光电技术助力飞机操纵系统的发展

李星男辽宁省大连市第八中学

光电技术助力飞机操纵系统的发展

李星男
辽宁省大连市第八中学

本文简要回顾了传统机械和电传操纵系统的使用现状，重点就新型光传操纵系统的科学基础和现实优势进行了深入分析，详细介绍了飞机操纵“光学化”的关键技术及研究现状，最后针对国内光传操纵的发展问题提出了自己的建议。

光传操纵 飞机 光电技术

飞机操纵系统主要是用于在飞行中改变飞机轨迹，控制飞机的航姿，其可靠性对飞行安全和飞行任务有重要作用。由发展历程来分，可分为机械传动操纵系统、电传操纵系统、光电传操纵系统，其使用效果又各有优缺点，目前大多飞机采取多种操纵方式混合协调的方式。

1　传统飞控技术发展概况

自莱特兄弟完成人类首次飞行的100余年，各种机载系统日渐完善，飞机性能不断提高。相比之下，飞行操纵系统却发展迟缓，至今机械操纵系统仍在许多飞机上使用。机械飞控广泛使用于低速飞机，它通过一套复杂的机械联动装置和液压管路连接驾驶杆与舵机，飞行员通过驾驶杆控制舵面，从而控制飞机姿态与航向。大型飞机采用液压助力系统， 飞行员控制助力器的伺服活门间接控制舵面偏转。对于飞行速度更快的亚音速飞机，则要加装人工载荷机构，形成不可逆助力操纵系统以保证飞机稳定飞行。

随着电气技术的进步，上世纪50年代末发明了全新的电传操纵系统，飞行员操纵的机械动作变成了电信号，电传操纵有效减少了原机械操纵系统所占体积，减轻操纵系统重量，提高了军用飞机的战伤生存率。同时电传飞控减轻了飞行员的工作负担，消除了重力加速度对信号输入量的影响。为提高电传系统可靠性，现役军机和民机普遍使用三余度或四余度电传飞控，并设计备份系统。A320型飞机是欧洲空客公司设计生产的中程干线客机。A320客机在世界范围首次采用了电传操纵系统，作为现用民航客机中最先进的飞行操纵系统，已经成为了同类飞控系统的典范。

电传操纵也并非十全十美，它的主要弱点是易受雷电、核辐射及电磁干扰的影响，另外，现代大型飞机电缆布置复杂，各线路间的干扰严重，面对各种干扰，仍主要采用传统的金属屏蔽保护方法。然而，现代飞机多采用复合材料以减轻重量，这与保护电子器件正好背道而驰，在新型飞机中采用电传操纵所面临的电磁干扰和辐射问题更为严重，对于飞机性能的提高十分不利。

2　光传操纵系统的特征概述

现代军事装备对可靠性和性能的要求越来越高，空间电磁环境日益恶劣，战场上电子对抗尤为激烈，因此提高飞机操纵系统的抗电磁干扰能力迫在眉睫。解决这一问题的最根本途径即采用光传操纵系统（Fly-By-Light-System），利用其替代或部分替代电传飞控是国防军事现代化的必然需求，更是飞机操纵系统发展的大势所趋。

光传操纵系统采用光纤数据传输技术，以光信号代替电信号作为信息传递载体，以光纤代替电缆作为物理传递媒质， 在飞控计算机之间或飞控计算机与舵机之间传递指令。光纤传输技术之所以得到迅速的发展，是由于它与电信号传输技术相比具有以下优点：

（1）光纤质量轻、体积小， 耐高温、耐腐蚀，传输损耗低至0.2dB km， 损耗极低，传输距离远，能够布设于机身的任意空间；

（2）光传递的信息量巨大，仅单模光纤的带宽即可达到THz·km；

（3）密封性好，抗电磁干扰性强，不容易发生信号串扰，不引火花，具有较高的可靠性和安全性；

由于光传操纵系统具有压倒性的优势，我们必须高度重视光传操纵系统的研究以应对越来越激烈的国际挑战。光传飞控系统的性能和可靠性取决于光电器件，如光源、光纤、光检测器等，因此成功设计光传飞控的关键就是光电器件的研制。我国在光传操纵系统领域的研究尚停留于通信领域，将其成熟应用于飞控系统仍处于起步阶段。国内目前的研究主要集中于以下关键技术：

（1）双路接收双路发射微机接口；（2）多路复用光总线技术；（3）准光传操纵系统体制；（4）光电和电光转换装置。

3　光传操纵系统的研究关键

目前的光传飞控并非纯光学系统，光信号的发送、放大、传输、执行仍依靠电气部件。随着光纤技术的迅猛发展，应用于飞机的光传飞控技术正在不断更新，纯光传体系及元器件的研发和装配已成为飞机发展的必然趋势，为实现这一目标，还有许多关键技术需要研究，现将其中几个主要技术列举如下。

3.1光计算机

光计算机又称光脑， 与传统硅芯片计算机不同，它采用光束代替电子进行计算和存储。光计算机以光学系统为基体，以光子为主要信息载体，在存储部分与运算部分之间进行光连接，以光运算作为运算方式，能够与光动作器、光传感器、光纤数据总线等直接实现互联互通。光计算机突破了传统的运算器、存储器、输入和输出设备相连接的总线体系，运行速度超高，并行性超好，抗干扰性超强，频带超宽，非常适用于航空航天、核武器模拟、大社会问题分析等高科技领域。

3.2光传感器

光传操纵系统的基础是光学传感器。光传感器能够通过光学测量直接获得飞行的位移、速度、加速度、大气参数、电学参数，或者是将非光学参数转换为光学参数。现有的光传感器主要有线性位移传感器、激光陀螺等，其它信号类型的光传感器仍在研制。

3.3电光结构

目前少量装机使用的光传感器仍需要将光信号转换为电信号由电缆进行传递，飞机上未装载光纤总线。短期内飞机上的光学传感无法实现全面实用， 而电信号传感器技术已经成熟， 电光结构作为由光电混合信号系统向全光信号系统发展的一种重要的过渡装置目前还是必要的。

3.4光动作器

利用光传动作系统代替现有电传动作系统，能够减轻质量，增强抗电磁辐射和电磁干扰的能力，更大程度地提高光传飞控的可靠性。未来的纯光传系统能够不经过电气变换，直接通过光信号来控制机械装置，这种技术不止依赖于光纤工程，更会与其他诸如光化学反应、电化学反应、光电效应等技术产生紧密联系。虽然这种动作器尚未研制成功投入使用，但是光舵机仍是大势所趋。

4　现实与展望

目前，光传体系主要分为模拟光传和数字光传两种。模拟光传体系通过调节光强进行信号编码和传递，由于受非线性影响，飞行控制系统传输信号时不宜直接采用模拟光传。而数字光传必须使用精密的激光收发端机及光导纤维， 其信号传输也要基于光总线和光缆，因此数字光传系统实现所需的技术成本较高。对于目前飞行操纵系统来说，光传在大容量和高速率方面的优势并不突出，我们更关心其技术可靠性，因此电传操纵在短期内尚能适应我国对飞控系统尤其是民机的需求。就我国当前在光纤领域的技术水平， 光传感器的研发生产尚无法完全替代电传感器，直接涉足光传飞控研究的前沿仍存在较大难度，因此下一代机预计将是电传操纵与光传操纵的混合操纵系统。

虽然动作指令的发送和回馈媒介变了，传输速度快了，安全性和适应性提高了，但是在操纵理论上讲，光传操纵系统与电传操纵系统并无本质区别。立足国内光电传输的研究基础，借鉴国际技术，紧跟未来飞机操纵系统“光学化”的发展潮流，大力推进飞机操作的理论研究刻不容缓。

［1］张沛帆，傅嘉伟.飞机操纵系统沿革和展望［J］.硅谷， 2011（12）： 23-23.

［2］黄国华，李洋，廉风慧.飞机电传操纵系统的发展概况［J］.现代教育科学：高教研究，2009（S1）： 414-415.

［3］李昆，王少萍.光传操纵系统的发展趋势［C］.中国航空学会飞行器控制与操纵第十次学术交流会暨专业委员会成立20周年大会. 2001： 1068-1072.

［4］龚华军，杨一栋.光传操纵系统综述［J］.大气与环境光学学报，1997， 15（4）： 43-48.