國內(nèi)光傳操縱系統(tǒng)在飛控系統(tǒng)中應(yīng)用研究

楊濤 何志國

摘? 要：隨著電傳操縱技術(shù)的日趨與廣泛應(yīng)用，在科學(xué)技術(shù)快速發(fā)展的背景下，對(duì)操縱系統(tǒng)進(jìn)行創(chuàng)新研究至關(guān)重要。與電傳控制系統(tǒng)相比，光傳控制系統(tǒng)具有抗電磁干擾特性，并且傳輸容量相對(duì)較大，體積小，重量也相對(duì)較輕，是未來飛行控制技術(shù)發(fā)展的重要趨勢(shì)。在實(shí)際研究中需要從操縱系統(tǒng)的發(fā)展情況出發(fā)，在掌握光傳操縱系統(tǒng)的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)的同時(shí)，對(duì)光傳操縱系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)技術(shù)進(jìn)行充分把握，并根據(jù)國內(nèi)當(dāng)前光傳操縱系統(tǒng)的具體研究現(xiàn)狀，分析相關(guān)設(shè)計(jì)技術(shù)，確保光傳操縱系統(tǒng)能夠滿足現(xiàn)實(shí)需求，逐步發(fā)展成熟。

關(guān)鍵詞：光傳操縱系統(tǒng)? 抗電磁干擾? 技術(shù)分析? 應(yīng)用實(shí)踐

中圖分類號(hào)：V224 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-098X（2021）07（b）-0001-03

Application of Fly-by-Light Control System

in Aircraft Control System

YANG Tao? HE Zhiguo

（Design and Research Institute of Shaanxi Aircraft Industry Co.， Ltd.，? Hanzhong， Shaanxi Province，

723000 China）

Abstract： With the increasing and wide application of fly by wire control technology， it is very important to innovate the control system under the background of the rapid development of science and technology. Compared with the fly by wire control system， the optical transmission control system has the characteristics of anti -electromagnetic interference， relatively large transmission capacity， small volume and relatively light weight. It is an important trend in the development of flight control technology in the future. In the actual research， we need to start from the development of the control system， grasp the application advantages of the optical control system， fully grasp the implementation technology of the optical control system， and analyze its design technology according to the specific research status of the domestic optical control system， so as to ensure that the optical control system can meet the practical needs and gradually develop and mature.

Key Words： Fly-by-light control system; Anti-electromagnetic interference; Technical analysis; Application practice

目前，大多數(shù)飛機(jī)使用的是電傳操縱技術(shù)。在電傳操縱系統(tǒng)中，飛機(jī)的控制信號(hào)是通過電纜發(fā)送的，因?yàn)橛邢薜膸挄?huì)影響高數(shù)據(jù)速率的傳輸，電纜的傳輸速率在數(shù)字系統(tǒng)中具有明顯的局限性;以及在復(fù)雜電磁環(huán)境和強(qiáng)電磁脈沖環(huán)境中，抗干擾能力弱。光纖被認(rèn)為是解決這些限制的替代方案。光傳操縱系統(tǒng)用光纖，消除了操縱信號(hào)受到電磁干擾的可能性，并大為減輕操縱系統(tǒng)的重量[1]。

為了提高操縱系統(tǒng)的應(yīng)用效果，保證飛機(jī)能夠安全穩(wěn)定飛行，需要使飛機(jī)舵面作動(dòng)器能夠有順利接收操縱運(yùn)動(dòng)指令。在飛行開始與飛行過程中，可以將命令下放傳輸，經(jīng)過機(jī)器運(yùn)算與推進(jìn)，從而獲取正確的指令。在飛機(jī)飛行時(shí)，機(jī)動(dòng)升降舵、方向舵都是比較重要的環(huán)節(jié)。在運(yùn)行過程中，會(huì)對(duì)飛機(jī)的速度和方向產(chǎn)生直接影響[2]。光傳操縱系統(tǒng)是未來飛行控制技術(shù)的重要發(fā)展方向[3]，對(duì)于未來的飛機(jī)，光傳操縱系統(tǒng)可謂是能夠決定其“生死”的技術(shù)。目前，日本已在第6代戰(zhàn)機(jī)的研究中采取光傳操縱技術(shù)，如P-1巡邏機(jī)上成功使用了光傳操縱系統(tǒng)。國內(nèi)光傳操縱系統(tǒng)尚無成功的工程應(yīng)用，而操縱系統(tǒng)本身的復(fù)雜程度比較高，在整個(gè)系統(tǒng)研究過程中，需要對(duì)先進(jìn)技術(shù)進(jìn)行充分應(yīng)用。

1? 光傳操縱系統(tǒng)概述

1.1 光傳操縱系統(tǒng)優(yōu)點(diǎn)

光傳操縱系統(tǒng)是指對(duì)飛機(jī)的副翼、升降舵和方向舵等舵面進(jìn)行控制時(shí)，以光纖作為信號(hào)傳輸媒介的系統(tǒng)。該系統(tǒng)將光作為信號(hào)進(jìn)行傳輸?shù)牟倏v系統(tǒng)，利用光纖作為傳輸介質(zhì)，在實(shí)際應(yīng)用過程中具有明顯的優(yōu)勢(shì)。第一，能夠防御電磁干擾與因雷電或者閃電產(chǎn)生的電磁沖擊。該系統(tǒng)特別是對(duì)核爆炸等產(chǎn)生的電磁脈沖具有較強(qiáng)的抗干擾性，這代表在光纖信號(hào)傳輸過程中，即使是在強(qiáng)電磁干擾環(huán)境以及電磁沖擊的條件下，光纖仍然可以準(zhǔn)確無誤地完成數(shù)據(jù)傳輸，這是光纖信號(hào)在操縱系統(tǒng)中進(jìn)行應(yīng)用的最主要原因。第二，光纖頻帶寬容量相對(duì)較大，能夠大大提升信號(hào)傳輸速率，并且在實(shí)際應(yīng)用中可以利用時(shí)分復(fù)用或者波分復(fù)用技術(shù)開展多路傳輸，能夠降低傳輸通道所占用的空間，從而減小操縱系統(tǒng)的體積。第三，光纖一般是由Sio2晶體組成的，纖芯比較細(xì)，能夠減輕整個(gè)控制系統(tǒng)的重量。例如，1km長的8芯光纖重量為60kg，而1km長的8芯銅纜重量達(dá)到4.8t。第四，光纖作為介質(zhì)材料不會(huì)向外發(fā)出輻射能量，因此不存在金屬導(dǎo)線自有的地環(huán)流與因?yàn)榈丨h(huán)流產(chǎn)生的瞬間擾動(dòng)等情況[4]。

1.2? 光傳操縱系統(tǒng)的研究現(xiàn)狀

現(xiàn)階段，我國部分高校與研究機(jī)構(gòu)對(duì)光傳飛行控制技術(shù)的研究相對(duì)較晚，尤其是與國外光傳操縱系統(tǒng)的研究現(xiàn)狀相比。我國在對(duì)光傳操縱系統(tǒng)進(jìn)行研究的過程中還存在明顯的差距，主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面。第一，國外對(duì)光傳飛行控制技術(shù)的研究已經(jīng)有計(jì)劃、系統(tǒng)性地開展了較長時(shí)間，但是我國并沒有國家或者部級(jí)重大專項(xiàng)支持該技術(shù)研究，相關(guān)的研究機(jī)構(gòu)和高校仍然是以各自研究為主，并沒有統(tǒng)一的部署和規(guī)劃。第二，其他國家對(duì)于光傳操縱系統(tǒng)進(jìn)行研究的過程中，已經(jīng)專門開發(fā)了光學(xué)傳感器、光纖傳輸系統(tǒng)與光學(xué)作動(dòng)器等關(guān)鍵設(shè)備，原創(chuàng)性相對(duì)突出，并且對(duì)光傳操縱系統(tǒng)在民用領(lǐng)域的應(yīng)用也開始進(jìn)行研究。我國該方面的相關(guān)研究仍然處于技術(shù)跟蹤的階段，并沒有突出的原創(chuàng)性研究成果。第三，一些歐美國家從20世紀(jì)70年代就開始進(jìn)行光傳飛行控制技術(shù)研究工作，起步相對(duì)較早，并且已經(jīng)開展了多項(xiàng)研究計(jì)劃，進(jìn)行了應(yīng)用驗(yàn)證。我國的相關(guān)研究從20世紀(jì)90年代才開始進(jìn)行，起步相對(duì)較晚，并且現(xiàn)階段在光傳飛行控制技術(shù)研究過程中，仍然處于理論探索與地面半物理仿真實(shí)驗(yàn)的階段[5]。

2? 光傳操縱系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)技術(shù)

2.1? 光計(jì)算機(jī)

光計(jì)算機(jī)是將光子作為主要信息載體的，在實(shí)際運(yùn)行過程中光學(xué)系統(tǒng)是其主體，可以開展光運(yùn)算。其具體的工作原理與數(shù)字計(jì)算機(jī)有一定的相似度，但是光計(jì)算機(jī)在運(yùn)行中將光子代替電子進(jìn)行應(yīng)用，直接利用光纖代替導(dǎo)線進(jìn)行連接。光計(jì)算機(jī)的主要特點(diǎn)是超高速運(yùn)行、強(qiáng)抗干擾性能、寬頻帶及超并行性等，應(yīng)用價(jià)值較高，在航空航天、軍事等領(lǐng)域具有突出的應(yīng)用價(jià)值。

2.2? 光傳感器

光傳感器主要包括光驅(qū)動(dòng)傳輸?shù)奈灰苽鞲衅?、壓力傳感器、溫度傳感器及速度傳感器等，這些光傳感器是確保光傳操作系統(tǒng)能夠順利運(yùn)行的重要基礎(chǔ)。現(xiàn)階段，光傳感器在研發(fā)過程中，還有激光陀螺傳感器、光纖陀螺傳感器及線性位移傳感器等，為光傳操縱系統(tǒng)的研發(fā)和創(chuàng)新奠定了基礎(chǔ)。

2.3? 光作動(dòng)器

在未來的光傳操縱系統(tǒng)應(yīng)用過程中，需要利用激光舵機(jī)，也就是需要使用光信號(hào)對(duì)輸出大功率的機(jī)械裝置進(jìn)行控制?，F(xiàn)階段，小功率光化學(xué)反應(yīng)舵機(jī)已經(jīng)被成功研發(fā)，在具體運(yùn)行中需要利用光的明滅反應(yīng)分解化學(xué)物質(zhì)或者合成化學(xué)物質(zhì)，從而產(chǎn)生壓力差，實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)械機(jī)構(gòu)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)的目的。雖然光作動(dòng)器的研發(fā)還處于試驗(yàn)應(yīng)用階段，但這是促進(jìn)光動(dòng)舵機(jī)完善發(fā)展的重要基礎(chǔ)，也是實(shí)現(xiàn)光傳操縱系統(tǒng)高效應(yīng)用的關(guān)鍵技術(shù)之一。

2.4? 光電與電光轉(zhuǎn)換裝置

光電轉(zhuǎn)換裝置主要是將光信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)。現(xiàn)階段在光纖通信系統(tǒng)中使用的光電檢測(cè)器是以6PIN二極管和雪崩光二極管為主。其中PIN管的使用過程比較簡單，偏壓相對(duì)較低，一般為10～20V，并且也不需要利用偏壓對(duì)電路進(jìn)行控制。但是因?yàn)镻IN管內(nèi)部不存在電流放大作用，在PIN管應(yīng)用過程中，光接收機(jī)的靈敏度相對(duì)較低。雪崩光電二極管內(nèi)部具有10～200倍的內(nèi)部電流倍增作用，可以有效改善信噪比。因此，現(xiàn)階段PIN光電二極管的應(yīng)用更加廣泛。

電光轉(zhuǎn)換裝置主要是將電信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)楣庑盘?hào)?，F(xiàn)階段，在光傳操縱系統(tǒng)中使用的電光轉(zhuǎn)換器主要包括半導(dǎo)體激光器與半導(dǎo)體發(fā)光二極管兩種。因?yàn)榘雽?dǎo)體激光器為閾值器件，如果環(huán)境溫度變化比較大或者使用的時(shí)間比較長，激光器的閾值與電流都會(huì)增加，為了穩(wěn)定輸出光功率，在對(duì)半導(dǎo)體激光器進(jìn)行選擇時(shí)，需要利用自動(dòng)功率控制電路與自動(dòng)溫度控制電路。發(fā)光二極管為非閾值器件，將半導(dǎo)體發(fā)光二極管作為光源時(shí)，可以節(jié)省自動(dòng)功率控制電路與自動(dòng)溫度控制電路。航空系統(tǒng)的整個(gè)工作環(huán)境相對(duì)惡劣，溫度變化幅度比較大，在這種情況下將半導(dǎo)體發(fā)光二極管作為電光轉(zhuǎn)換裝置的光源，其使用過程更加簡單，可靠性也相對(duì)較高，能夠適應(yīng)航空系統(tǒng)的運(yùn)行環(huán)境[6]。

3? 光傳操縱系統(tǒng)的發(fā)展與突破

3.1? 降低損耗，保證信息傳輸?shù)臏?zhǔn)確度

在光傳操縱系統(tǒng)研發(fā)之初，是利用光纖代替電線開展系統(tǒng)運(yùn)行與控制工作的。這種技術(shù)雖然具有一定的進(jìn)步性，但是其實(shí)現(xiàn)難度相對(duì)較大。在電纜運(yùn)用過程中存在較大弊端，特別是電纜實(shí)際應(yīng)用中的物力及人力投資都相對(duì)較大，因?yàn)樾Ч患?，很容易出現(xiàn)信號(hào)中斷問題，這是促進(jìn)光傳操縱系統(tǒng)創(chuàng)新研發(fā)的重要原因。在光傳操縱系統(tǒng)應(yīng)用過程中，光傳感器至關(guān)重要，只有對(duì)光傳感器進(jìn)行快速處理，才能夠保證光傳操縱系統(tǒng)的穩(wěn)定性，從而降低光傳操縱系統(tǒng)在運(yùn)行過程中的損耗，保證信息的傳輸能夠準(zhǔn)確、及時(shí)[7]。

3.2? 加強(qiáng)故障隔離技術(shù)研發(fā)

為了保證光傳操縱系統(tǒng)的安全性，降低其在運(yùn)行過程中的危險(xiǎn)，要保證光傳操縱系統(tǒng)處于低溫工作狀態(tài)，防止火災(zāi)。一方面，材料技術(shù)可以提高系統(tǒng)設(shè)備的耐高溫性能，保證能夠有效預(yù)防高溫爆炸等各種問題，提升整個(gè)系統(tǒng)的故障隔離效果;另一方面，其他故障隔離技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用使光傳操縱系統(tǒng)可以及時(shí)隔離故障。因此，可以保證整個(gè)控制系統(tǒng)穩(wěn)定正常運(yùn)行，不會(huì)對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行產(chǎn)生負(fù)面影響，即使是系統(tǒng)上出現(xiàn)故障或者錯(cuò)誤情況，也能夠在最大程度上保障系統(tǒng)的運(yùn)行穩(wěn)定性[8]。

3.3? 加快光傳操縱系統(tǒng)工程應(yīng)用

在電傳操縱系統(tǒng)應(yīng)用的初期，機(jī)械操縱作為備份系統(tǒng)，如美國第一型采用電傳操縱系統(tǒng)的C17軍用運(yùn)輸機(jī)就在電傳操縱系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，對(duì)主要舵面的控制進(jìn)行了機(jī)械操縱備份;隨著技術(shù)的成熟，機(jī)械備份模式逐漸被電備份取代，如波音公司在后續(xù)研制的飛機(jī)B787、空客公司研制的飛機(jī)A380，以及歐盟研制的A400M飛機(jī)都取消了機(jī)械備份，采用了“純”電傳操縱系統(tǒng)飛機(jī)。國內(nèi)電傳操縱系統(tǒng)已在多型飛機(jī)上成功應(yīng)用，為加快光傳操縱系統(tǒng)的應(yīng)用，可借鑒電傳操縱系統(tǒng)發(fā)展經(jīng)驗(yàn)[9]。

4? 結(jié)語

總而言之，在各種先進(jìn)技術(shù)不斷研發(fā)和應(yīng)用的過程中，加強(qiáng)光傳操縱技術(shù)的研發(fā)至關(guān)重要。同時(shí)要將計(jì)算機(jī)技術(shù)、信息化技術(shù)及傳感器技術(shù)等與光傳操縱系統(tǒng)進(jìn)行有效結(jié)合。這樣才能夠提升光傳操縱系統(tǒng)的發(fā)展水平。除此之外，為了加快光傳操縱系統(tǒng)在國內(nèi)飛機(jī)的快速應(yīng)用，首先需要建立機(jī)械、光學(xué)、電學(xué)、液壓的聯(lián)合模型對(duì)光傳操縱系統(tǒng)進(jìn)行機(jī)光電液聯(lián)合仿真分析，進(jìn)行設(shè)計(jì)優(yōu)化，提高光傳操縱系統(tǒng)的可靠性及穩(wěn)定性;其次借鑒電傳操縱系統(tǒng)發(fā)展經(jīng)驗(yàn)，逐步發(fā)展光傳操縱系統(tǒng)。

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