关键词:自动飞行；飞行管理计算机；发展
引言
自动飞行控制系统（AutomaticFlightControlSystem,AFCS）是一种在系统功能与工作状态由驾驶员设定后，无需驾驶员直接操纵，就能自动控制和稳定飞机姿态、航迹的控制系统。在民机飞行过程中，需要自动飞行控制系统实现多种控制任务，其中每种控制任务都对应一种或多种控制模态。
1民机飞控系统的发展
《民用航空系统及设备的安全性评估方法与指南》（SAEARP4761）将适航性定义为飞机、飞机系统及部件安全运行并实现预定功能的状态[1]。本文针对民机自动飞控系统设计时需要参考的相关适航规章，解读其中对于模态设计及切换时的适航性要求，并结合部分机型自动飞控系统模态以及内部切换状态机制进行分析。
1.1发展进程
民机适航性条例中包含了对民机适航飞行品质的具体要求，民机投入使用前必须通过适航性认证，以鉴定是否符合适航性条例的要求。国内及国际上关于民机自动飞行控制系统的设计标准经历了多个发展阶段，由以往的性能规定条款逐渐发展为指导性条款。飞控系统的发展与整个民机产业的发展息息相关，飞控系统作为民机技术的重要组成，是不可或缺的，从民机产业诞生之初便应运而生，随着电子技术，计算机的不断发展，以及航空业对飞行操控性的不断提高，飞控系统经历了从机械化操控到电子化操控的进步，主要历程有：一是B707飞机，1954年首飞，作为初代的民航客机，基本上通过钢索以及各类连杆等机械连接的方式实现飞机的飞行控制。
二是空客A300，波音727，737，747。同样是机械操控，但液压助力的方式得到了广泛的应用，操控起来更加方便，同时，自动驾驶仪在此类飞机上得到更多的使用，电子化首先从飞行导航方面取得了进步。
三是空客A310，波音B747，B757，B767等，同样是机械操控，最大的进步是飞行管理计算机的出现，驾驶舱内各类模拟设备被数字化仪表替代，飞行员对飞机的操控通过飞控计算机得到大幅优化，同时，自动飞行系统也实现了计算机自动操控飞机的功能，系统允许飞机按预设航路进行飞行，飞行员的操控负担大幅减轻，特别是长途飞行。
四是空客A320/A319/A321,A330/A340，波音B777等，全电传控制，电子化技术已经发展到一定高度，所有的飞控舵面均通过电信号进行操控，操控精度得到了质的提升，部分型号保留了机械操控进行备份，A380取消了机械备份（采用电备份）。
五是空客A350，波音B787飞机，相比以往机型，飞控综合程度更高，对自动飞行系统也进行了高度优化。例如A350在突发情况下，以往机型飞行员多操作实现的功能在A350可一键完成。
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1.2操控形式
民机飞控系统的操控形式随着电子技术的不断发展，以及可靠性的不断提升，基本是从机械控制到电传控制的不断进步的过程：一是MA60、ATA42/72以及部分通用/商务飞机，通过钢索及机械连接来操控飞机，自动飞行指引系统给飞行员提供一定的导航参考；二是ERJ-145、CRJ-100/200、A310、B737早期机型等，通过机械连接来操控飞机，但给机械操控提供了液压助力，同时自动飞行指引系统同样给飞行员提供导航参考；三是A320、B777等，全电传操控，所有飞行舵面均通过电信号进行控制，同时飞机设计时保留了机型操控方式作为备份控制；四是A380、B787等最新型飞机，全电传操控，电子技术的可靠性大幅提升，机械备份已非必须，同时取消机械备份也大大减轻了飞机的重量，提升经济性。
2自动飞行工作模态
在一次飞行任务执行过程中，会不断采用不同的工作模态以实现不同的飞行任务。飞机上设置哪些自动飞行工作模态相对而言并没有统一的规定，基本的模态包括：姿态保持、航向保持、高度保持、空速保持以及航线保持。对于大型客机，一般从安全、舒适、经济的角度出发，以安全性为首要因素，以实现航线飞行为任务，来确定工作模态。一种工作模态实质上就是一种飞行状态的表现形式。
2.1自动飞行控制系统的主要模态
现主流民机大致将自动飞控模态分为横侧模态（Roll）、俯仰模态（Pitch）以及自动油门（AT）。三种模态下还可根据具体飞行任务划分出各类子模态。表2给出了几种常见民航商用飞机的自动飞行控制系统的主要模态，同时也是一些基本功能。可通过飞行程序的设定实现表中不同的工作模态，再加上正确的逻辑判断即可实现不同工作模态间的切换，从而实现全自动飞行控制。也可以通过MCP对单独的工作模态进行选择与控制，以实现特定功能。
2.2自动飞行控制系统模态切换
进近是飞机飞行过程中极其重要的一环，在进近过程中，使用自动驾驶系统，可以有效提高飞机进场着陆的安全性和成功率。自动驾驶系统同样会选择及自动切换相应的工作模态，以保证飞机能够顺利着陆。
从飞行模态设计规范可知，飞行模态的切换逻辑本质上属于一种离散事件模型，适于采用状态机来描述模态的切换过程。MATLAB/Stateflow是一个基于状态机来建立离散系统动态模型的仿真环境。基于Stateflow平台，采用模态转移图、流程图和真值表等手段，对飞行模态的切换条件、外部输入及模态切换的执行活动进行建模。
3自动飞行系统利弊
随着现代计算机系统以及微电子技术的快速发展，飞行向高度自动化飞行发展。高度的自动化飞行可以尽可能避免人为差错带来的事故可能，给飞行员提供更准确的数据信息，影响是全方位的，主要表现为飞机控制精度提高，飞行安全度提高，座舱空间更宽大，信息显示综合化程度高，大大降低了飞行员的劳动强度，大大提高了航空公司的经济效益。但同时，高度自动化飞行也存在一定的弊端，比如自动化的“无声”控制、反馈和信息显示，飞行员对自动飞行系统会产生依赖性，飞行员对高度自动化的控制方式理解不到位，自动飞行系统设计可能存在问题，并不能完美适应空中各种突发场景，潜在的人工飞行能力、飞行技术降低。
部分航空事故也由于上述因素，机组过分依赖自动飞行系统或是对飞行操作理解不到位，是造成飞机失事的原因。例如波音737MAX机型狮航和埃航的两起空难，就是在MAX在设计改型过程中，对自动飞行中的失速保护功能进行了更改，新增了机动特性增强系统（MCAS），该系统初衷是阻止飞机失速，但由于设计问题，该系统会不断占据飞机控制权，再加上飞行培训的不足，飞行员对新系统认知不够，无法准确快速的切断MCAS来达到人工操控飞机的目的。
结语
国内外针对自动飞控系统模态设计的适航规章有很多，各类规章之间互相引用、互相补充，为系统设计形成了有力的技术支撑。科技改变生活，随着航空电子技术、计算机技术等不断进步，民机技术也在不断向前发展，不断创新，自动飞行系统也必将越来越先进，高度智能化，人机交互更加人性化，安全系数更高。我们要相信科技，相信现代民机技术，但同时必须保持理性并遵守行业规律，加强飞行员的培训，确保飞行安全。
参考文献
[1]曲小宇.民用飞机飞控仿真系统研究[J].软件导刊，2016，第15卷第6期.
[2]邵荣士.自动飞行控制系统的设计技术[J].飞机设计，2000，第3期.
论文作者:王宇晶 曹正阳 张明
论文发表刊物:《城镇建设》2019年17期
论文发表时间:2020/4/13
标签：飞机论文; 系统论文; 模态论文; 飞行员论文; 波音论文; 机械论文; 高度论文; 《城镇建设》2019年17期论文;