在使用复合材料减重的同时,对雷击、闪电等引起的电磁冲击和电磁干扰问题提出了更高的要求;未来客机功能多,电子设备复杂,重量问题愈显突出,减重解决飞机经济性问题的需求比较突出。未来客机将采用健康监测等新技术,高数据传输率的需求也是与日俱增。基于以上未来客机的需求,中国商飞公司于“十二五”期间适时启动了光传操纵技术的研究,以期提高飞机的安全性、经济性和技术先进性,为未来客机具有竞争性提供支持。

  中国商飞北研中心作为项目的牵头单位实施了光传操纵项目的研究,并联合了中航工业,设计了光传飞控系统的可行性方案,研制了光传飞控计算机,实现了飞控系统光总线传输的仿真与验证,进行了侧杆、脚蹬等典型操纵部件的集成,在国内率先实现了民机光传飞控系统的演示验证。

  北研中心多电综合研究部主要负责下一代客机关键技术攻关、系统概念方案论证等技术研究工作,自创立伊始的3人到如今的18人,走过了快速发展的3年。部门成员中有“千人计划”专家2人,拥有海外经历的7人。其中飞控专业组5人,通过光传操纵项目的历练,已形成自己特色的专业技术能力,制定了2项北研中心级的光传技术标准规范,申报了2项光传专利,实现了光传飞控的演示验证。

  在民用飞机越来越多使用光传输的大趋势下,民用飞机光传操纵技术需要持续研究和积累,自主创新掌握该项技术,以用于未来客机的研制。

  (作者系中国商飞北研中心多电综合研究部部长助理、高级工程师 白志强)

 

  延伸阅读 >>>

  光传操纵技术在其他机型上的应用

  波音B787 

  波音公司的最新飞机B787在飞行控制系统上未采用光传输,但在其航电系统中使用了光纤作为传输介质,以提高数据传输速率并减轻电缆重量。

  在飞行控制方面,波音公司在最近的B737MAX飞机开发计划中首次将光传操纵作为先进技术列入其中,也说明波音公司在光传操纵方面正进行着技术积累研究。

  空客A380 

  空客公司在飞行控制系统上未见采用光传输的报道,但在其它系统上,已较多地采用光纤传输。空客公司从A320开始,越来越多地采用光纤传输,在显示系统、机载娱乐系统等使用了光传输。其中A380飞机的光纤用量达到2.4km。

  空客公司为了保持光纤传输在整个飞机生命周期内的完好性,针对其中最主要的光纤连接器、光缆安装、光纤端面清洁、光纤修复等技术,制定了相关的技术规范和培训课程,以提高其光纤技术的应用程度。

  F-22战机 

  F-22战斗机的航电系统是基于“宝石柱”计划设计的,系统中采用了多种总线和网络技术,包括星形拓扑结构的HSDB、点对点高速光纤传输链路、1553总线、CIP(通用集成处理)内的PI总线(平行接口)和TM(测试和维护)总线等,其中点对点光纤链路数据传输速率达到400Mbit/s,HSDB数据传输速率达到50 Mbit/s。

  F-35战机 

  F-35是由美国牵头、英国等8个国家联合研发的新一代战机,它的航电系统实行了高度综合化的设计,采用光纤通道进行系统互连。ICP的各模块与ISS、座舱显示器之间的互连采用光纤通道交换式网络,ISS中的射频信号与中频信号互连采用2Gbit/s光纤通道,飞机管理系统由三台飞行管理计算机通过400Mbit/s的IEEE1394B(火线)互连组成。F-35的航电号称已经实现全光化,射频模块之间都已经实现。光传输,数据传输大量采用光纤,大大减轻了飞机的重量。同时采用高速光纤通道网络替代点到点光纤链路、PI总线、高速光纤总线等各种互连总线,减少了互连总线的种类,网络互连向统一化方向发展。

  欧直公司EC135直升机 

  欧直公司为了储备相关技术,从1996年开始启动了相关光传操纵技术的研究,于2002年在其EC135直升机上进行了首飞试验。光传操纵系统是在原有的电传操纵基础上进行的改装,在驾驶杆、计算机、作动器之间建立光传链路。为了保证安全,增加了机械系统作为备份操纵。

  日本P-1巡逻机 

  日本的P-1巡逻机是号称第一款实际应用的光传操纵系统飞机,该飞机具有较大的电磁干扰抵抗能力,该飞机于2007年首飞成功。


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