一种仅靠"调节发动机推力"的备份飞行控制系统
大型飞机由于常规 操纵舵面失效 、 飞行控制能力丧失 而导致重大的飞行事故,在各个国家航空史上屡见不鲜,其中不乏机毁人亡的严重后果。 这里,介绍一种仅靠 " 调节发动机推力 " 的 备份飞行控制系统 。 01 触目惊心的空难事件 在 1989 年之前的 20 年时间里,因为飞机飞控系统失效导致的飞行事故有 10 多起(包括军机和民机),大约 1200 人在事故中丧生。 在这些事故中,伤亡最惨重的是 日本航空 123 号班机空难 和 美国苏城空难 ,两起空难共造成了 631人死亡。 1985 年 8 月 12 日,日本航空公司的一架 波音 747 客机,由于后压力框破裂,使机舱内压力急剧降低,飞机垂直尾翼损坏并在空中分解,紧接着 液压系统失效 ,导致 飞行控制能力完全丧失 ,飞机撞山坠毁。 最终致使乘客和机组人员中仅 4 人获救,其余 520 人全部罹难。 日本航空公司波音 747 尾翼损坏图,如下图所示。 02 终级备份的意义 因此,即使飞控系统的设计已满足当时的适航规章要求,我们仍希望采取一些额外的手段,进一步增加飞机的安全性,增强民众的信心。 终极备份作为一种 超越适航要求 的设计,在目前主流机型中多有体现。随着电传飞控系统的发展和复杂电子硬件的广泛应用,终极备份在 减缓系统共模故障影响 和 增强局方审定信心 方面,也起到了积极的作用。 这里介绍的,仅靠 "调节发动机推力" 的控制系统,可以作为 一种备份实现形式 ,为终极备份系统的设计,提供了另外一种全新的思路。 03 仅调节发动机推力的备份原理 在很多严重事故中,虽然飞控系统失效,但飞机两侧的发动机仍能工作正常。 通过调节发动机推力,为故障飞机提供一定的控制能力。这就是 发动机推力控制 ( pca ,prop lsion controlled aircraft)备份方案。 发动机推力线一般位于重心下面,并且有一定大小的安装角。这样的发动机配置,对于调节发动机的油门大小( 对称油门 、 差动油门 ),改变飞机所受的力和力矩,最终实现 三轴应急控制 是非常有利的。 04 成功案例 2003 年 11 月 22 日,一架刚自巴格达起飞的敦豪速递公司( dhl )的空客 a300 货机,遭到地面导弹袭击,左翼中弹后导致 液压系统完全失效 。中弹图片如图所示。 3 名机组人员,只能靠手动调整两个发动机的推力,勉强维持机身稳定并最终安全降落。 这架飞机成为有史以来第一架,在完全失去液压控制后,还能安然降落的大型民航飞机。 a300 货机遇袭事件,让各国的航空安全主管单位再度注意到飞机在飞行中失去液压的危险性,这也促使各国政府与航空产业开始研发可以完全 不靠液压系统就能安全降落 的新技术。 美国国家航空航天局 (national aerona tics and space administration, nasa ) 早在 1989 年就开展了这项技术的研究。 nasa 对 pca 的定义是: 当飞机常规操纵舵面(升降舵、方向舵、副翼等)失效时,驾驶员能够实现安全着陆的计算机辅助发动机控制系统。nasa 希望在飞机主控系统失效情况下,能够找到一个替代的控制策略,只通过控制发动机实现飞机的安全着陆,从而降低事故发生率。 当飞机常规操纵舵面(升降舵、方向舵、副翼等)失效时,驾驶员能够实现安全着陆的计算机辅助发动机控制系统。nasa 希望在飞机主控系统失效情况下,能够找到一个替代的控制策略,只通过控制发动机实现飞机的安全着陆,从而降低事故发生率。 通过调节发动机推力进行飞机轨迹控制,其中纵向通道主要是控制飞机 对称推力 ,使速度和俯仰力矩发生变化,以控制飞机的纵向轨迹；侧向通道则控制 差动推力 ,形成的航向控制力矩以控制飞机水平面内的飞行轨迹。 05 备份方案架构 现代民机一般采用 全权限数字发动机控制系统 (fadec),使得飞行控制系统、推进系统的 高度综合 成为可能。 推力调节应急飞行控制概念示意,如下图所示。 图中,驾驶员通过 模式控制面板 (mcp)输入指令,指令信号和反馈信号(传感器测量得到)一起送入 飞行控制计算机 (fcc)。fcc 计算得到纵向控制的 对称油门 、横侧向控制的 差动油门 的发动机指令信号,通过调节发动机推力大小实现应急飞行控制功能。 根据应急飞行控制的概念分析,可设计推力调节应急飞行控制的 控制方案 ,如下图所示。 图中,驾驶员通过 模式控制面板 输入航迹倾斜角和滚转角指令, 同步差动推力解算 模块根据指令信号与传感器反馈信号,解算出 左右两侧发动机控制指令 ,输入到左侧和右侧发动机,产生发动机推力作用于飞机,从而实现 有限的 三轴控制功能。 由于发动机推力调节很容易激发纵向 长周期振荡 和横侧向的 荷兰滚模态 ,因此在控制系统的内环需设计增稳回路,以抑制两种模态的振荡过程。 ok,这里简单介绍了仅靠 "调节发动机推力" 的备份飞行控制系统,如有疑问,欢迎留言讨论哈。