浅谈飞机机电综合技术发展及标准需求

林志昆 王宏霞

随着数字技术、信息技术和计算机技术的迅猛发展，国内外先进飞机机电系统发展趋势逐步走向了集约化、综合化。所谓机电系统综合，就是把包括燃油、环控、动力、液压、供电等传统机电系统从功能、管理、控制上进行综合化设计，把各系统融合在一起，实现对机电各分系统的最优控制和管理。

早先飞机各系统之间是相互独立进行管理、控制的，造成机电系统间融合程度不高，可靠性、维修性、测试性、保障性差、能量管理水平低，使机电系统成为飞机上最庞杂的系统，同时也增加了飞机重量。机电系统综合化设计将构建全新的系统架构，大量的硬件、软件功能综合到机电综合系统中来，提升了系统的安全性和容错能力，同时减少了成品数量和电缆长度。这样不但减轻了飞机重量，而且飞机管理、控制层次明确，管理、控制集中，显著提高机电系统的先进程度。并在控制综合的基础上对液压、燃油、供电、环控的需求进行综合平衡考虑，根据飞机需求实现能源的动态分配，提升飞机的能源利用率，从而在改善飞行品质，提高飞行性能、安全性、舒适性、可靠性和维修性的同时，也降低了燃油消耗和维修成本。

1 技术发展现状

国外较为成熟的机电系统综合化主要分3个阶段，第1阶段是进行公共设备管理系统综合，它是在基本不改变传统机电系统结构的基础上，对各机电子系统进行控制和热能综合管理，实现控制和能量方面的综合，通过大量使用远端控制接口单元、远端数据采集单元和固态功率控制器，借助远端控制接口单元，在飞机上广泛分布于各个位置的传感器和作动器以及公共核心资源计算机，通过数据总线连接，使得各个分系统成为物理上分散分布，功能上综合的机电综合控制系统。该项技术已应用到A-350、A-380、B-777、B-787中，以及军用飞机F-22和F-35当中。图1所示为机电系统综合管理的构型图。第2阶段是子系统功能综合，此项研究工作是继公共设备管理系统之后对机电系统的进一步综合，它打破了传统机电系统各自独立的格局，是一种全新的设计理念，如多电飞机技术，用电力系统取代目前飞机上使用的液压、气压和机械系统，以达到在功能、能量、控制和物理4个方面实现全面综合的目的。目前，部分研究成果已应用到A-380、B-787、F-22和F-35中。特别是F-35的机电系统综合化是在F-22的基础上进一步发展，其功能、能量、控制和物理方面的全综合已起步，多项多电飞机技术得到了应用。第3阶段是实现飞机层面的能量综合与优化，如美国开展的综合飞行器能量技术计划和能量优化飞机计划，该项技术还处于研究初级阶段。

我国在机电系统综合化方面起步较晚，在新一代飞机研制之前，我国军民用飞机的机电系统都是独立的，至多采用机电管理系统实现机电系统的故障诊断与隔离、机电系统状态监控与告警，并通过总线与航电系统信息共享，完成部分机电系统的控制管理，方案见图2。我国新一代军用飞机的机电系统研制贯穿了综合化管理思想。在机电系统的故障监测技术上采用了综合化的监控技术，促进了液压、燃油、供电、环控的综合平衡，能量动态分配。总的来说，新一代战机的机电系统相对于前一代战机实现了技术跨代。在预研方面，我国已开展了先进机电系统能量综合技术、机电系统综合管理和健康诊断技术等研究，并取得了一定的研究成果。虽然我国在机电综合领域已经取得了丰硕的成果，但依然处于跟着国外走的阶段，与国外的先进水平相比，我国的机电综合化水平还存在一定差距。

2 机电综合系统关键技术

机电综合系统是一个涵盖航电、控制、电气、机械、液压、燃油等多个专业的复杂综合体，除了各专业固有的技术难点，为了实现系统综合又衍生出一系列关键技术有待解决。包括整个系统的研制技术和分系统的新技术要求。

2.1 机电综合系统构架设计技术

构架设计是机电综合系统的顶层设计，主要是基于系统基本功能和性能指标，搭建系统构架，使机电综合系统满足飞机总体设计的要求。系统构架是机电综合系统设计理念的直接体现，该构架设计的是否合理，直接决定了整个系统的各项性能指标，因此是机电综合系统的关键技术之一。一般在满足各分系统的功能、安全性、可靠性等基本要求的同时，应从如何提升整个机电系统的能源利用率、可靠性、安全性等角度出发。如利用系统冗余进行容错设计，使在出现故障时进行系统重构，提高机电系统的容错能力。此外还需要设计各分系统之间以及分系统与综合管理系统之间的接口等。

2.2 机电综合管理系统设计技术

机电综合管理系统是机电综合系统的中枢，是对机载系统进行综合化管理、自动控制及故障监测的分布式计算机系统，通过总线与航空电子系统及飞机其他系统连接，使机电系统与其他系统的信息可以高度融合。信息的高度融合使航空电子系统的任务管理更加完善，同时也使机电系统的管理、控制及监视达到最优，使飞行员及维护人员可通过显示、音响、告警及记录的方式得到更加完善、准确的机上信息。

2.3 状态监控与故障诊断技术

状态监控和故障诊断是机电综合系统进行系统重构、故障隔离的前提条件。因此每一个机电综合系统都应具备状态监控与故障诊断的能力。因此，系统如何实时准确地自检出故障位置和状态成为机电综合系统的关键技术之一。一般对于能够建立较精确数学模型的系统，可用基于模型的方法进行故障诊断；对于复杂系统，可根据监控得到的特征信号进行故障诊断。

2.4 热综合管理技术

热能是飞机重要能量，综合高效地利用各分系统热能对于提升飞机整体的效率有重要作用。因此，如何把相互独立的机体热量、发动机热量、电气设备热量、燃油热量、环境控制热量综合统一管理成为机电综合系统的关键技术之一。为实现热量综合管理，需要进行新型燃油研究，以提供热稳定性和比热容更高的燃油，在此基础上再进行燃油热管理系统研究。

2.5 多电飞机技术

为了实现机电系统的完全综合，美国提出了全电飞机概念，将二次能源全部用电能形式分配，作为全电飞机的初步阶段，多电飞机成为当前飞机机电系统研发的重要领域，包括电力作动器、电力刹车、电力环控等，由于用电设备的增加又需要研究大容量启动/发电机、配电管理系统、高容错供电系统等。

2.6 系统验证技术

机电综合系统是一个复杂的系统，在研制过程中不仅要对整个系统进行验证，还需要对重要部件、分系统进行验证。因此，相关验证设备和验证方法成为机电系统研制过程中的重要关键技术之一。需要在以往对单独部件或分系统进行验证的设备和方法的基础上，开展系统综合验证设备和方法的研究。

3 标准需求

标准化是在科研、生产、管理等活动中使重复性事件达到统一的活动，以获得最佳秩序和最大的经济效益、军事效益和社会效益。特别是在复杂系统研制活动中，标准化发挥着协调统一的重要作用，可以说标准化在科研生产活动中不可或缺。机电综合系统是典型的多任务、多学科综合的复杂系统，在整个研制过程中都需要贯彻标准化思想，与机电综合系统研制同步开展相关标准研究工作成为必要。然而我国目前仅有电气、液压、航电等分系统的相关标准，在机电综合方面的标准还属空白，因此需基于机电综合系统的关键技术开展相关标准化研究。机电综合系统标准在航空行业标准体系中应属于飞行器平台及系统标准之下的机电综合标准，见图3，目前该分支与电气系统标准、液压系统标准、燃油系统标准等并列。随着机电综合化技术的进一步发展，各系统间融合度不断增加，电气、液压、燃油等系统的标准或许将逐步纳入到机电综合标准中，以便从顶层和各分支对电气、液压、燃油等系统综合管理。

3.1 机电综合系统顶层标准需求

机电综合是将所有机电分系统当作一个整体来考虑，系统内部各子系统的方案都要适应综合化的要求。因此需要“机电综合系统通用要求”、“机电综合系统通信总线”、“机电系统数字信号接口要求”等顶层标准从系统总体角度出发进行统一规范，确立机电系统在整个飞机体系中的地位，规定系统的基本功能、性能、总线、以及各系统的接口要求等。使机电系统的框架符合综合化要求，并满足飞机的总体设计要求，最终实现机电系统的功能综合、物理综合、控制综合和能源综合利用等要求。

3.2 机电综合管理系统标准需求

机电综合管理系统一般通过多台飞行器管理计算机和公共设备控制处理器，如燃油测量计算机、环控计算机、刹车控制计算机、发电机控制装置等。为了达成机电综合管理系统的功能要求和性能要求，以及模块化、系列化、组合化的设计原则，需要“机电系统控制处理计算机规范”、“机电系统控制处理计算机软件设计要求”等标准对以上计算机软硬件的设计进行规范，明确功能要求，提升其安全性和可靠性等，从而实现系统的控制功能、数据测量功能、状态监控功能、告警功能、信息指示功能、维护功能、启动检测功能、二次配电系统复位功能等。

3.3 分系统标准需求

目前我国已编制了大量电气系统、液压系统、燃油系统等相关标准，对各分系统的研制提供了有力的支撑作用，同时也为机电综合系统的研究奠定了基础。但是这些标准仅着眼于各自系统的功能和性能，未考虑系统之间的融合，缺乏系统综合理念。随着机电系统的综合程度日趋提高，以往标准的技术覆盖面会越来越低，将无法满足未来飞行器机电系统的研制需求。因此，需要根据机电综合技术的发展对各分系统的标准进行修订，增加各分系统之间的综合化要求。另外，在机电系统综合化的发展过程中，也出现了热综合管理、多电飞机等新的技术和装备，也需要跟进编制相关标准，固化和推广相关新技术，从而从分系统层面提升机电综合系统的整体性能。

3.3 验证试验标准需求

验证试验是产品设计的最后环节，也是形成研制活动闭环的重要环节之一。机电综合系统研发过程中的各个环节同样需要试验来证明设计的可行性和产品的功能性能。因此，需制定“机电综合系统机上地面检测要求”、“机电系统仿真试验要求”、“机电综合系统测试设备规范”等试验标准，从试验设备、试验方法、试验流程等方面把控机电综合系统的产品质量。

以上为根据关键技术分析所得飞机机电综合系统的标准需求，机电综合标准的制定将为我国相关研制工作提供参考和依据，从而促进飞机机电系统的综合化水平，提升飞机机电系统的可靠性、安全性等。

4 结束语

未来飞行器将向着能量优化型发展，那么机电综合则成为未来机载系统的必然趋势。并将通过机电综合技术不断完善能源的全局控制与分配，信息相互共享，功能互为备份，从而提升整个机电系统的综合性能。在此过程中需攻克相关关键技术，并通过建立相关标准规范机电综合系统的研制生产，提高效率，降低风险。最终实现机电综合技术的快速发展。

[1] 王晓梅. 民用飞机系统机电综合的发展[J]. 科技创新导报，2011（32）.

[2] 郭生荣. 航空机电系统综合化技术展望[J]. 国际航空，2012（8）.