03.07 请问飞机上使用的电传操纵系统是怎么回事,怎么还有3余度?

Avril--aili


电传操纵(Fly-By-Wire,FBW),与机械操纵相对。早期的电传操纵系统使用的是模拟信号,随着数字处理器的发展,从三代战机开始普遍使用数字电传操纵系统。

什么是电传操纵系统

早期的飞机使用机械操纵系统。这种操纵系统的操纵杆通过钢丝绳、滑轮组和连杆机构与控制舵面进行联接;后面又出现了带有液压件的操纵系统。但是不管怎么进化,只要操纵杆与控制舵面有实际机械联接都是机械操纵系统。

早期机械操纵系统,依靠钢丝绳滑轮组和连杆机构传动,完全依靠人力

液压式传动

F-15早期的操纵系统,采用的是液压式传动;可见这套系统有多笨重

而电传操纵系统,完全取消了操纵杆和实际控制舵面之间的机械关联和液压助力装置,操纵杆只用来将飞行员的操纵行为转换为电信号,通过放大处理后,输出相应控制,通过线缆将相应的控制传递到相应控制舵面的伺服电机,作出预期的偏移动作。

飞机的电传操纵系统,所有的控制信号要首先通过模拟/数字计算机的处理

电传操纵系统的优势——更轻的重量和更高的冗余度

电传操纵,比起机械操纵系统,电传操控没有遍布机身的复杂机械联接,取而代之的是遍布机身的电缆或者光缆,减少了很多重量,同时也提高了可靠性。因为电传操控系统往往采用三套或者四套计算机各自独立工作,而且各自均有一套电缆连接到舵面的伺服机构上。因为数字处理器一旦故障,会导致整个系统瘫痪,采用多个计算机系统则可以大大提高安全性,每一套系统都是一个冗余,这样即便损坏其中一套系统的稳定性不受影响。所以我们所说的三余度、四余度,其实指的是计算机系统的数量。这种安全冗余不仅体现在电脑故障时可以有其他电脑接替工作,在飞行控制过程中几个并行工作的电脑也时刻体现了其超强的纠错能力。以F-16为例,虽然有四余度,但一般只会启动其中三部电脑工作,而第四部电脑为备份。飞控代码中设有一套投票系统,当某一部电脑所计算的结果与另两部电脑不同时,就会启动投票表决,跳过并关闭计算结果不同的电脑,同时命令第四部备用电脑启动,以确保操控安全性。

电传操纵还有一个优势,那就是允许计算机参与飞行控制,因为舵面是受到计算机发出的信号来直接控制的,所以可以根据飞行器本身的气动特性提前写好飞控代码存在计算机中。因此使用电传飞控的飞行器,其静不稳定度可以被大大放宽。因为飞控代码已经存在了计算机里,哪怕飞行员犯错,计算机也会及时纠正,不允许飞行员飞出超出限制的动作。计算机甚至可以接管整个飞机实现智能巡航。到了今天几乎所有的客机都拥有这个功能,而这个功能可以极大解放飞行员的双手和大脑,缓解飞行员的疲劳。未来,随着人工智能的发展程度越来越高,计算机凭借电传飞控也可以做出更加复杂的飞行动作,这就是无人智能战斗机的概念。但是电传操纵系统是最重要的基石,如果仍然采用机械式和液压式的操纵,这一切都无从谈起了。

早期的电传操纵系统是模拟的,而且伺服系统仍然是液压式;但随着技术的发展,后面的电传操纵系统直接采用电信号控制的电液伺服阀或伺服电机取代了液压件。从上个世纪50年代起,美英苏等国就开始了电传飞控战斗机的研究,不过早期的飞机往往都带有全套的机械操纵系统做备份。有意思的是,世界上首款采用纯粹的电传操纵系统(无机械液压备份)的飞行器并不是在大气层内使用的,而是登月的阿波罗11号计划的月球登陆飞船:


阿波罗11号搭载的LLRV,Lunar Landing Research Vehicle

阿波罗11登陆器上采用这样的操纵系统,主要还是出于减重和增加可靠性来考虑的。机械式和液压式操控系统不仅笨重,而且部件太多,而且在系统中都是串联,一个部件故障会导致灾难性后果。

电传操纵系统在实验中获得成功后,很快就在飞机上得到了进一步的应用和完善。比如F-8C战机就直接应用了阿波罗11月秋登陆器的成果,成为了首个无机械备份只用电传操纵的战斗机。首款采用数字电传操纵的量产战斗机则是F/A-18大黄蜂。F-16则是进入数字电传操纵时代后,首个采用了静不安定设计的战斗机。像F-117这样气动设计超级恶劣的飞机,也是得益于电传操纵系统,才可以让它能够实用化。

NASA在F-8C 进行的战斗机电传操纵系统验证

F/A-18是第一款数字电传操纵设计的战斗机

F-16是首款静不安定设计的战斗机,就是因为采用了电传操控系统才使得这种设计得以实现

像F-117气动设计这么烂的飞机,如果没有电传操纵系统,飞行员甚至都没法维持正常飞行,并别提执行任务了

而首个采用电传飞控的客机则是英法联合研制的协和飞机,只是受制于技术限制只采用了模拟式的电传操纵;首款数字电传操纵的客机则是空客的A320,波音随之跟进,在波音777上也应用了电传操纵系统。从此数字电传在民用领域也开花结果。今天的汽车普遍使用的电子油门踏板(Accelerator Pedal),电子线控转向,电子线控刹车,某种程度上来说就是电传操纵系统在汽车领域的实际应用。

波音777客机的电传操控系统,这是波音首个采用电传操控系统的机型

汽车上现在也在大量使用电传操纵的技术成果,油门,刹车,转向都有对应的线控技术


宣仔


与“电传操纵系统”对应的是“机械操纵系统”,是一种依托电子和计算机技术发展起来的新型战机操纵系统。至于我们经常听到的“三余度”,简单来说就是3套飞行控制计算机、四余度就是4套,更多的余度可以保证当飞控某一部分故障和错误时时其他备份能够继续使飞机正常飞行。但这个余度设计时必须恰到好处,设计不当反而降低可靠程度,所以航空工业真不是随随便便的国家就能搞得。

电传操纵系统

“电传操纵系统”对应的是“机械操纵系统”,早期飞机的操纵主要有2种:纯机械操纵和液压操纵。

纯机械操纵就是将飞机控制杆通过钢索直接连接到气动舵面,中间以滑轮组和其他机构辅助,拉动操纵杆时钢索带动副翼、升降舵等运动。这种操作最为简单粗暴,但是也是最费劲的,几乎完全是靠人力在操纵,一旦钢索疲劳断裂飞机就出现某个方向的操纵失灵。

下图为苏联An-2运输机,也是中国运-5的原型,机舱内分布的钢索就是用来操纵飞机的。不过这种钢索控制设计简单、成本很低,目前很多小型飞机依旧采用钢索滑轮组控制,比如世界上产量最大的C172轻型飞机依旧还是钢索控制。而新中国在早期航空工业比较落后的那段时间也是主要以这种纯机械方式设计飞机,比如我们的第一架大飞机运-10依旧是钢索滑轮组控制。

液压操纵,液压操纵是钢索滑轮组控制的升级版,由操纵杆直接带动钢索改为操纵杆控制液压系统,由液压组件带动气动舵面运动。这种操纵方式比纯钢索滑轮组要省力一些,但是依旧没有改变操纵杆和舵面直接连接的关系,还是一种机械操纵方式。早期波音737号称“空中健身房”就是因为采用的液压操纵方式使飞行员操纵较电传的A320吃力地多。为了保证飞机操作的可靠性往往使用多套液压系统,但液压系统大量的液压管和液压组件挤占了大量的重量。而且对于较为复杂的气动布局液压系统也没有办法做到完美控制,比如飞翼结构的机型因为没有水平尾翼和垂直尾翼操纵起来极为麻烦,虽然从20年代就开始研究但一直没有投入实用化,直到后来数字化电传操纵的出现才出现了B-2轰炸机。美国A-10、早期F-15、中国歼-8都是液压操纵的典型代表,下图为早期F-15的液压操纵系统。

电传操纵,电传操纵是一个划时代的控制方式,上面提到的钢索滑轮组控制和液压控制都是操纵杆直接与气动舵面建立关系,都是直接的机械操纵。但电传操纵则出现了变化,操纵杆的动作会转化为电信号,这个电信号经过各种处理后输出相应控制电信号通过线缆传到舵机以驱动控制面偏转,达到操纵飞机的目的。下图是一套四余度纵向电传操纵系统,操纵杆到舵面并没有直接连接,全套的电传操纵系统包括软、硬件两大部分,硬件包括传感器、机电作动系统、飞控计算机等等、软件就是一大堆正确的逻辑代码。

电传操纵也是经历了模拟电传和数字电传两个大的阶段,苏联Su-27战斗机就是采用早期的模拟电传,而世界上第一种量产化的采用数字电传的战斗机是美国F/A-18“大黄蜂”战斗机。而正是由于计算机系统的介入,战机的操纵系统可以更好地平衡各种因素带来的影响,也就是电传操纵的核心在于高度的自动化,比如同时综合气压、空速、攻角、过载等等任何对动作带来硬性的因素,最后得出正确的反馈信号对飞机各个舵面进行正确的控制。比如盘旋的时机载电脑可以算出最优的尾翼舵面角度,干净的进入一个盘旋弧线。另外,机载电脑对于飞行员误操作以及极限动作有一个很好的控制,保证飞机在飞行包线内飞行。

这也使得战机的启动布局开始呈现多样化,比如中央升力体、鸭翼、三角翼等等……而像B-2、F-117不符合“常规气动布局”的飞机也走上实用化舞台。下图为美国F-8“十字军”舰载战斗机,是NASA在1972年专门改造用来实验电传飞控的试验性机型,机载电脑来自于阿波罗登月项目的登月舱

余度

但是可靠性如何保证?这就牵扯出“余度”的问题,所谓“余度”就是多余的,对飞机来说由于计算机及其代码总是会出现短暂或者长期的故障,这个时候就等于战机某些操作会出现异常甚至直接丧失。为了避免这种情况,电传操纵在设计的时候通常都有备份,也就是将这套飞控系统由一套增加至多套,多套系统同时工作除了表现在强大的纠错能力,再就是作为备份机顶替出现故障的其他计算机,这就等于既提高了可靠性也降低了整体故障性。其基本思想就是增加余度资源、提高可靠性。如果是三余度,那么就代表着有3套飞控计算机、四余度就是4套,除非你有能力保证1套控制就100%完美,但这种情况非常少见。

其实这种所谓电传思想已经深入到很多领域,比如下图为MK38型舰炮操作台,旁边其实就是一个和游戏手柄一样的东西,就是通过这个手柄给控制计算机传输电信号再反馈到舰炮进行动作。而现代汽车中也是摈弃了原先的机械油门,踏下油门时由EGAS控制单元对喷油机构进行控制。而战机电传操纵的思路也是为自动驾驶乃至之后的人工智能、无人飞机打下了基础,人力直接控制显然是要直接淘汰掉的。


雏菊西瓜Peterpan


电传操作系统(Flying By Wire),就是采用电信号对飞机进行操纵的方式,它是与机械式操纵相区别开的一种新型技术。

过去的飞机采用的都是机械式操纵,它们采用专门的齿轮、钢丝、液压、滑轮等机械部件对飞机的部件进行传动控制。这种设计虽然经历了长年的发展和各种战火考验,却随着战机的性能越来越发达,而逐渐变得越来越不可靠。

现代飞机强悍的飞行性能背后,是对操控的更高要求,机械式操纵很难在不提升结构复杂度的情况下,完成对飞机更复杂、更极端的操纵,因此人们开发出了“电传控制系统”,它把本来是机械控制的战机零件,变成用电控信号加传感器控制,就好比把一只齿轮驱动的发条机器人变成了塞电路板的电动玩具。

改成电传系统后,战机可以省略掉相当多的机械操控部件,只需要布设电子线路和相关传感器,它们就能以更高的可靠性操控飞行。而且数字化电传还能通过类似网游“宏”一样的程控设计,让飞机轻松飞出相当复杂的动作,这就为人所反应不过来的紧急情况、飞机的包线保护等打下了基础。

不过呢,正因为电子系统的特性,现代的模拟电传多多少少会出现一些问题,比如干扰、程序错误、响应慢、反馈异常等等,我们生活中那些电脑、手机犯的傻它们会犯。所以,电传虽然理论上比机械传动大大提高了可靠性,人们依然要想办法让程序指令更准确,比如多放几台电脑,几台一起办公。

这就是电传“余度”的由来,人们为电传操纵系统设计了多个冗余备份,通过这种方式提高整个飞控系统的容错性,大大降低其故障度。不要小看这种出错概率,飞行传动是精细化操作,理论上容不得一丝错误,然而民航的机载计算机无故障间隔时间为10-10/h,军机则为10-7/h,这个出错率是相当高的,但只要有冗余备份,完蛋一个顶上一个,一个出错仨来纠正,两台出错还能2对2,再加上飞行员的判断,这样便不会出现任何问题。

目前国际上流行的军机余度是四余度电传,也就是有四个冗余备份,它们被称为“通道”,所以也可以称为四通道电传,每个通道单独工作,然后使用统一的管理程序进行数据共同管理。

一般来说,飞机要设计几个余度完全是设计方的自由,美国如果不怕F22掉下来照样可以设计单余度电传;三余度这种设计往往是受机型的整体设计习惯、成本、需求而考量,比如无人机、直升机或者某些机体可靠性较高、不需要过多余度电传的机体,像CH-53K、F15E、雅克141就使用了三余度电传。


王司徒军武百科


我咋知道的是4余度,3余度算是简配版么?

电传操控系统和4余度主动操控,是两个系统,不过却是相辅相成的作用。

电传操控系统是为了代替传统的机械操控系统而发明的,重量、复杂性、效率、可靠性等方面全面超越,可以说是现代空军建设不可缺少的技术之一。

现代战斗机设计普遍采用静不稳定设计,飞机的机动性大幅提升,动作也更敏捷。为了避免飞行员操作过大,弥补飞行员操作错误,以及减少飞行员工作量,主动操控系统就应运而生了,主动操控系统还可以飞行员指令和飞机反应不协调等问题。为了避免主动操控系统发出错误指令,设计师就在飞机上安装了3台主动操控计算机,当其中一台发出错误指令时,另外两台计算机发出正确指令予以纠正,怕作战时一台计算机发生故障或损坏,所以又加一台当作系统备份。

两个系统相辅相成,却不是同时被发明出来的,都是在现有条件下逐步改进成现在的程度。现在这两个部分珠联璧合,已经成为一整套密不可分的体系了。


笔不意驰


您老没睡醒么!现在飞机最流行的是三轴四余度光传操控系统!譬如歼20!



Ownerryu


冗余系统,表决系统(三个)。


山石嶙嶙


开拖拉机 就是机械传递。开挖掘机装载机 就是液压传递。你到游戏厅玩大型汽车模拟驾驶 摩托车模拟驾驶 就是电传的。你转动方向盘 传感器给一个持续的信号到你驾驶座下的电子伺服机构 控制液压马达操控你的座椅 使座椅左右前后俯仰。多余度就是这一套传递信号和执行信号的机构 有两三套备用的。玩驾驶游戏可以中间出错 开飞机绝不允许出错。


分享到:


相關文章: