控制律是C919的“靈魂”

文‖上海國資記者 孫玉敏

控制律是C919的“靈魂”

文‖上海國資記者 孫玉敏

如果用人比喻飛機(jī)，控制律屬于什么？“如果發(fā)動(dòng)機(jī)是心臟，控制律則更像大腦，或者進(jìn)一步，更像靈魂?！笨刂坡晒リP(guān)隊(duì)領(lǐng)軍者——中國商飛C919副總設(shè)計(jì)師黎先平這樣回答?！耙云嚍槔绻w機(jī)的操作舵面相當(dāng)于車輪，控制律就是方向盤?！?/p>

控制律攻關(guān)團(tuán)隊(duì)的年輕隊(duì)員，則更愿意用電腦作比，在他們看來，控制律更像windows操作系統(tǒng)。“沒有操作系統(tǒng)電腦無法使用。沒有控制律，飛機(jī)將無法飛。”

技術(shù)封鎖下的艱難起步

自主設(shè)計(jì)的C919控制律攻關(guān)是一場(chǎng)硬仗。

C919采用的是全時(shí)全權(quán)限電傳飛控系統(tǒng)，與空客A330類似，而波音直到777才使用了電傳飛控系統(tǒng)。

這種系統(tǒng)是現(xiàn)代民用飛機(jī)進(jìn)化的重要標(biāo)志，它改變飛行員通過機(jī)械設(shè)備控制飛機(jī)的傳統(tǒng)做法?！半妭黠w控系統(tǒng)相當(dāng)于汽車的自動(dòng)檔，機(jī)械飛控系統(tǒng)相當(dāng)于手動(dòng)檔。”黎先平介紹。

電傳飛控系統(tǒng)下，飛行員利用計(jì)算機(jī)經(jīng)過一系列復(fù)雜算法，達(dá)到操縱飛機(jī)的目的，可大大提高飛機(jī)的安全性和舒適性。這“一系列復(fù)雜算法”，就是控制律?！翱刂坡梢话愣际怯芍圃鞆S商自己研發(fā)，一來可以掌握飛機(jī)設(shè)計(jì)、改型的主動(dòng)權(quán)，二來可以掌握保證飛機(jī)安全的主動(dòng)權(quán)?！?黎先平說。

作為電傳飛控系統(tǒng)的核心技術(shù)，控制律一直是國外限制出口與轉(zhuǎn)讓的關(guān)鍵技術(shù)，西方國家明令禁止其出口。

作為C919飛控系統(tǒng)方面的合作伙伴，美國霍尼韋爾公司限于相關(guān)規(guī)定，無法提供控制律技術(shù)。中國商飛只能自主研發(fā)。

對(duì)中國商飛而言，此次控制律的研發(fā)設(shè)計(jì)，有兩個(gè)特點(diǎn)：第一是“起點(diǎn)低”。C919項(xiàng)目首次采用閉環(huán)控制律電傳操縱系統(tǒng)，國內(nèi)相應(yīng)領(lǐng)域的研究幾乎為零。第二是“標(biāo)準(zhǔn)高”。C919客機(jī)采用放寬靜穩(wěn)定性設(shè)計(jì)，比競(jìng)爭(zhēng)機(jī)型更具經(jīng)濟(jì)性能，但同時(shí)帶來操穩(wěn)品質(zhì)下降的問題，需要控制律進(jìn)行補(bǔ)償。

“起點(diǎn)低”，卻要達(dá)到“標(biāo)準(zhǔn)高”，這場(chǎng)硬仗，該從何打起？

一切從零開始

為啃下硬骨頭，中國商飛組建了攻關(guān)隊(duì)。

該隊(duì)陣容可謂強(qiáng)大。由中國商飛副總經(jīng)理、C919總設(shè)計(jì)師吳光輝擔(dān)任隊(duì)長，上飛院院長郭博智擔(dān)任常務(wù)副隊(duì)長，C919常務(wù)副總設(shè)計(jì)師陳迎春和幾個(gè)主管專業(yè)副總設(shè)計(jì)師擔(dān)任副隊(duì)長。參與的部門包括總體氣動(dòng)部、飛控部、項(xiàng)目管理部等。

該隊(duì)是C919第一個(gè)大型公司級(jí)項(xiàng)目組，以中國商飛研發(fā)中心為主體，聯(lián)合了試飛中心、國內(nèi)參研單位、飛行員、試飛員、高校、海外專家等。“這種一段時(shí)間內(nèi)集中優(yōu)勢(shì)資源聯(lián)合攻關(guān)的形式，更有利于重點(diǎn)突破。”黎先平表示。

2012年6月21日，攻關(guān)隊(duì)正式成立。

攻關(guān)隊(duì)采取集中辦公模式，“攻關(guān)隊(duì)跨單位、跨部門、跨專業(yè)，集中辦公更方便溝通，也更有效率?！辈捎谩?11工作制”，“也就是每周工作六天，每天工作11小時(shí)”，黎先平說。

最難的地方在于沒有經(jīng)驗(yàn)可以借鑒。由于國內(nèi)之前研發(fā)的民用飛機(jī)都沒有采用過閉環(huán)控制律的電傳操縱系統(tǒng)，相應(yīng)領(lǐng)域的研究幾乎為零。

一切從零開始，艱難困苦可想而知?！笆紫纫岢鲈O(shè)計(jì)要求，但我們沒有做過，只好按照國外資料等，嘗試性地提一部分，大家都是摸著石頭過河，如果隨著工作的開展，要修改設(shè)計(jì)要求，我們很多工作又要重來一遍?！惫リP(guān)隊(duì)隊(duì)員、中國商飛上飛院總體氣動(dòng)部操穩(wěn)特性室副主任余圣暉說。

首先要做的，是數(shù)據(jù)處理。這些數(shù)據(jù)來自各類試驗(yàn)，風(fēng)洞試驗(yàn)、氣動(dòng)試驗(yàn)等等。通過這些數(shù)據(jù)處理，攻關(guān)隊(duì)員們要計(jì)算出飛控系統(tǒng)的關(guān)鍵指標(biāo)，這是所有工作的基礎(chǔ)?！皵?shù)據(jù)處理工作量非常大，有一個(gè)反復(fù)迭代的過程，有時(shí)候基礎(chǔ)數(shù)據(jù)里面‘混’進(jìn)個(gè)別無效數(shù)據(jù)，會(huì)影響整個(gè)計(jì)算結(jié)果，我們就要從所有數(shù)據(jù)里面辨別出無效數(shù)據(jù)，然后重新計(jì)算。”余圣暉表示。

有了基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，攻關(guān)隊(duì)開始設(shè)計(jì)控制律的主要功能內(nèi)容。

2009年，法航一架空客330空中解體，機(jī)上人員全部遇難。對(duì)于此次空難，有人推測(cè)原因之一是空速表出現(xiàn)了問題，顯示了錯(cuò)誤的飛行速度，導(dǎo)致飛機(jī)在進(jìn)入雷區(qū)前，飛行員拉桿過猛，飛機(jī)迎角過大，使得飛機(jī)失速，發(fā)動(dòng)機(jī)驟停。

為避免類似事故，攻關(guān)隊(duì)給控制律設(shè)計(jì)的一個(gè)重要功能就是迎角控制。“我們?cè)O(shè)計(jì)的控制律，可以將飛機(jī)迎角控制在一定范圍內(nèi)，超過這個(gè)范圍，飛行員再拉桿，飛機(jī)迎角也不會(huì)增加，保障了飛行安全。”黎先平說。

攻關(guān)隊(duì)隊(duì)員、中國商飛上飛院總體氣動(dòng)部部長助理歐陽一方表示，他們?cè)O(shè)計(jì)的控制律，還具有增加飛機(jī)舒適體驗(yàn)的功能。“比如飛機(jī)轉(zhuǎn)彎時(shí)，控制系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)調(diào)節(jié)航向和坡度，實(shí)現(xiàn)協(xié)調(diào)轉(zhuǎn)彎，機(jī)內(nèi)的乘客就不會(huì)有被甩出去的不適感?！?/p>

減重減阻也是控制律帶來的一大好處。通過提高飛機(jī)尾翼的工作效率，可以減少這些部位的尺寸，降低飛機(jī)重量。“飛機(jī)平尾的作用是實(shí)現(xiàn)飛機(jī)縱向平衡，先進(jìn)的電傳飛行控制系統(tǒng)可以提升平尾的工作效率，由于效率提高，用較小的平尾就能實(shí)現(xiàn)既定的功能，飛機(jī)可以更經(jīng)濟(jì)、更環(huán)保?！?/p>

初步評(píng)審

C919飛機(jī)控制律有三個(gè)層級(jí)，正常模式控制律、輔助模式控制律、直接模式控制律，與飛控系統(tǒng)的三個(gè)工作模式一一對(duì)應(yīng)。

飛機(jī)在正常情況下，使用的是正常模式控制律，它是最智能的模式，飛機(jī)可以通過控制律自動(dòng)調(diào)節(jié)舵面。當(dāng)飛機(jī)某些系統(tǒng)非正常運(yùn)作時(shí)，就要切換到輔助模式，此時(shí)很多操縱動(dòng)作需要飛行員手動(dòng)完成。而直接模式是最后一道防線，一般是飛機(jī)出現(xiàn)故障后使用的模式，提供保證飛行安全的最基本的操穩(wěn)性能。

由于正常模式控制律下，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)配平，容易掩蓋飛機(jī)的缺陷，不利于設(shè)計(jì)驗(yàn)證，所以在飛機(jī)設(shè)計(jì)階段，攻關(guān)隊(duì)首先需要攻克的是直接模式控制律。

為早日看到成果，攻關(guān)隊(duì)決定“百日攻堅(jiān)”。

“那時(shí)，大家加班至九十點(diǎn)鐘再正常不過，晚飯時(shí)，為了節(jié)省走到餐廳和餐廳排隊(duì)的一點(diǎn)點(diǎn)時(shí)間，很多人吃泡面湊合。為了C919，大家真的付出了許多，有人推遲了結(jié)婚計(jì)劃，有人推遲了生育計(jì)劃。有孩子的也幾乎見不了面，因?yàn)橥砩匣丶視r(shí)孩子已經(jīng)睡下，一早上班時(shí)孩子還沒醒。”余圣暉說。

而在飛控系統(tǒng)的供應(yīng)商霍尼韋爾處，他們得不到任何實(shí)質(zhì)幫助。據(jù)媒體報(bào)道，研發(fā)過程中，霍尼韋爾只負(fù)責(zé)將中國商飛設(shè)計(jì)好的算法與方案進(jìn)行功能的實(shí)現(xiàn)。每次，對(duì)程序設(shè)計(jì)是否合適，霍尼韋爾公司只回答 YES或NO，故障原因則需要中國商飛自己進(jìn)行定位與更改。

一分耕耘一分收獲。終于到了直接控制律的初步設(shè)計(jì)評(píng)審（PDR）時(shí)刻。

2012年末，上飛院綜合試驗(yàn)樓218會(huì)議室里，C919直接控制律初步設(shè)計(jì)評(píng)審（PDR）正在緊張進(jìn)行：

“這個(gè)傳遞函數(shù)需要更新，我們周五討論更新結(jié)果?！?/p>

“不用等到周五，明天一早我們就能弄好?！?/p>

“可以。這個(gè)詞應(yīng)該寫全稱，你們更新一下。”

……

作為C919飛控系統(tǒng)供應(yīng)商，霍尼韋爾公司對(duì)評(píng)審的要求不可謂不嚴(yán)苛?！讹w控系統(tǒng)技術(shù)規(guī)范》（STS）里的用語精確到每一個(gè)標(biāo)點(diǎn)。

“好了，沒有項(xiàng)目需要更新，我們可以退出初步設(shè)計(jì)評(píng)審（PDR）了?！?/p>

當(dāng)霍尼韋爾工作人員評(píng)估完成《飛控系統(tǒng)技術(shù)規(guī)范》里最后一項(xiàng)，宣告直接控制律的初步設(shè)計(jì)評(píng)審順利通過時(shí)，攻關(guān)隊(duì)每個(gè)人都長舒了一口氣，近半年來的努力終于有了階段性成果，大家臉上樂開了花。

作為世界知名的飛控系統(tǒng)供應(yīng)商，霍尼韋爾在飛控系統(tǒng)上的研發(fā)實(shí)力非常強(qiáng)大。評(píng)審中，霍尼韋爾表示：攻關(guān)隊(duì)對(duì)直接控制律功能定義“完整、嚴(yán)謹(jǐn)、準(zhǔn)確”，直接控制律工程模擬器飛行員評(píng)估試驗(yàn)結(jié)果“真實(shí)、可信”。

攻堅(jiān)

直接控制律PDR通過，給攻關(guān)隊(duì)的激勵(lì)無疑是巨大的。但大家來不及慶賀，轉(zhuǎn)身又投入到下一個(gè)攻堅(jiān)戰(zhàn)——首飛控制律PDR。

顧名思義，首飛控制律是指滿足首飛需求的控制律設(shè)計(jì)。由于控制律會(huì)對(duì)飛機(jī)自身性能進(jìn)行修復(fù)，如果在首飛時(shí)使用正?？刂坡?，有可能掩蓋飛機(jī)系統(tǒng)存在的問題。因此，首飛控制律實(shí)際上包括對(duì)直接控制律的優(yōu)化迭代和輔助控制律設(shè)計(jì)。

攻關(guān)隊(duì)于是在直接模式控制律的基礎(chǔ)上新增加了增益調(diào)參、失速告警、副翼配平等功能，使得飛控系統(tǒng)能夠滿足首飛及初始試飛階段所必需的操穩(wěn)性能。

要實(shí)現(xiàn)副翼配平功能并非易事。飛機(jī)在制造時(shí)，可能產(chǎn)生公差，公差有可能讓飛機(jī)左右兩個(gè)機(jī)翼不完全對(duì)稱，導(dǎo)致左右機(jī)翼升力不對(duì)稱，從而產(chǎn)生滾轉(zhuǎn)，這時(shí)就需要副翼來進(jìn)行調(diào)整，使左右機(jī)翼達(dá)到完全平衡。在輔助模式控制律下，飛行員需要手動(dòng)進(jìn)行副翼配平，而在正常模式控制律下，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)配平。在參考相關(guān)資料和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，了解飛行員手動(dòng)配平的細(xì)節(jié)后，攻關(guān)隊(duì)最終成功“找到了路”。

除了副翼配平功能，首飛控制律還增加了增益隨空速調(diào)參、失速告警等功能。

直接模式控制律承擔(dān)系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí)的控制任務(wù)，僅設(shè)計(jì)高速、低速兩套固定增益，保證最低飛行安全。而在首飛控制律模式下，飛行員操縱側(cè)桿引起舵面的轉(zhuǎn)動(dòng)是一個(gè)復(fù)雜的邏輯算法，它綜合考慮飛行高度速度、襟縫翼位置、重量重心等許多因素，這就要對(duì)增益進(jìn)行迭代設(shè)計(jì)。

“最難的就是增益參數(shù)的確定，當(dāng)中涉及幾十個(gè)參數(shù)，對(duì)每個(gè)參數(shù)都要經(jīng)過先桌面線性設(shè)計(jì)與分析，然后非線性分析，再進(jìn)行工模試驗(yàn)，最后又返回桌面修改的過程，每個(gè)參數(shù)之間相互不是獨(dú)立的，一個(gè)參數(shù)的改變往往會(huì)帶動(dòng)其他參數(shù)的變化，因此增益參數(shù)的確定大都要來回迭代幾十次，有的甚至上百次。”歐陽一方表示。

失速告警閾值的確定也是一個(gè)大難題。對(duì)于飛機(jī)而言，進(jìn)入失速狀態(tài)無疑是災(zāi)難性的，因此，飛機(jī)必須具備失速告警功能。但是在什么情況下告警呢？提早告警是最安全保險(xiǎn)的法子，但會(huì)損失飛機(jī)部分性能，比如沒達(dá)到最大迎角就提早告警，飛機(jī)的可用升力會(huì)減小，從而降低飛機(jī)的設(shè)計(jì)載重，對(duì)其他一些性能指標(biāo)也會(huì)產(chǎn)生影響。如何找的合適的閾值？攻關(guān)隊(duì)員們參考大量相關(guān)資料和行業(yè)規(guī)范，仔細(xì)研究適航規(guī)章要求，綜合聽取航空老前輩的意見，又經(jīng)過反復(fù)試算、反復(fù)修改，最終確定了如今的閾值，而這個(gè)值，在后續(xù)的設(shè)計(jì)過程中還有可能繼續(xù)優(yōu)化。

“一山放過一山攔”

“一山放過一山攔”，在攻關(guān)的路上，大家就這樣“打下了一個(gè)山頭，又開始了另一座山頭”。

目前，中國商飛在飛行控制律設(shè)計(jì)方面已實(shí)現(xiàn)幾大突破：直接控制律和輔助控制律都已通過關(guān)鍵設(shè)計(jì)評(píng)審（CDR），正?？刂坡梢餐ㄟ^PDR。不僅可以支持首飛的需求，還能支持后續(xù)一定階段的試飛工作。

3年攻關(guān)下來，攻關(guān)隊(duì)完成了《飛控系統(tǒng)技術(shù)規(guī)范》（STS），“這是控制律的設(shè)計(jì)要求，有4100多項(xiàng)需求，1000多頁文件。要交給供應(yīng)商以編寫代碼”，完成了總體建模、控制律建模、現(xiàn)象仿真建模等諸多工作。

攻關(guān)隊(duì)也得到了極大的鍛煉?！拔覀児リP(guān)隊(duì)隊(duì)員大都是剛從學(xué)校畢業(yè)的80后90后，在隊(duì)里可以與各相關(guān)各專業(yè)充分交流，成長很快。飛控系統(tǒng)供應(yīng)商的成熟，也有利于大家眼界的開闊。聯(lián)合公關(guān)還教大家明白了一點(diǎn)，一個(gè)團(tuán)隊(duì)里，一兩個(gè)人強(qiáng)沒有用，要大家都強(qiáng)，形成合力才能成事?！睔W陽一方說。

而相關(guān)設(shè)計(jì)研發(fā)工作還將繼續(xù)。因?yàn)榭刂坡墒且豁?xiàng)周期漫長的工作，貫穿整個(gè)型號(hào)周期。不僅設(shè)計(jì)階段要攻克許多難關(guān)，就是進(jìn)入試飛階段，還要根據(jù)試飛中反映出來的問題，對(duì)控制律進(jìn)行優(yōu)化更改，這樣的更改工作要持續(xù)到飛機(jī)構(gòu)型凍結(jié)。

“C919的控制律設(shè)計(jì)是國內(nèi)第一次在民機(jī)上應(yīng)用控制增穩(wěn)和包線保護(hù)，可以說填補(bǔ)了國內(nèi)民機(jī)空白，將來我們希望能夠?qū)崿F(xiàn)諸如陣風(fēng)減緩等更多復(fù)雜的功能，令我們的飛機(jī)更加先進(jìn)、更加舒適?！?/p>

聽上去，還有無數(shù)山頭要攻克。但在攻關(guān)隊(duì)隊(duì)員臉上，你看不到絲毫畏懼與退縮，你能看到的，更多是信心和激情?！?年攻關(guān)下來，大家已由原來的不太懂到比較知道，并深深愛上了自己所做的。大家的能量已被激發(fā)出來。”黎先平強(qiáng)調(diào)。

一份事業(yè)，當(dāng)有了足夠的信心和激情，沒有什么高峰是征服不了的。