民用飞机主动重心控制功能工程设计分析

2021-10-19赵跃明

民用飞机设计与研究 2021年3期

张超赵跃明杨俊薛峰

(航空工业第一飞机设计研究院, 西安 710089)

0 引言

飞机在飞行中由于燃油消耗、武器投放和飞行速度变化等原因，飞机重心与气动焦点之间的距离发生变化，从而改变了飞机的静稳定裕度。传统的方式是预先设置合理耗油顺序来控制机上燃油的消耗，以维持重心在安全限制范围内，从而保证了飞机的飞行安全和品质，但在一定程度上限制了飞机性能的进一步发挥。

主动重心控制技术，是20世纪70年代提出的一种新的重心控制技术，其综合考虑飞机的状态、外部环境和任务需求，实时生成最优的燃油控制策略，通过控制机上燃油分布，实现对飞机重心的主动控制[1]，以最大限度的提升飞机潜力。

目前，国外空客飞机中普遍采用主动重心控制功能来降低飞行阻力，提高燃油经济性、增大航程并提高装载能力，如空客的A310、A330、A380和A350飞机等[1-3]。图144和协和号超音速客机通过主动重心控制功能实现气动焦点与重心的合理匹配，来改善飞机在超声速飞行时的飞行品质[1-3]。美国B-1B军用轰炸机采用主动重心控制功能来改善飞机在不同后掠角下的飞行性能[4]。国内张晶开展了主动重心控制系统的方案和超声速巡航时的仿真分析[5-6]；杨晓科开展了变重量/重心时飞机的建模和姿态控制律设计[7]。房文林对重心调节过程中的液体晃动和防晃进行了研究[8]。贾磊开展了C919飞机纵向重心自动调控系统的原理设计与实现[9]。目前关于主动重心控制的研究均停留在数字和半物理仿真验证层面，并未从工程设计的角度开展分析。

本文以A330飞机为例，从工程设计实现角度分析了主动重心控制功能的设计方法，对主动重心控制功能在工程实现中，涉及的功能设计、系统设计和存在的关键问题进行了分析，并提出了相应的解决措施。

1 功能原理

1.1 功能逻辑

主动重心控制功能的功能逻辑[5]如图1所示。

图1 主动重心控制功能逻辑

其中目标重心位置xC根据飞机在不同飞行和任务剖面下的最优函数来确定；重心允许范围来源于飞机的重心包线定义；主动重心控制器根据飞机的目标重心xC和重心实时在线估计xcg的差值，结合飞机重心允许范围，计算出合理的燃油调节指令Qi，下发给燃油控制，以控制燃油转输装置，实现燃油的重心调节，直至xcg与目标重心位置xC重合，从而获得最佳操稳品质和巡航性能。

需要注意的是，对亚音速民用飞机而言，飞机目标重心位置一般由最小阻力和重心允许范围共同确定。当最小阻力重心位置满足飞机稳定边界、操纵边界约束时，目标重心即是最小阻力重心；否则，目标重心取重心允许范围的边界值，一般为飞机稳定边界所决定的重心后限[10]。

1.2 油箱布置

主动重心控制功能主要依托燃油在不同油箱之间的转输来实现，因而燃油油箱的大小和布置方式，在一定程度上决定了主动重心控制功能的可用时间和使用效率。典型民用飞机，除了在机翼上布置传统的油箱外，通常在水平安定面上配置有配平油箱，专门实现燃油的纵向配平转输，如图2所示。

图2 主动重心控制功能燃油油箱布置

显然，水平安定面内布置配平油箱，可使得该部分燃油位置距离飞机重心较远，因此只需要较少的燃油转输，即可获得较大的飞机重心改变量。

2 功能设计

2.1 设计思想

考虑到主动重心控制功能是为优化飞机操稳品质和巡航经济性而提出的多系统综合功能，因此在工程设计实现中，从飞机的安全考虑，一般要求该功能失效后并不会影响传统的燃油系统功能，从而为提高该功能的工程可靠性留有安全余量。

为满足该设计要求，将燃油系统的控制划分为传统的燃油转输控制和基于主动重心需求的燃油转输控制两部分。其中传统的燃油转输控制主要包括机翼油箱之间的转输控制，该控制已非常成熟，本文不再赘述；而基于主动重心需求的燃油转输控制则主要指配平油箱和机翼油箱之间的转输控制，是主动重心控制功能所主要考虑的控制方式。

为了取得主动重心控制功能在安全性与飞行员负担之间的平衡，分别设置人工和自动两种控制模式。在人工模式下，飞行员可手动进行机翼油箱的前后转输；在自动模式下，则完全通过计算机实现机翼油箱的前后转输。考虑到飞行员有最高控制权限，一般要求人工模式可操控断开自动控制模式。

2.2 使用场景

对民用飞机而言，主动重心控制功能的主要收益在于提高燃油经济性。因此，该功能主要在巡航阶段使用，以A330飞机为例，其运行场景如图3所示。

图3 主动重心控制功能运行场景

按照飞行阶段，分析主动重心控制功能的使用场景，如下：

1) 当飞机滑跑到起飞阶段(阶段①和②)，主动重心控制功能不开启；

2) 当飞机爬升到一定高度(FL255)后(阶段③)，由主油箱向配平油箱进行燃油转输，将飞机的重心调节到控制重心位置处；

3) 随着燃油的消耗，飞机重心后移，到达目标重心位置处时，将配平油箱的燃油向前转输，使飞机重心再次到达控制重心处，如此反复(阶段④)；

4) 当飞机高度小于FL245或者到达目的地时间小于35 min时(阶段⑤)，将配平油箱的燃油向前转输，提高燃油的利用率；

5) 当起落架放下后(阶段⑥)，断开配平油箱，此时主动重心控制功能断开，燃油无转输。

需要强调的是，飞机的重心调节存在Δ1和Δ2两个阈值。Δ1为核准的飞机重心限制与飞机目标重心之间的差值。当Δ1越大，飞机越安全，但主动重心的收益也越小，当Δ1越小，有可能由于飞机的姿态变化或者燃油测量误差等，使得测量出来的飞机实时重心超过核准的实际重心后限，影响安全。Δ2为飞机目标重心与飞机控制重心之间的差值。当Δ2越大，燃油转输的次数越小，但主动重心的收益也越小；当Δ2越小，则燃油转输的次数更为频繁，虽然主动重心的收益增加，但会影响燃油泵的使用寿命。

因此，Δ1和Δ2应结合传感器精度和燃油泵寿命，以及飞机收益等参数进行综合评定。

2.3 燃油向后转输

一般情况下，只有当飞机爬升到一定高度，且满足如下条件时，燃油才会向后转输：

1) 起落架和襟缝翼收起；

2) 配平油箱非满油；

3) 内侧油箱的燃油质量大于一定值；

4) 飞机的高度高于一定值；

5) 飞机重心不在目标重心上。

在正常情况下，在每次飞行中，仅发生一次燃油向后转输。但当巡航时飞机重心在目标位置的前方超过一定阈值，且配平油箱的油量较低时，额外的向后转输就会发生，以保证飞机的重心始终处于合理范围内。

2.4 燃油向前转输

当飞机重心向前移动时，飞机的静稳定裕度增大，飞机变得更加稳定，但会带来一定的操作负担；而当飞机重心向后移动时，飞机的静稳定裕度减小，甚至为负，飞机有可能变得极不稳定，考虑到飞机在巡航过程中，目标重心始终处于重心后限附近，且在燃油消耗过程中，飞机的重心也在向后移动，对燃油的前向转输控制就变得尤为重要。因此当主动重心控制自动模式失效或者故障时，应通过人工控制模式，实现燃油从配平油箱到机翼油箱的前向转输，并实时向飞行员提供机翼油箱的油量信息，并在接近满油时给飞行员以提示，以避免机翼油箱满油溢出，从而保证飞机安全。

3 系统设计

3.1 系统架构

根据第2章的设计，主动重心控制功能与机上多个系统具有信号交联，构建主动重心控制功能的系统架构，如图4所示。

其中，主动重心控制器实现了最佳重心位置、重心允许范围、重心在线估计和燃油调节指令解算等功能；燃油管理系统实现燃油的控制管理功能，并将指令下发给燃油转输装置予以实现；而飞行控制系统、起落架控制系统、大气系统和飞行管理系统等，则为主动重心控制器提供必要的数据进行控制逻辑解算；主动重心控制器解算的结果和状态则通过座舱控制系统和显示告警系统与飞行员进行交互。

3.2 座舱控制

根据第2章的设计，主动重心控制功能的座舱面板设计如图5所示。

图5 主动重心控制座舱控制面板示意图

其中左侧的模态选择开关实现主动重心控制的人工/自动模式选择。在正常情况下，处于“自动”位，当自动控制失效(“失效”灯点亮)时，或者飞行员可随时人工直接选择“向前”，实现燃油的人工前向转输，以保证飞机的重心安全。

同时，对配平油箱的燃油转输阀控制，可通过右侧的供油开关实现。在正常情况下，为“自动”位，当人工选择前向控制时，将其旋转至“接通”位，当进入起降阶段，或者飞行员认为不需要进行重心调节时，可置于“断开”位。即飞行员可根据实际情况，自主接通和断开配平油箱的转输，避免由于控制器失效而可能出现的不利情况。

3.3 显示告警

显示告警的目的是为了让飞行员更直观的观察到燃油的转输，以及出现故障或者未按照程序执行时，能够清晰的发现问题，并给飞行员提示处理措施。

3.3.1 ECAM显示

飞机电子集中监视系统(ECAM)实现了各系统信息的实时显示，在必要时为飞行员提供相应的故障处理建议。主动重心控制功能的显示如图6所示。

图6 主动重心控制功能ECAM显示示意图

其中：①和④分别为机翼油箱和配平油箱的剩余燃油量，②为配平油箱与机翼油箱之间的转输指示，箭头的方向与燃油转输的方向一致，当无转输时，二者之间无指示箭头。③为配平油箱的断开指示，当人工接通断开按钮或相关转输阀失效时，显示为关闭状态，否则为接通状态。⑤和⑥分别为飞机的总重和当前实时重心显示。当飞行员未输入空机重量和重心时，此处显示为虚线，同时当重心超过后限重心时，⑥会显示为红色，以提示飞行员按压前向转输按钮，将燃油向前转输。

3.3.2 告警和抑制

当飞机/系统处于危险、异常或者错误的状态时，应通过告警向飞行员通告此时系统的状态，以便空勤人员能够及时采取应对措施，避免发生事故或者错误操作。但同时，在特定的飞行阶段，应综合飞行员的任务负担和告警的紧急程度，进行综合权衡，在不影响飞行安全的前提下，可通过告警抑制，减轻飞行员的操纵和心理负担。对主动重心控制而言，其主要应用场景为巡航状态，但巡航状态的一些故障，亦会影响后续的进近着陆等飞行阶段。因此，应全包线分析主动重心控制功能的故障告警和抑制。

在起飞前，系统应检查飞行员是否正确输入了飞机的零油重量重心，当未输入，或者输入不正确时，告无重量重心，或者零油重量重心不匹配等告警，并在起飞前检查好后，从滑跑到着陆后的整个飞行阶段，抑制该告警。

在巡航时，告警功能自动接通。此时主要监控主动重心控制系统的功能是否正常。对飞机实时重心、主动重心控制器和配平油箱转输阀的状态进行实时监控。若重心超过后限范围，或控制器、转输阀失效，则给飞行员以相应的告警。且只在巡航和进近着陆阶段出现，而在起飞、爬升和地面滑跑等阶段进行抑制。

在进近着陆时，告警功能应自动关闭。此时主要监控主动重心控制系统是否正常关闭，以及实时重心是否在安全范围内。若重心超过允许范围，或者控制功能未关闭，亦要给飞行员相应的告警，提示飞行员人工断开主动重心控制功能，或者通过“人工模式”，手动将重心调整到合适位置，实现飞机的安全着陆。

综上所述，给出主动重心控制功能的告警和飞行阶段的抑制策略如表1所示。

表1 主动重心控制功能告警和抑制

4 关键问题分析及解决措施

4.1 测量误差

能否精确实现主动重心控制，取决于燃油系统和空机重量重心的测量精度。一般而言，飞机在出厂前，都会进行空机重量重心的测量，且精度较为准确[11]，因而主要的误差来源于飞机的燃油测量精度。

虽然文献[12]从初始数据误差、飞机装载误差和飞行过程中重心变化误差等方面，对飞机的重心安全裕度进行分析，但还应考虑控制器的鲁棒性设计。即为了最大限度的保证飞机的重心安全，重心不确定性和燃油转输可能会导致飞机实际的重心在重心包线之外，在实际重心约束范围内预留一定的阈值，来避免由燃油误差带来的重心超限。具体的阈值取值可参考2.2节的分析。