飞机综合应急仪表系统设计

章拔邦 郭星灿 张宏志

(中航通飞研究院有限公司 广东 珠海 519040)

飞机综合应急仪表系统设计

章拔邦 郭星灿 张宏志

(中航通飞研究院有限公司 广东 珠海 519040)

综合应急仪表综合地平仪、空速表、高度表的功能，信息显示丰富直观、易于识别，占用空间小，能实现玻璃化座舱设计，在大中型民航飞机和公务机上获得普遍应用。本文论述飞机综合应急仪表系统的设计、综合应急仪表的构成和特点、综合应急仪表系统的基本组成和在主要机型上的设计方案。

综合应急仪表；姿态；空速；高度；磁罗盘；备份

为保障飞行安全，多数类型的飞机（包括旋翼机）都要求安装一套与机上其他系统和设备相对独立的应急备份仪表系统。当机上大气数据系统、惯性导航系统、航向姿态系统、电子飞行仪表系统等部分或全部失效，导致机上主要的飞行仪表显示失效时，应急备份仪表系统能为驾驶员提供一组对飞行安全必不可少的包括航向、姿态、空速、高度等参数的信息显示，让驾驶员驾驶飞机尽快安全着陆。目前，应急备份仪表系统已经从传统的分离式机械或机电仪表系统发展为高度综合化数字化的综合应急仪表系统。本文论述了飞机综合应急仪表系统的设计需求、主要方案和设计方法。

1.系统设计需求

航向、姿态、空速、高度等参数是飞机最基本的飞行参数，当飞机（特别是按仪表飞行规则飞行的飞机）各种主要的仪表显示失效，处于应急状态时，若飞机仍能为驾驶员提供一组备用的仪表显示的航向、姿态、空速、高度等参数信息，驾驶员可以依靠这组基本飞行参数尽快安全着陆。应急备份仪表系统与机上其他系统和设备相对独立，且使用自动仪表进行信息指示，能在机上主要的仪表系统发生任何单个故障或故障组合后，无需增加机组成员的动作，提供一组由仪表提供的对飞行安全必不可少的，包括航向、姿态、空速、高度等参数的信息显示。因此，为了让驾驶员在应急状态下能驾驶飞机尽快安全着陆，保障飞行安全，中国民用航空规章对应急备份仪表系统需求做出了明确规定。

2.系统基本组成

传统的应急备份仪表系统包括磁罗盘、地平仪、空速表和高度表四个分离式的机械或机电仪表，以及一个空速管（或者全压受感器和静压受感器）和相应的全静压管路，整个系统简单成熟经济，在轻小型飞机上仍广泛使用，如海鸥300、小鹰500、SR22等飞机。但四个传统仪表不仅重量大，包含膜盒和陀螺等运动部件，可靠性低故障多，而且占用仪表板空间大，无法满足现代飞机减重、高可靠性和玻璃化座舱设计要求。因此，在快速发展的微电子技术、微型传感器技术和显示技术的推动下，欧美航空强国率先研制出采用液晶显示器显示的综合了地平仪、空速表和高度表三个仪表功能的数字化综合应急仪表，使传统应急备份仪表系统演变为满足玻璃化座舱设计要求的综合应急仪表系统，如下图1所示。

图1 三合一的综合应急仪表

综合应急仪表的结构紧凑，表盘面积与地平仪相当；没有膜盒和陀螺等运动部件，可靠性高，抗振动性好，能适应一定倾斜角度的安装；重量比地平仪、空速表、高度表的总重量轻。因此，综合应急仪表迅速取代地平仪、空速表和高度表，广泛运用于大中型飞机上，如A380、B787等大中型民航飞机和湾流G650、挑战者650等大中型公务机。在新近研制的高端的小型飞机和直升机上，综合应急仪表也开始获得广泛应用，如西瑞SF-50、贝尔429、阿古斯塔AW139等高端机型。

3.综合应急仪表

综合应急仪表内置大气数据测量模块和姿态测量模块，运用微处理器进行数据解算和处理，通过液晶显示器实现信息显示，主要功能是提供姿态（横滚角、俯仰角）、空速（指示空速或校正空速、最大使用空速提示）、气压高度显示，并具备场压装订、姿态校准、亮度调节及昼夜切换、自检与故障诊断功能。根据需要，综合应急仪表还可以显示真空速、马赫数、升降速度、公制空速、公制高度、侧滑指示等信息，同时还具备丰富的总线和离散接口，可与外部的数据记录器、控制盒等设备交联。部分厂家的综合应急仪表能与外部的捷联磁传感器或机上惯性导航系统、航向姿态系统、GPS定位系统、VOR/ADF/ILS导航系统等交联，显示接收的航向信息和位置、地速、VOR/ADF导航、ILS着陆指示等导航信息，并可通过内置构型数据模块存储各种构型选项的方式获得良好的构型设置能力，使用户能通过软件进行构型设置更改显示内容，实现同一型号仪表适用于不同的机型。

综合应急仪表的主要结构组成如下图2所示，主要包含大气数据测量模块、姿态测量模块、信号处理模块、图形处理模块、液晶显示模块、电源模块、转接板、底板和导光板等。

大气数据测量模块采用硅压阻传感器代替空速表的开口膜盒和高度表的真空膜盒，将全静压管路采集的全压和静压压力信号转换为数字信号，输出给数据处理模块。硅压阻传感器的全静压测量精度优于0.03％FS，长期稳定性优于0.02％FS/年，耐压能力可达数百兆帕，过压保护能力强，具有体积小、重量轻、精度高、抗振性能良好等特点。

姿态测量模块采用高精度的微机电姿态传感器代替地平仪中的机械式垂直陀螺，可测量飞机的俯仰角、横滚角和加速度信息，输出给数据处理模块。姿态模块包含微机电陀螺和加速度计，陀螺精度可达1°/小时，加速度计精度可达100μg，俯仰角和横滚角动态精度可达±3°（2σ），具有体积小、重量轻、精度高等特点，没有运动部件，可靠性高。

图2 综合应急仪表结构组成

数据处理模块包括信号处理模块和图形处理模块。信号处理模块负责仪表内各模块以及外部交联设备的通信，通过数字信号处理器对大气数据测量模块、姿态测量模块和外部交联设备传来的各种数字和离散信号进行处理，将处理后的数据传递给图形处理模块或外部交联设备。图形处理模块通过图形芯片对接收的数据进行运算处理，生成绘图指令，将绘图指令转换为RGBW四色信号及显示控制信号发送至液晶显示器显示，并及时响应仪表面板的各种控制信号。

液晶显示模块用于显示图形处理模块传来的RGBW四色信号和显示控制信号，采用机载多功能液晶显示器（AMLCD）代替传统仪表的指针式和机电式指示方式，性能稳定可靠，且具有与飞行显示器相似的图形显示，增大了显示数据信息量，直观丰富易于识别，视觉感观性好。部分综合应急仪表的液晶显示模块还包含环境光线传感器，可以根据飞机驾驶舱内的环境光线自动调整显示器的亮度。

电源模块由DC/DC模块、电压转换器、前端稳压模块、滤波器、高容量钽电容、TVS管等构成，对外部输入的28VDC电源进行滤波、稳压、变换，为仪表内部各模块提供所需的24V、±15V、5V、3.3V等直流电源。

4.主要机型的系统方案

综合应急仪表系统已广泛应用于大中型民航飞机和公务机上，在高端的小型飞机和直升机上也开始推广使用。早期的A320、B737和B777采用传统备份仪表系统，后期改进版则采用综合应急仪表系统。国内的新舟60使用传统备份仪表系统，但新舟600、ARJ21-700和C919上已采用综合应急仪表系统。大中型公务机为了吸引大众客户，普遍采用综合应急仪表系统。

综合应急仪表系统的主流设计方案是配置1块磁罗盘、1块综合应急仪表、1个全压受感器和1对静压受感器，并可与惯性导航系统、航向姿态系统、GPS系统、ILS系统等交联，提供航向、GPS数据、ILS着陆信息的备份显示。但在A380和A350XWB飞机上配备了2块综合应急仪表，互为备份，分别备份飞行数据和备份导航数据。另外，奖状XLS+、湾流G650、环球6000等公务机以及Y8F600采用了更为激进的综合应急仪表系统设计方案，已经不再配置独立的磁罗盘，而采用其他技术方法实现磁航向的备份显示，且湾流G650等机型还使用了大屏幕的综合应急仪表。

传感器配置方面，综合应急仪表系统只配置全静压测量传感器，不配置总温传感器、迎角传感器和侧滑角传感器，因为总温、迎角、侧滑角传感器不是综合应急仪表系统所必须的。总温传感器测量的总温虽然能提高的空速和高度信息的精度，但当飞机必须依靠综合应急仪表系统飞行时，这已经不重要；迎角和侧滑角不是民航规章所要求的对飞行安全必不可少的信息，综合应急仪表系统不需要提供迎角和侧滑角的备份显示。

综合应急仪表不是机上最有效地指示姿态、空速、高度、航向的仪表，因此不必安装在驾驶员向前视线所在的垂直平面附近、仪表板上部中心位置处，但应尽可能地安装在最有效的姿态指示仪表的附近，使驾驶员尽可能少地偏移正常姿势和视线即可看清仪表，且综合应急仪表显示的信息应按中间姿态、左边空速、右边高度、下边航向的T字组合要求排列。综合应急仪表的安装位置有三种，最主要的一种是安装在主仪表板中线或偏左位置处，夹在大尺寸显示器中间，如A380、B787、C919等；第二种是安装在主仪表板中线附近，大尺寸显示器下边，如A350XWB、湾流G450、湾流G550等；第三种是安装在主仪表板中线附近，大尺寸显示器上边，如Hawker 900XP、飞鸿300。因为目前安装综合应急仪表的飞机几乎都是双驾驶体制，所以上述三种安装位置都在主仪表板中线附近，从而使两个驾驶员都能看清该仪表，但以左驾驶为主。对于安装2块综合应急仪表且并非分别显示备份飞行信息和备份导航信息的飞机，则可将综合应急仪表安装在驾驶员正前方仪表板的上部，如湾流G650、湾流G650ER等。

5.总结

本文论述了民航规章对应急备份仪表系统设计要求、综合应急仪表的构成和特点、主要机型上的系统设计方案，并结合某型机的设计实例讨论了综合应急仪表系统设计中要考虑的相关问题。综合应急仪表系统以其信息显示丰富直观易于识别、占用空间小、能实现玻璃化座舱设计等优点获得普遍应用，必将在国产飞机上得到推广应用，并向更可靠、更综合化和更大尺寸方向发展。

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Comprehensive emergency aircraft instrument system design

ZHANG Ba-bang, GUO Xing-can, ZHANG Hongzhi. China Aviation Industry General Aircraft Co., Ltd. Guangdong Province, Zhuhai 519040, China

Comprehensive emergency instrument synthetically instrument, the function of the airspeed indicator and altimeter, rich information display, intuitive and easy to identify small footprint, can achieve a glass cockpit design, widely used in large and medium-sized passenger aircraft and official on board. This paper discusses the plane comprehensive emergency instrument system design, composition and characteristics of comprehensive emergency instrument, comprehensive emergency instrument system basic composition and design on the main model.

Comprehensive emergency instrument; Attitude; Space velocity. Height; Magnetic compass; The backup

F764.4

A

1009-5624-（2016）03-0021-03