电传操纵运输机操稳适航性问题分析

张曙光, 朱可一

(北京航空航天大学 交通科学与工程学院, 北京 100191)



电传操纵运输机操稳适航性问题分析

张曙光, 朱可一

(北京航空航天大学 交通科学与工程学院, 北京 100191)

电传操纵系统已经成为民用运输类飞机操纵系统的主流。现行适航规章与操稳特性相关的要求主要是基于机械操纵飞机制定的,而电传操纵系统可以设计成与机械操纵不同的操纵性和稳定性,使得适航规章要求与电传操纵飞机之间存在不一致。对波音和空客公司的电传操纵系统操稳设计特征进行了分析,对与适航性密切相关的几个关键问题进行了对比研究,包括主操纵装置型式、响应类型、稳定性特征、大迎角保护、操纵品质评价以及飞行控制律需求捕获与确认等问题,为电传操纵运输机的设计与适航审定提供了借鉴。

适航性; 电传操纵; 稳定性和操纵性

0　引言

自1988年第一款使用数字电传操纵飞行操纵系统的空客A320获得型号合格证以来,波音B777,B787,B747-8,空客A330,A340,A380,A350等民用运输类飞机都采用了电传操纵系统,在飞机性能、操纵品质、制造和维护、家族继承性等多方面获得了提升,增强了市场商业竞争能力。当前,电传操纵系统已经成为新型运输类飞机飞控系统的“范式”。

具有满意的稳定性和操纵性(亦即操纵品质)是电传操纵系统的核心属性,通过总体布局和控制律综合保证。作为高度复杂的飞行安全关键系统,电传飞行操纵系统的开发需要进行全过程的系统安全管理,目前适航建议采纳SAE ARP-4754A的框架[1]。对于操纵品质分析和等级评分,国内外已经积累了大量针对电传操纵军机的基础研究及其方法[2-3],可以供民机借鉴。进一步,美国联邦航空局(FAA)咨询通告AC 25-7C[4]等适航局方指导性文件建议,对于运输类飞机的操稳性审定可以采取操纵品质评价的方法,并已经在型号合格审定中得到应用。

文献[5-6]针对CCAR-25(当前有效版R4[7])与飞行品质相关的条款进行了研究,其中文献[5]探讨了借用军用标准的指标和处理方法提供电传民机设计借鉴以及适航验证的基本考虑;文献[8-9]分析了应用操纵品质等级评定方法(HQRM)分析电传飞机合格审定相关的问题;文献[8]还将HQRM方法与美军标评价标准进行了对比。

本文基于适航性考虑,从对比波音及空客电传飞行控制系统的特征入手,进一步分析了电传飞机操稳性与适航相关的关键问题。

1　侧杆和中央盘操纵问题

操纵装置是驾驶员施加指令的接口,对操纵品质有明显的影响。当前电传操纵民机主操纵装置主流型式是侧杆和中央盘操纵。

侧杆操纵装置有诸多优点,与操纵密切相关的是侧杆布置使驾驶员肘部有支撑,有利于精确操纵,减少了工作负荷。另外,侧杆布置使驾驶员更易观察飞行显示器等仪表。

目前以空客飞机为代表的被动侧杆,不像中央盘操纵装置具有左右驾驶的机械连接,并提供对飞机运动变化的操纵感知,也没有自动驾驶仪模式时操纵盘的随动[10],这样导致被动侧杆操纵装置有明显的不足。例如,因为缺乏自动驾驶仪模式的随动,可能会导致自动与手动操纵切换时过大的瞬态;驾驶员缺乏充分的触觉感知,增加临近飞行包线边界状态时,因信息反馈不足而导致飞行风险;缺乏左右驾驶间的操纵行为感知,增加了因操纵冲突而导致的风险。

因操纵行为缺乏感知而导致的相关典型事故有法航AF447航班事故。飞机巡航时出现皮托管结冰失效,飞控模式降级为异常重构模式,丧失了大迎角保护功能。当右驾驶员拉杆以及减少推力等试图减速时,导致了飞机失速。而左驾驶员不清楚对方的操纵状态,被动侧杆特性使其不能超控右驾驶,飞机没能正确改出失速而坠海[11]。

但是,侧杆的不足并不是不可克服的。例如,空客公司增加了左右驾驶叠加操纵的警告功能,包括视觉、听觉、触觉的方式,BAE等公司还提出主动侧杆可弥补驾驶操纵状态不明的缺陷[12]。

波音公司与之不同,从B777开始仍然采用中央盘操纵装置,现行的25部适航规章的相关条款对其是适用的,不存在因为新颖驾驶特性而制定审定专有条件[13]。

对于侧杆操纵装置,现行25部规章中基于盘式操纵力的条款对其不适用,包括25.143(d),25.145(b),25.175(d)及25.1329等要求。针对这些不适用的条款,合格审定时需要制定针对侧杆的专有条件[14]。当前,依据驾驶员操纵品质等级评定(HQRM)方法是对侧杆操纵符合性的主要判断方法。

2　操纵响应类型

操纵响应类型指飞机对驾驶员操纵(杆或盘)输入的预期响应的状态参数及其响应过程的特性。全权限电传操纵给控制设计带来了足够的自由度,可以实现各种期望的响应类型,但也带来了在不同飞行任务下选择适宜响应类型的问题[15]。

仅当飞控系统因为故障采用降级或者直连控制模式时,从控制实现和保证最低安全考虑,一般接近或者采用常规的响应模式。在飞控系统主要工作的正常模式下,需要从获得满意操纵品质角度进行选择。

空客A320飞机正常模式的响应类型如表1和表2所示[16-17]。其俯仰轴、滚转轴响应类型较为丰富。在起飞爬升阶段俯仰轴为俯仰角速度响应,在进场着陆阶段则更关心姿态的精准性,分别为俯仰角、滚转角响应。

表1　空客A320飞机俯仰响应类型Table1　PitchresponsetypesofAirbusA320

表2　空客A320飞机偏航和滚转响应类型Table2　Roll-yawresponsetypesofAirbusA320

在巡航阶段,俯仰轴采用C*指令模式,不具有速度稳定性,无法满足适航条款25.175所述的杆力-速度特性。另外,滚转轴为滚转角速度响应、偏航轴为侧滑角响应的方式虽然与常规机械操纵的响应较为接近,但是后者并非为严格的滚转角速度和侧滑角响应,二者在细节上依然有些区别。

与空客系列不同,波音电传操纵飞机更多体现了机械操纵飞机的特性。在巡航飞行时,俯仰轴控制提供与机械操纵飞机相一致的操纵感觉,B777飞机采用了所谓C*U响应类型[10]。当空速偏离配平速度时,飞行控制律通过俯仰调整,使速度恢复到配平空速,这样,25.175条所述的杆力-速度特性可以得到保持,即使构型变化了也如此。

在滚转轴和偏航轴,波音电传操纵保持了直接指令副翼和方向舵偏转的基本响应类型,通过反馈增加稳定性和阻尼，这与机械式常规操纵飞机是一致的。

对于空客飞机的俯仰C*响应类型、滚转角速度响应类型,连同下节讨论的稳定性变化一起,需要制定相应的适航专有条件作为审定依据,并在低能量等风险状态给予特别的考虑,以保证飞行安全性。

3　稳定性要求

CCAR-25-R4中关于稳定性的要求有总则、静稳定要求和动稳定性要求[7]。

对于纵向静稳定特性,25.173和25.175条主要按照杆力-速度特性进行判定,对于机械操纵飞机等效于提供“松杆静稳定性”。通过拉杆来获得并保持一个低于配平速度的速度,通过推杆来获得并保持一个高于配平速度的速度,并且不允许力反向,松杆后速度恢复接近配平速度。其体现了无反馈的机械操纵飞机的纵向静稳定性、静操纵性和动稳定性具有内在对应关系这一特征。

通过反馈增稳后,静稳定性与动稳定性的关系被改变,如果控制系统具有足够高的可靠性和安全性水平,静稳定性可以放宽甚至放弃要求(如电传军机可以静不稳)。因此,空客电传飞机不满足25.173和25.175条要求也是可以接受的，前提是:

(1)能够提供良好的操纵品质,从适航角度来说则是最低安全所要求的操纵品质。25.181条的要求是基础,而在适航审定中可按照操纵品质评估方法(HQRM)判定;

(2)飞行控制系统具有足够高的安全性水平,满足25.671,25.672以及25.1309条要求;

(3)充分识别其他导出风险,并具有足够的保护设计。由于采用C*指令模式,并且引入积分器环节以消除静差的设计,使得空客电传飞机的速度是中立稳定的。如果进入小速度、低高度以及小推力的低能量状态,而驾驶员缺乏感知,将可能导致飞行风险。为此,从安全性考虑,适航要求提供不允许被驾驶员解除的低能量状态告警功能,或者恢复静稳定性及其杆力梯度特性(要求侧杆提供每6 kn速度变化1 lb力的杆力梯度),直到改出低能量状态。

对于横航向静稳定性,25.177条要求在小侧滑角定常直线状态下,副翼和方向舵操纵行程及操纵力正比于侧滑角;大侧滑角下,方向舵脚蹬力没有反逆现象。要求的基本出发点体现了常规机械操纵飞机横航向静稳定性可以由侧滑飞行时的静操纵性描述,并且与动稳定性具有内在对应关系的特征。

空客飞机横向操纵是滚转角速度响应类型。在定常直线侧滑过程中,滚转轴指令为零,这不适用25.177(c)中的要求。

针对空客飞机的纵向、横向静稳定性的新特征,需要制定专有条件,替代原有25.171,25.173,25.175以及25.177条的要求[18]。

波音系列电传飞机在充分发挥电传飞行操纵优势的同时,基本理念是保留与机械操纵飞机相同的特性,从而,相关的25.171,25.173,25.175以及25.177条适用,不需要新的专有条件要求。

4　失速保护

与失速特性相关的适航条款25.201,25.203以及25.207,对失速特性、失速警告、失速改出能力提出了要求。波音及空客电传飞机都设置了相关的飞行包线保护功能。

以B787为例的波音系列电传飞机,在主飞行控制系统正常模式下,失速保护和超速保护、滚转坡度角保护一起,构成3种飞行保护功能。需要注意的是,驾驶员有超控权限。当飞机接近保护边界时,飞控系统通过增加杆力梯度及语音进行提示,但驾驶员仍然可以继续操纵,甚至能够超出保护边界。

以A380为例的空客系列电传飞机,在主飞行控制系统正常模式下,失速保护和超速保护、过载保护、俯仰角保护、滚转角保护一起构成5种飞行保护功能。但与波音飞机不同,飞控系统具有最高操纵权限。当飞机接近保护边界时,超过飞行保护边界的驾驶员操纵会被限制,飞控系统强制飞机在设定的飞行包线内实现无忧飞行[19]。对于失速保护功能,空客及波音系列电传飞机所监测的飞行参数不同,波音飞机监测飞行速度,而空客飞机直接监测迎角;其次,两者在飞行包线边界危险状态飞行时,波音飞机给予驾驶员超控权限,而空客飞机则赋予飞控系统全权限,不允许超控以杜绝人因差错。

这里,波音飞机依据空速推断迎角的方法虽然在民机中常见,但是在非正常情况下推断可能无效。另外,电传飞控系统一般可配置多余度迎角传感器,并在大迎角保护功能中引入迎角信号(如空客飞机)。法航AF447事故调查后,推断如果具有有效迎角指示信号,可能会帮助机组有机会改出,因而法国民用航空安全调查局(BEA)建议EASA和FAA强制运输类飞机给驾驶员提供迎角指示信号,以备驾驶员紧急处置。

这场两天期限的旅行还未满就结束了，下山后田铭把范青青直接塞进汽车拉回市区。和范青青相处以来，他第一次心里充满莫名的嫉妒。

5　操纵品质评估

电传操纵飞机具有依飞行阶段以及故障情况而变化的丰富的响应类型,并且还提供较全面的保护功能;另外,如空客飞机的设计理念和设计特征,部分适航相关条款不适用,因此,需要建立评定操纵品质的手段。

FAA在AC25-7C中提供了评定操纵品质的伪定量方法,即操纵品质等级评定HQRM方法。

根据飞行的实际情况,评定需要考虑飞行包线条件、故障发生概率、大气扰动等情况,基于任务进行评定[4]。借鉴库伯-哈珀评分,FAA制定了3级HQRM评分方法。驾驶员评定主要综合考虑指令模式的准确性、飞机动稳定性以及操纵响应的主观感受,提取完成任务时的关键飞行参数特性,定义最低可接受的操纵品质要求。

就空客飞机侧杆电传飞行操纵设计特征而言,需要特别关注的HQRM评估内容有[18]:

(1)取代条款25.171,25.173,25.175以及25.177的侧杆与静稳定性相关的新颖设计特性,重点评估因为被动侧杆和俯仰、滚转中立稳定性所引起的驾驶员操纵感受;

(2)对于不能表明极不可能发生的所有飞控失效状态,依照25.672(c)条故障失效时的要求进行评定;

(3)要考虑对于失效、大气扰动和飞行包线的所有组合。

对于波音B777和B787飞机的审定,没有上述第(1)点中的问题,HQRM评估更多的是针对飞控故障及其与大气扰动的组合。

6　飞行控制律需求的捕获和确认

民用运输机的电传飞行操纵系统通过控制律的设计方便地“掩盖”了飞机本体的常规特性,给飞控系统的设计赋予了更大权限,也使得控制律的模态多样、高度复杂。因此,其需求的捕获和确认是首要环节。

对于飞行控制律需求的捕获,需要考虑如下几点:

(1)顶层需求。包括航空器客户需求、适航审定需求、驾驶员操纵需求等。例如,航空公司为了降低油耗,要求飞机放宽静稳定性;根据航线需要,设定预期的运行环境。操纵品质需求直接服务于驾驶员操纵飞机的需要,而适航审定与飞行控制律相关的要求源于操纵品质中的最低安全需求。

(2)飞控系统需求。例如,考虑系统的硬件技术,提出对于飞行控制律的相关需求。

(3)其他系统需求。例如,从强度设计角度考虑,提供阵风减缓功能是有益的。

(4)飞行控制律自身需求。例如,需要具有良好的鲁棒性等。

需求的捕获和确认可以采用分析和仿真、相似性(经验)、HQRM等方法。其中,HQRM方法既是飞行控制律验证和适航符合性表明的方法,也是需求确认的重要手段之一。基于操纵品质计算的数值评估和HQRM一起,贯穿于飞行控制律研发过程的不同阶段,提供控制律需求捕获、确认和验证的支持依据。

7　结束语

在民机发展历史上,波音公司早于空客公司,其飞机的设计习惯与适航规章是一致的,并且这种一致性在其首架电传操纵的B777及其以后的机型中得以保持,包括采用同样的中央操纵盘型式。而空客公司的电传飞控系统体现了其创新取胜的理念,首先在操纵上使用了侧杆。理念上的差别,决定了其支撑技术的不同。

在电传飞机飞行控制律的设计中,波音和空客有很多相近点,如都有多种响应模式、采用飞行包线保护功能、放宽静稳定度等。在响应模式的使用、稳定性、低速大迎角保护等问题上保留了各自的设计特征。波音飞机将权限留给驾驶员,可以超控飞控系统;而空客飞机则让自动控制系统优先。从适航角度,空客的电传操纵设计因为引入了新特性,与现行规章不符,从而提出了新的审定要求。

电传飞机控制律的开发和审定需要进行严格的过程管理,其中需求捕获和确认是非常重要的环节,要在捕获的基础上,进行充分的确认。

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[19]Airworthiness Performance Evaluation and Certification Committee.Pilot authority and aircraft protections[R].Washington:Airline Pilots Association,1999.

(编辑：姚妙慧)

Analysis on controllability and stability airworthiness of fly-by-wire transport airplanes

ZHANG Shu-guang, ZHU Ke-yi

(School of Transportation Science and Engineering, BUAA, Beijing 100191, China)

Fly-by-wire flight control system has become the mainstream for the control systems of civil transport category airplanes. The present valid airworthiness regulations on controllability and stability apply to conventional mechanical control airplanes. Fly-by-wire systems can provide different controllability and stability, which are inconsistent with the valid regulations, while they may still guarantee flight. In this paper, typical controllability and stability of Airbus and Boeing fly-by-wire airplanes are analyzed and compared in terms of primary control device, response type, stability, high incidence protection, handling qualities evaluation and control law requirements capture and validation to provide reference for development and certification of fly-by-wire civil airplanes.

airworthiness; fly-by-wire control; stability and controllability

2015-10-28;

2016-03-30; 网络出版时间:2016-04-22 09:52

张曙光(1969-)，女，广东惠州人，教授，博士生导师，研究方向为飞机飞行品质、飞行控制和系统安全。

V212.1

A

1002-0853(2016)04-0001-04