請問飛機上使用的電傳操縱系統是怎麼回事,怎麼還有3餘度?

Avril--aili


與“電傳操縱系統”對應的是“機械操縱系統”,是一種依託電子和計算機技術發展起來的新型戰機操縱系統。至於我們經常聽到的“三餘度”,簡單來說就是3套飛行控制計算機、四餘度就是4套,更多的餘度可以保證當飛控某一部分故障和錯誤時時其他備份能夠繼續使飛機正常飛行。但這個餘度設計時必須恰到好處,設計不當反而降低可靠程度,所以航空工業真不是隨隨便便的國家就能搞得。

電傳操縱系統

“電傳操縱系統”對應的是“機械操縱系統”,早期飛機的操縱主要有2種:純機械操縱和液壓操縱。

純機械操縱就是將飛機控制桿通過鋼索直接連接到氣動舵面,中間以滑輪組和其他機構輔助,拉動操縱桿時鋼索帶動副翼、升降舵等運動。這種操作最為簡單粗暴,但是也是最費勁的,幾乎完全是靠人力在操縱,一旦鋼索疲勞斷裂飛機就出現某個方向的操縱失靈。

下圖為蘇聯An-2運輸機,也是中國運-5的原型,機艙內分佈的鋼索就是用來操縱飛機的。不過這種鋼索控制設計簡單、成本很低,目前很多小型飛機依舊採用鋼索滑輪組控制,比如世界上產量最大的C172輕型飛機依舊還是鋼索控制。而新中國在早期航空工業比較落後的那段時間也是主要以這種純機械方式設計飛機,比如我們的第一架大飛機運-10依舊是鋼索滑輪組控制。

液壓操縱,液壓操縱是鋼索滑輪組控制的升級版,由操縱桿直接帶動鋼索改為操縱桿控制液壓系統,由液壓組件帶動氣動舵面運動。這種操縱方式比純鋼索滑輪組要省力一些,但是依舊沒有改變操縱桿和舵面直接連接的關係,還是一種機械操縱方式。早期波音737號稱“空中健身房”就是因為採用的液壓操縱方式使飛行員操縱較電傳的A320吃力地多。為了保證飛機操作的可靠性往往使用多套液壓系統,但液壓系統大量的液壓管和液壓組件擠佔了大量的重量。而且對於較為複雜的氣動佈局液壓系統也沒有辦法做到完美控制,比如飛翼結構的機型因為沒有水平尾翼和垂直尾翼操縱起來極為麻煩,雖然從20年代就開始研究但一直沒有投入實用化,直到後來數字化電傳操縱的出現才出現了B-2轟炸機。美國A-10、早期F-15、中國殲-8都是液壓操縱的典型代表,下圖為早期F-15的液壓操縱系統。

電傳操縱,電傳操縱是一個劃時代的控制方式,上面提到的鋼索滑輪組控制和液壓控制都是操縱桿直接與氣動舵面建立關係,都是直接的機械操縱。但電傳操縱則出現了變化,操縱桿的動作會轉化為電信號,這個電信號經過各種處理後輸出相應控制電信號通過線纜傳到舵機以驅動控制面偏轉,達到操縱飛機的目的。下圖是一套四餘度縱向電傳操縱系統,操縱桿到舵面並沒有直接連接,全套的電傳操縱系統包括軟、硬件兩大部分,硬件包括傳感器、機電作動系統、飛控計算機等等、軟件就是一大堆正確的邏輯代碼。

電傳操縱也是經歷了模擬電傳和數字電傳兩個大的階段,蘇聯Su-27戰鬥機就是採用早期的模擬電傳,而世界上第一種量產化的採用數字電傳的戰鬥機是美國F/A-18“大黃蜂”戰鬥機。而正是由於計算機系統的介入,戰機的操縱系統可以更好地平衡各種因素帶來的影響,也就是電傳操縱的核心在於高度的自動化,比如同時綜合氣壓、空速、攻角、過載等等任何對動作帶來硬性的因素,最後得出正確的反饋信號對飛機各個舵面進行正確的控制。比如盤旋的時機載電腦可以算出最優的尾翼舵面角度,乾淨的進入一個盤旋弧線。另外,機載電腦對於飛行員誤操作以及極限動作有一個很好的控制,保證飛機在飛行包線內飛行。

這也使得戰機的啟動佈局開始呈現多樣化,比如中央升力體、鴨翼、三角翼等等……而像B-2、F-117不符合“常規氣動佈局”的飛機也走上實用化舞臺。下圖為美國F-8“十字軍”艦載戰鬥機,是NASA在1972年專門改造用來實驗電傳飛控的試驗性機型,機載電腦來自於阿波羅登月項目的登月艙

餘度

但是可靠性如何保證?這就牽扯出“餘度”的問題,所謂“餘度”就是多餘的,對飛機來說由於計算機及其代碼總是會出現短暫或者長期的故障,這個時候就等於戰機某些操作會出現異常甚至直接喪失。為了避免這種情況,電傳操縱在設計的時候通常都有備份,也就是將這套飛控系統由一套增加至多套,多套系統同時工作除了表現在強大的糾錯能力,再就是作為備份機頂替出現故障的其他計算機,這就等於既提高了可靠性也降低了整體故障性。其基本思想就是增加餘度資源、提高可靠性。如果是三餘度,那麼就代表著有3套飛控計算機、四餘度就是4套,除非你有能力保證1套控制就100%完美,但這種情況非常少見。

其實這種所謂電傳思想已經深入到很多領域,比如下圖為MK38型艦炮操作檯,旁邊其實就是一個和遊戲手柄一樣的東西,就是通過這個手柄給控制計算機傳輸電信號再反饋到艦炮進行動作。而現代汽車中也是擯棄了原先的機械油門,踏下油門時由EGAS控制單元對噴油機構進行控制。而戰機電傳操縱的思路也是為自動駕駛乃至之後的人工智能、無人飛機打下了基礎,人力直接控制顯然是要直接淘汰掉的。


雛菊西瓜Peterpan


您老沒睡醒麼!現在飛機最流行的是三軸四餘度光傳操控系統!譬如殲20!



Ownerryu


電傳操縱(Fly-By-Wire,FBW),與機械操縱相對。早期的電傳操縱系統使用的是模擬信號,隨著數字處理器的發展,從三代戰機開始普遍使用數字電傳操縱系統。

什麼是電傳操縱系統

早期的飛機使用機械操縱系統。這種操縱系統的操縱桿通過鋼絲繩、滑輪組和連桿機構與控制舵面進行聯接;後面又出現了帶有液壓件的操縱系統。但是不管怎麼進化,只要操縱桿與控制舵面有實際機械聯接都是機械操縱系統。

早期機械操縱系統,依靠鋼絲繩滑輪組和連桿機構傳動,完全依靠人力

液壓式傳動

F-15早期的操縱系統,採用的是液壓式傳動;可見這套系統有多笨重

而電傳操縱系統,完全取消了操縱桿和實際控制舵面之間的機械關聯和液壓助力裝置,操縱桿只用來將飛行員的操縱行為轉換為電信號,通過放大處理後,輸出相應控制,通過線纜將相應的控制傳遞到相應控制舵面的伺服電機,作出預期的偏移動作。

飛機的電傳操縱系統,所有的控制信號要首先通過模擬/數字計算機的處理

電傳操縱系統的優勢——更輕的重量和更高的冗餘度

電傳操縱,比起機械操縱系統,電傳操控沒有遍佈機身的複雜機械聯接,取而代之的是遍佈機身的電纜或者光纜,減少了很多重量,同時也提高了可靠性。因為電傳操控系統往往採用三套或者四套計算機各自獨立工作,而且各自均有一套電纜連接到舵面的伺服機構上。因為數字處理器一旦故障,會導致整個系統癱瘓,採用多個計算機系統則可以大大提高安全性,每一套系統都是一個冗餘,這樣即便損壞其中一套系統的穩定性不受影響。所以我們所說的三餘度、四餘度,其實指的是計算機系統的數量。這種安全冗餘不僅體現在電腦故障時可以有其他電腦接替工作,在飛行控制過程中幾個並行工作的電腦也時刻體現了其超強的糾錯能力。以F-16為例,雖然有四餘度,但一般只會啟動其中三部電腦工作,而第四部電腦為備份。飛控代碼中設有一套投票系統,當某一部電腦所計算的結果與另兩部電腦不同時,就會啟動投票表決,跳過並關閉計算結果不同的電腦,同時命令第四部備用電腦啟動,以確保操控安全性。

電傳操縱還有一個優勢,那就是允許計算機參與飛行控制,因為舵面是受到計算機發出的信號來直接控制的,所以可以根據飛行器本身的氣動特性提前寫好飛控代碼存在計算機中。因此使用電傳飛控的飛行器,其靜不穩定度可以被大大放寬。因為飛控代碼已經存在了計算機裡,哪怕飛行員犯錯,計算機也會及時糾正,不允許飛行員飛出超出限制的動作。計算機甚至可以接管整個飛機實現智能巡航。到了今天幾乎所有的客機都擁有這個功能,而這個功能可以極大解放飛行員的雙手和大腦,緩解飛行員的疲勞。未來,隨著人工智能的發展程度越來越高,計算機憑藉電傳飛控也可以做出更加複雜的飛行動作,這就是無人智能戰鬥機的概念。但是電傳操縱系統是最重要的基石,如果仍然採用機械式和液壓式的操縱,這一切都無從談起了。

早期的電傳操縱系統是模擬的,而且伺服系統仍然是液壓式;但隨著技術的發展,後面的電傳操縱系統直接採用電信號控制的電液伺服閥或伺服電機取代了液壓件。從上個世紀50年代起,美英蘇等國就開始了電傳飛控戰鬥機的研究,不過早期的飛機往往都帶有全套的機械操縱系統做備份。有意思的是,世界上首款採用純粹的電傳操縱系統(無機械液壓備份)的飛行器並不是在大氣層內使用的,而是登月的阿波羅11號計劃的月球登陸飛船:


阿波羅11號搭載的LLRV,Lunar Landing Research Vehicle

阿波羅11登陸器上採用這樣的操縱系統,主要還是出於減重和增加可靠性來考慮的。機械式和液壓式操控系統不僅笨重,而且部件太多,而且在系統中都是串聯,一個部件故障會導致災難性後果。

電傳操縱系統在實驗中獲得成功後,很快就在飛機上得到了進一步的應用和完善。比如F-8C戰機就直接應用了阿波羅11月秋登陸器的成果,成為了首個無機械備份只用電傳操縱的戰鬥機。首款採用數字電傳操縱的量產戰鬥機則是F/A-18大黃蜂。F-16則是進入數字電傳操縱時代後,首個採用了靜不安定設計的戰鬥機。像F-117這樣氣動設計超級惡劣的飛機,也是得益於電傳操縱系統,才可以讓它能夠實用化。<strong>

NASA在F-8C 進行的戰鬥機電傳操縱系統驗證

F/A-18是第一款數字電傳操縱設計的戰鬥機

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F-16是首款靜不安定設計的戰鬥機,就是因為採用了電傳操控系統才使得這種設計得以實現

像F-117氣動設計這麼爛的飛機,如果沒有電傳操縱系統,飛行員甚至都沒法維持正常飛行,並別提執行任務了

而首個採用電傳飛控的客機則是英法聯合研製的協和飛機,只是受制於技術限制只採用了模擬式的電傳操縱;首款數字電傳操縱的客機則是空客的A320,波音隨之跟進,在波音777上也應用了電傳操縱系統。從此數字電傳在民用領域也開花結果。今天的汽車普遍使用的電子油門踏板(Accelerator Pedal),電子線控轉向,電子線控剎車,某種程度上來說就是電傳操縱系統在汽車領域的實際應用。

波音777客機的電傳操控系統,這是波音首個採用電傳操控系統的機型

汽車上現在也在大量使用電傳操縱的技術成果,油門,剎車,轉向都有對應的線控技術


紙上的宣仔


電傳操作系統(Flying By Wire),就是採用電信號對飛機進行操縱的方式,它是與機械式操縱相區別開的一種新型技術。

過去的飛機採用的都是機械式操縱,它們採用專門的齒輪、鋼絲、液壓、滑輪等機械部件對飛機的部件進行傳動控制。這種設計雖然經歷了長年的發展和各種戰火考驗,卻隨著戰機的性能越來越發達,而逐漸變得越來越不可靠。

現代飛機強悍的飛行性能背後,是對操控的更高要求,機械式操縱很難在不提升結構複雜度的情況下,完成對飛機更復雜、更極端的操縱,因此人們開發出了“電傳控制系統”,它把本來是機械控制的戰機零件,變成用電控信號加傳感器控制,就好比把一隻齒輪驅動的發條機器人變成了塞電路板的電動玩具。

改成電傳系統後,戰機可以省略掉相當多的機械操控部件,只需要佈設電子線路和相關傳感器,它們就能以更高的可靠性操控飛行。而且數字化電傳還能通過類似網遊“宏”一樣的程控設計,讓飛機輕鬆飛出相當複雜的動作,這就為人所反應不過來的緊急情況、飛機的包線保護等打下了基礎。

不過呢,正因為電子系統的特性,現代的模擬電傳多多少少會出現一些問題,比如干擾、程序錯誤、響應慢、反饋異常等等,我們生活中那些電腦、手機犯的傻它們會犯。所以,電傳雖然理論上比機械傳動大大提高了可靠性,人們依然要想辦法讓程序指令更準確,比如多放幾臺電腦,幾臺一起辦公。

這就是電傳“餘度”的由來,人們為電傳操縱系統設計了多個冗餘備份,通過這種方式提高整個飛控系統的容錯性,大大降低其故障度。不要小看這種出錯概率,飛行傳動是精細化操作,理論上容不得一絲錯誤,然而民航的機載計算機無故障間隔時間為10-10/h,軍機則為10-7/h,這個出錯率是相當高的,但只要有冗餘備份,完蛋一個頂上一個,一個出錯仨來糾正,兩臺出錯還能2對2,再加上飛行員的判斷,這樣便不會出現任何問題。

目前國際上流行的軍機餘度是四餘度電傳,也就是有四個冗餘備份,它們被稱為“通道”,所以也可以稱為四通道電傳,每個通道單獨工作,然後使用統一的管理程序進行數據共同管理。

一般來說,飛機要設計幾個餘度完全是設計方的自由,美國如果不怕F22掉下來照樣可以設計單餘度電傳;三餘度這種設計往往是受機型的整體設計習慣、成本、需求而考量,比如無人機、直升機或者某些機體可靠性較高、不需要過多餘度電傳的機體,像CH-53K、F15E、雅克141就使用了三餘度電傳。


王司徒軍武百科


我咋知道的是4餘度,3餘度算是簡配版麼?

電傳操控系統和4餘度主動操控,是兩個系統,不過卻是相輔相成的作用。

電傳操控系統是為了代替傳統的機械操控系統而發明的,重量、複雜性、效率、可靠性等方面全面超越,可以說是現代空軍建設不可缺少的技術之一。

現代戰鬥機設計普遍採用靜不穩定設計,飛機的機動性大幅提升,動作也更敏捷。為了避免飛行員操作過大,彌補飛行員操作錯誤,以及減少飛行員工作量,主動操控系統就應運而生了,主動操控系統還可以飛行員指令和飛機反應不協調等問題。為了避免主動操控系統發出錯誤指令,設計師就在飛機上安裝了3臺主動操控計算機,當其中一臺發出錯誤指令時,另外兩臺計算機發出正確指令予以糾正,怕作戰時一臺計算機發生故障或損壞,所以又加一臺當作系統備份。

兩個系統相輔相成,卻不是同時被髮明出來的,都是在現有條件下逐步改進成現在的程度。現在這兩個部分珠聯璧合,已經成為一整套密不可分的體系了。


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