民用飛機(jī)自動(dòng)飛行包線保護(hù)研究

柯劼++李中

摘要：自動(dòng)飛行包線保護(hù)用于保障飛行安全、實(shí)現(xiàn)飛行員無憂操縱，可減輕飛行員工作和心理負(fù)擔(dān)，使得飛行員在自動(dòng)飛行中無需顧慮飛機(jī)是否會(huì)超出安全包線飛行，這對(duì)提高運(yùn)營(yíng)安全性至關(guān)重要。簡(jiǎn)述了目前民用飛機(jī)自動(dòng)飛行包線保護(hù)方法，研究了波音和空客公司正在運(yùn)營(yíng)的最先進(jìn)民用飛機(jī)自動(dòng)飛行包線保護(hù)模式，并對(duì)比兩家公司自動(dòng)飛行包線保護(hù)設(shè)計(jì)的異同，歸納出民用飛機(jī)自動(dòng)飛行包線保護(hù)設(shè)計(jì)所需考慮因素。

關(guān)鍵詞：民用飛機(jī)；自動(dòng)飛行控制系統(tǒng)；飛行包線保護(hù)

DOIDOI：10.11907/rjdk.151590

中圖分類號(hào)：TP301

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)文章編號(hào)：16727800（2015）008003502

0 引言

飛行包線一般用速度、高度和載荷因子來確定其邊界，同時(shí)還包括迎角、側(cè)滑角、姿態(tài)角、加速度等[1]。

自動(dòng)飛行包線保護(hù)是伴隨飛行導(dǎo)引系統(tǒng)發(fā)展而出現(xiàn)的功能，在很多現(xiàn)役民用飛機(jī)上應(yīng)用成熟。CCAR25.1329（h）規(guī)定：“當(dāng)使用飛行導(dǎo)引系統(tǒng)時(shí)，必須提供措施以避免超出正常飛行包線速度范圍可接受的裕度。如果飛機(jī)飛行速度偏移超出這個(gè)范圍，必須提供措施防止飛行導(dǎo)引系統(tǒng)導(dǎo)引或控制導(dǎo)致不安全的速度[2]?！?/p>

為符合此適航條款，民用飛機(jī)自動(dòng)飛行控制系統(tǒng)須具備自動(dòng)飛行包線保護(hù)功能。

1 民用飛機(jī)自動(dòng)飛行包線保護(hù)

民用飛機(jī)自動(dòng)飛行包線保護(hù)包括：速度保護(hù)（欠速或迎角限制保護(hù)、過速保護(hù)）、姿態(tài)限制（俯仰角限制、滾轉(zhuǎn)角限制）、姿態(tài)角速率限制（角速率限制、過載限制/載荷因子限制）[1]。

由于速度規(guī)劃、紊流、陣風(fēng)等因素，自動(dòng)飛行控制系統(tǒng)工作時(shí)可能導(dǎo)致飛機(jī)超出自動(dòng)飛行包線。當(dāng)達(dá)到自動(dòng)飛行包線保護(hù)閾值時(shí)，自動(dòng)飛行包線保護(hù)功能對(duì)輸出指令加以限制，通過自動(dòng)駕駛和自動(dòng)推力使飛機(jī)回到正常飛行包線內(nèi)，并提供告警和模式轉(zhuǎn)換的飛行模式通告（FMA），使飛行員注意當(dāng)前自動(dòng)飛行的狀態(tài)。低速保護(hù)告警提供語音和視覺兩種方式，高速保護(hù)告警只提供視覺告警[3]。

2 兩種機(jī)型自動(dòng)飛行包線保護(hù)研究

下面對(duì)B787及A380兩種代表不同設(shè)計(jì)理念、目前正在運(yùn)營(yíng)的最先進(jìn)民用飛機(jī)自動(dòng)飛行包線保護(hù)進(jìn)行研究，分析其設(shè)計(jì)思路。

2.1 B787飛機(jī)自動(dòng)飛行包線保護(hù)

B787飛機(jī)在自動(dòng)駕駛工作時(shí)有3種形式的飛行包線保護(hù)功能，分別為失速保護(hù)、過速保護(hù)和滾轉(zhuǎn)包線坡度角保護(hù)。當(dāng)主飛行控制系統(tǒng)工作在正常模式時(shí)，飛行包線保護(hù)功能有效，在次級(jí)模式和直接模式無飛行包線保護(hù)功能。飛行包線保護(hù)功能不會(huì)減小飛行員操縱權(quán)限，保證駕駛員在超控包線保護(hù)時(shí)與正常操縱具同等權(quán)限。如超出包線，飛行包線保護(hù)功能將觸發(fā)發(fā)動(dòng)機(jī)指示與機(jī)組告警系統(tǒng)（EICAS）警戒級(jí)消息“AUTOPILOT”和滾轉(zhuǎn)/俯仰模式失效通告，以使飛行員察覺，自動(dòng)駕駛將控制飛機(jī)回到包線內(nèi)。

當(dāng)空速降至最小機(jī)動(dòng)速度時(shí)，失速保護(hù)禁止飛機(jī)向抬頭方向配平。當(dāng)接近失速速度時(shí)，桿力增至最大，飛行員必須持續(xù)施加拉桿力才能使飛機(jī)速度低于最小機(jī)動(dòng)速度。如果速度減小至抖桿閾值，自動(dòng)油門將接通速度模式（SPD），增大推力以維持最小機(jī)動(dòng)速度或模式控制板（MCP）選擇速度中的較大值，發(fā)動(dòng)機(jī)指示與機(jī)組告警系統(tǒng)顯示警戒級(jí)消息“AIRSPEED LOW”。

當(dāng)空速增至VMO/MMO時(shí)，過速保護(hù)禁止飛機(jī)向低頭方向配平。與失速保護(hù)類似，飛行員必須持續(xù)施加推桿力才能使飛機(jī)速度高于VMO/MMO，發(fā)動(dòng)機(jī)指示與機(jī)組告警系統(tǒng)將顯示警告級(jí)消息“OVERSPEED”。

當(dāng)坡度角超出坡度角保護(hù)閾值35°，坡度角保護(hù)通過自動(dòng)駕駛發(fā)送指令給主飛行計(jì)算機(jī)（PFC），通過作動(dòng)器電子控制（ACE）系統(tǒng)控制駕駛盤，使飛機(jī)坡度角回到30°，但飛行員可超控此滾轉(zhuǎn)指令。如自動(dòng)駕駛無法接通，則坡度角保護(hù)不可用。當(dāng)坡度角超過35°，主飛行顯示（PFD）坡度角指示器變?yōu)殓晟?/p>

B787飛機(jī)的自動(dòng)飛行包線保護(hù)覆蓋了俯仰軸和滾轉(zhuǎn)軸，速度范圍從失速速度到VMO/MMO，并通過觸覺（抖桿、桿力增大）、聽覺（音響告警）和視覺（機(jī)組告警消息、坡度角指示器變色）提示飛行員。B787飛機(jī)的自動(dòng)飛行包線保護(hù)對(duì)人工操縱進(jìn)行了桿力限制，與主飛行控制系統(tǒng)進(jìn)行了綜合，增大了包線保護(hù)范圍，擴(kuò)展了自動(dòng)飛行包線，優(yōu)化了自動(dòng)飛行控制系統(tǒng)性能。

2.2 A380飛機(jī)自動(dòng)飛行包線保護(hù)

A380飛機(jī)正常律提供載荷因子保護(hù)、俯仰姿態(tài)保護(hù)、迎角保護(hù)、高速保護(hù)、坡度角保護(hù)、低能量告警、迎角平臺(tái)（alpha floor）保護(hù)和反應(yīng)型風(fēng)切變告警等8種自動(dòng)飛行包線保護(hù)，處于備用律時(shí)保護(hù)降級(jí)或喪失，直接律時(shí)保護(hù)全部喪失。當(dāng)不在正常包線內(nèi)時(shí)，自動(dòng)駕駛將斷開。飛行控制律在惡劣氣象條件下減小飛機(jī)超限的風(fēng)險(xiǎn)，確保飛機(jī)在安全包線內(nèi)，飛行員仍具有全權(quán)限以使飛機(jī)達(dá)到最佳性能。

載荷因子保護(hù)對(duì)飛機(jī)機(jī)動(dòng)時(shí)的載荷進(jìn)行了限制?？p翼收回時(shí)，載荷因子限制為+2.5g到-1g，縫翼伸出時(shí)，載荷因子限制為2g到0g。

俯仰姿態(tài)保護(hù)包括正俯仰姿態(tài)保護(hù)、負(fù)俯仰姿態(tài)保護(hù)和俯仰姿態(tài)告警。正俯仰姿態(tài)限制為30°，在低速時(shí)逐步減小為25°，當(dāng)俯仰姿態(tài)大于25°時(shí)，正俯仰保護(hù)激活；負(fù)俯仰姿態(tài)限制為-15°，當(dāng)俯仰姿態(tài)小于-13°時(shí)，負(fù)俯仰保護(hù)激活。正俯仰姿態(tài)保護(hù)或負(fù)俯仰姿態(tài)保護(hù)激活時(shí)，自動(dòng)駕駛斷開，飛行指引桿消失，但飛行指引仍保持接通。人工著陸低于無線電高度400英尺時(shí)，俯仰姿態(tài)大于12°即觸發(fā)語音告警“PITCH PITCH”。

迎角保護(hù)防止飛機(jī)在機(jī)動(dòng)或陣風(fēng)中失速，當(dāng)迎角大于αprot時(shí)激活，確保迎角在任何情況下都不會(huì)超出正常律能達(dá)到的最大迎角αmax。當(dāng)迎角保護(hù)激活時(shí)，俯仰控制律控制迎角（迎角和側(cè)桿偏度成比例）始終處于αprot（側(cè)桿在中立位置）和αmax（拉桿到底）之間。

高速保護(hù)防止飛機(jī)超速。在VMO+4節(jié)或MMO+0.006時(shí)觸發(fā)超速告警，發(fā)出連續(xù)重復(fù)鐘鳴聲并顯示主警告燈，在VMO+10節(jié)或MMO+0.02時(shí)激活高速保護(hù)，在VMO+15節(jié)或MMO+0.04時(shí)斷開自動(dòng)駕駛。當(dāng)高速保護(hù)激活時(shí)，坡度角限制為45°，俯仰配平凍結(jié)在當(dāng)前位置，如果前推側(cè)桿到底，速度穩(wěn)定在VD-10節(jié)/MD-0.02（VD/MD是設(shè)計(jì)俯沖速度，是最大的結(jié)構(gòu)速度），如松側(cè)桿，速度降至VMO/MMO以下。

飛機(jī)最大可達(dá)坡度角為67°（高升力構(gòu)型時(shí)為60°）。當(dāng)坡度角超過45°時(shí)，坡度角保護(hù)啟動(dòng)，自動(dòng)駕駛斷開，飛行指引桿消失，但飛行指引仍保持接通。

低能量告警和迎角平臺(tái)使飛機(jī)達(dá)到足夠的能量，保護(hù)飛行航跡角。低能量告警是第一層保護(hù)，需要飛行員人工增加推力，迎角平臺(tái)功能是第二層保護(hù)，將自動(dòng)設(shè)置最大推力。當(dāng)無法通過俯仰控制使飛機(jī)恢復(fù)正飛行航跡角、且推力增加不夠時(shí)，每5秒重復(fù)一次語音告警“SPEED SPEED SPEED”。起飛時(shí)無線電高度大于200英尺或著陸時(shí)無線電高度大于100英尺，且低于無線電高度2500英尺，襟縫翼構(gòu)型為2、3或FULL，速度在最低可選擇速度VLS和迎角保護(hù)速度閾值Vαprot之間時(shí)，將觸發(fā)低能量告警。

為避免使用小推力低速飛行，當(dāng)迎角超過迎角平臺(tái)閾值（在αprot和αmax之間）時(shí)，無論油門桿位置和自動(dòng)推力在接通狀態(tài)，迎角平臺(tái)功能都將自動(dòng)使用起飛復(fù)飛（TOGA）推力。如果自動(dòng)推力之前未激活，將自動(dòng)激活。當(dāng)單發(fā)失效或雙發(fā)失效時(shí)，如果失效的雙發(fā)是對(duì)稱的（如，1號(hào)發(fā)動(dòng)機(jī)和4號(hào)，2號(hào)發(fā)動(dòng)機(jī)和3號(hào)失效），則迎角平臺(tái)仍可使用。

飛機(jī)在起飛、著陸時(shí)遭遇風(fēng)梯度減小了距失速的裕度，將觸發(fā)反應(yīng)型風(fēng)切變告警。反應(yīng)型風(fēng)切變告警包括主飛行顯示器閃爍9秒并有穩(wěn)定的紅色信息“WINDSHEAR”和語音告警“WINDSHEAR WINDSHEAR WINDSHEAR”。反應(yīng)型風(fēng)切變探測(cè)工作范圍為起飛離地3秒后爬升到離地1300英尺，或著陸階段從離地1300英尺下降到50ft。

A380飛機(jī)的自動(dòng)飛行包線保護(hù)分類較細(xì)，將速度保護(hù)、姿態(tài)限制、姿態(tài)角速率限制三大類細(xì)化為8種功能不同的包線保護(hù)，各種保護(hù)功能之間相輔相成或相互影響[4]，并將飛行員操縱權(quán)限限制在安全操縱范圍內(nèi)，使飛行員無法將飛機(jī)飛出包線，實(shí)現(xiàn)無憂操縱，全方位地保障飛行安全。A380飛機(jī)的自動(dòng)飛行包線保護(hù)功能考慮了人工操縱時(shí)的飛行包線，防止飛行員操縱超限，充分利用了自動(dòng)飛行控制系統(tǒng)對(duì)飛行員的輔助作用。

3 結(jié)語

從上述分析可知，B787飛機(jī)與A380飛機(jī)的自動(dòng)飛行包線保護(hù)既有相似之處，又有不同點(diǎn)。相似之處在于：自動(dòng)飛行包線保護(hù)均與主飛行控制系統(tǒng)綜合，覆蓋了俯仰軸和滾轉(zhuǎn)軸，速度保護(hù)范圍都從失速速度覆蓋到VMO/MMO。不同之處在于，在低速時(shí)，B787飛機(jī)是根據(jù)失速速度進(jìn)行保護(hù)，而A380飛機(jī)是根據(jù)VLS、αprot和迎角平臺(tái)進(jìn)行保護(hù)的。此外，A380飛機(jī)自動(dòng)飛行包線保護(hù)設(shè)計(jì)還考慮了載荷因子、俯仰姿態(tài)以及風(fēng)切變等因素，分類更細(xì)，飛行員更多地承擔(dān)監(jiān)控管理飛機(jī)狀態(tài)的任務(wù)，而B787飛機(jī)飛行員承擔(dān)的是控制飛機(jī)的任務(wù)。

B787飛機(jī)設(shè)計(jì)將飛行員操縱權(quán)限最大化，可通過人工超控自動(dòng)飛行包線保護(hù)，使飛機(jī)超出正常飛行包線，屬于“軟保護(hù)”；而A380飛機(jī)飛行員無法超控自動(dòng)飛行包線保護(hù)，突破正常飛行包線，屬于“硬保護(hù)”。波音飛機(jī)的設(shè)計(jì)理念更側(cè)重于飛行員的主觀能動(dòng)性，而空客飛機(jī)的設(shè)計(jì)則強(qiáng)調(diào)通過復(fù)雜的自動(dòng)控制和限制，防止飛行員人為產(chǎn)生差錯(cuò)。因此，B787飛機(jī)和A380飛機(jī)的自動(dòng)飛行包線保護(hù)設(shè)計(jì)也與這兩家公司的設(shè)計(jì)理念一致。

民用飛機(jī)在設(shè)計(jì)自動(dòng)飛行包線保護(hù)時(shí)，需綜合考慮系統(tǒng)功能、需求，并秉承全機(jī)設(shè)計(jì)理念，形成產(chǎn)品特色，使后續(xù)機(jī)型具有繼承性，具備市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。

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（責(zé)任編輯：杜能鋼）