淺談飛機(jī)機(jī)電綜合技術(shù)發(fā)展及標(biāo)準(zhǔn)需求

林志昆 王宏霞

隨著數(shù)字技術(shù)、信息技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的迅猛發(fā)展，國(guó)內(nèi)外先進(jìn)飛機(jī)機(jī)電系統(tǒng)發(fā)展趨勢(shì)逐步走向了集約化、綜合化。所謂機(jī)電系統(tǒng)綜合，就是把包括燃油、環(huán)控、動(dòng)力、液壓、供電等傳統(tǒng)機(jī)電系統(tǒng)從功能、管理、控制上進(jìn)行綜合化設(shè)計(jì)，把各系統(tǒng)融合在一起，實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)電各分系統(tǒng)的最優(yōu)控制和管理。

早先飛機(jī)各系統(tǒng)之間是相互獨(dú)立進(jìn)行管理、控制的，造成機(jī)電系統(tǒng)間融合程度不高，可靠性、維修性、測(cè)試性、保障性差、能量管理水平低，使機(jī)電系統(tǒng)成為飛機(jī)上最龐雜的系統(tǒng)，同時(shí)也增加了飛機(jī)重量。機(jī)電系統(tǒng)綜合化設(shè)計(jì)將構(gòu)建全新的系統(tǒng)架構(gòu)，大量的硬件、軟件功能綜合到機(jī)電綜合系統(tǒng)中來(lái)，提升了系統(tǒng)的安全性和容錯(cuò)能力，同時(shí)減少了成品數(shù)量和電纜長(zhǎng)度。這樣不但減輕了飛機(jī)重量，而且飛機(jī)管理、控制層次明確，管理、控制集中，顯著提高機(jī)電系統(tǒng)的先進(jìn)程度。并在控制綜合的基礎(chǔ)上對(duì)液壓、燃油、供電、環(huán)控的需求進(jìn)行綜合平衡考慮，根據(jù)飛機(jī)需求實(shí)現(xiàn)能源的動(dòng)態(tài)分配，提升飛機(jī)的能源利用率，從而在改善飛行品質(zhì)，提高飛行性能、安全性、舒適性、可靠性和維修性的同時(shí)，也降低了燃油消耗和維修成本。

1 技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀

國(guó)外較為成熟的機(jī)電系統(tǒng)綜合化主要分3個(gè)階段，第1階段是進(jìn)行公共設(shè)備管理系統(tǒng)綜合，它是在基本不改變傳統(tǒng)機(jī)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，對(duì)各機(jī)電子系統(tǒng)進(jìn)行控制和熱能綜合管理，實(shí)現(xiàn)控制和能量方面的綜合，通過(guò)大量使用遠(yuǎn)端控制接口單元、遠(yuǎn)端數(shù)據(jù)采集單元和固態(tài)功率控制器，借助遠(yuǎn)端控制接口單元，在飛機(jī)上廣泛分布于各個(gè)位置的傳感器和作動(dòng)器以及公共核心資源計(jì)算機(jī)，通過(guò)數(shù)據(jù)總線連接，使得各個(gè)分系統(tǒng)成為物理上分散分布，功能上綜合的機(jī)電綜合控制系統(tǒng)。該項(xiàng)技術(shù)已應(yīng)用到A-350、A-380、B-777、B-787中，以及軍用飛機(jī)F-22和F-35當(dāng)中。圖1所示為機(jī)電系統(tǒng)綜合管理的構(gòu)型圖。第2階段是子系統(tǒng)功能綜合，此項(xiàng)研究工作是繼公共設(shè)備管理系統(tǒng)之后對(duì)機(jī)電系統(tǒng)的進(jìn)一步綜合，它打破了傳統(tǒng)機(jī)電系統(tǒng)各自獨(dú)立的格局，是一種全新的設(shè)計(jì)理念，如多電飛機(jī)技術(shù)，用電力系統(tǒng)取代目前飛機(jī)上使用的液壓、氣壓和機(jī)械系統(tǒng)，以達(dá)到在功能、能量、控制和物理4個(gè)方面實(shí)現(xiàn)全面綜合的目的。目前，部分研究成果已應(yīng)用到A-380、B-787、F-22和F-35中。特別是F-35的機(jī)電系統(tǒng)綜合化是在F-22的基礎(chǔ)上進(jìn)一步發(fā)展，其功能、能量、控制和物理方面的全綜合已起步，多項(xiàng)多電飛機(jī)技術(shù)得到了應(yīng)用。第3階段是實(shí)現(xiàn)飛機(jī)層面的能量綜合與優(yōu)化，如美國(guó)開(kāi)展的綜合飛行器能量技術(shù)計(jì)劃和能量?jī)?yōu)化飛機(jī)計(jì)劃，該項(xiàng)技術(shù)還處于研究初級(jí)階段。

我國(guó)在機(jī)電系統(tǒng)綜合化方面起步較晚，在新一代飛機(jī)研制之前，我國(guó)軍民用飛機(jī)的機(jī)電系統(tǒng)都是獨(dú)立的，至多采用機(jī)電管理系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)機(jī)電系統(tǒng)的故障診斷與隔離、機(jī)電系統(tǒng)狀態(tài)監(jiān)控與告警，并通過(guò)總線與航電系統(tǒng)信息共享，完成部分機(jī)電系統(tǒng)的控制管理，方案見(jiàn)圖2。我國(guó)新一代軍用飛機(jī)的機(jī)電系統(tǒng)研制貫穿了綜合化管理思想。在機(jī)電系統(tǒng)的故障監(jiān)測(cè)技術(shù)上采用了綜合化的監(jiān)控技術(shù)，促進(jìn)了液壓、燃油、供電、環(huán)控的綜合平衡，能量動(dòng)態(tài)分配?？偟膩?lái)說(shuō)，新一代戰(zhàn)機(jī)的機(jī)電系統(tǒng)相對(duì)于前一代戰(zhàn)機(jī)實(shí)現(xiàn)了技術(shù)跨代。在預(yù)研方面，我國(guó)已開(kāi)展了先進(jìn)機(jī)電系統(tǒng)能量綜合技術(shù)、機(jī)電系統(tǒng)綜合管理和健康診斷技術(shù)等研究，并取得了一定的研究成果。雖然我國(guó)在機(jī)電綜合領(lǐng)域已經(jīng)取得了豐碩的成果，但依然處于跟著國(guó)外走的階段，與國(guó)外的先進(jìn)水平相比，我國(guó)的機(jī)電綜合化水平還存在一定差距。

2 機(jī)電綜合系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)

機(jī)電綜合系統(tǒng)是一個(gè)涵蓋航電、控制、電氣、機(jī)械、液壓、燃油等多個(gè)專業(yè)的復(fù)雜綜合體，除了各專業(yè)固有的技術(shù)難點(diǎn)，為了實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)綜合又衍生出一系列關(guān)鍵技術(shù)有待解決。包括整個(gè)系統(tǒng)的研制技術(shù)和分系統(tǒng)的新技術(shù)要求。

2.1 機(jī)電綜合系統(tǒng)構(gòu)架設(shè)計(jì)技術(shù)

構(gòu)架設(shè)計(jì)是機(jī)電綜合系統(tǒng)的頂層設(shè)計(jì)，主要是基于系統(tǒng)基本功能和性能指標(biāo)，搭建系統(tǒng)構(gòu)架，使機(jī)電綜合系統(tǒng)滿足飛機(jī)總體設(shè)計(jì)的要求。系統(tǒng)構(gòu)架是機(jī)電綜合系統(tǒng)設(shè)計(jì)理念的直接體現(xiàn)，該構(gòu)架設(shè)計(jì)的是否合理，直接決定了整個(gè)系統(tǒng)的各項(xiàng)性能指標(biāo)，因此是機(jī)電綜合系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)之一。一般在滿足各分系統(tǒng)的功能、安全性、可靠性等基本要求的同時(shí)，應(yīng)從如何提升整個(gè)機(jī)電系統(tǒng)的能源利用率、可靠性、安全性等角度出發(fā)。如利用系統(tǒng)冗余進(jìn)行容錯(cuò)設(shè)計(jì)，使在出現(xiàn)故障時(shí)進(jìn)行系統(tǒng)重構(gòu)，提高機(jī)電系統(tǒng)的容錯(cuò)能力。此外還需要設(shè)計(jì)各分系統(tǒng)之間以及分系統(tǒng)與綜合管理系統(tǒng)之間的接口等。

2.2 機(jī)電綜合管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)技術(shù)

機(jī)電綜合管理系統(tǒng)是機(jī)電綜合系統(tǒng)的中樞，是對(duì)機(jī)載系統(tǒng)進(jìn)行綜合化管理、自動(dòng)控制及故障監(jiān)測(cè)的分布式計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，通過(guò)總線與航空電子系統(tǒng)及飛機(jī)其他系統(tǒng)連接，使機(jī)電系統(tǒng)與其他系統(tǒng)的信息可以高度融合。信息的高度融合使航空電子系統(tǒng)的任務(wù)管理更加完善，同時(shí)也使機(jī)電系統(tǒng)的管理、控制及監(jiān)視達(dá)到最優(yōu)，使飛行員及維護(hù)人員可通過(guò)顯示、音響、告警及記錄的方式得到更加完善、準(zhǔn)確的機(jī)上信息。

2.3 狀態(tài)監(jiān)控與故障診斷技術(shù)

狀態(tài)監(jiān)控和故障診斷是機(jī)電綜合系統(tǒng)進(jìn)行系統(tǒng)重構(gòu)、故障隔離的前提條件。因此每一個(gè)機(jī)電綜合系統(tǒng)都應(yīng)具備狀態(tài)監(jiān)控與故障診斷的能力。因此，系統(tǒng)如何實(shí)時(shí)準(zhǔn)確地自檢出故障位置和狀態(tài)成為機(jī)電綜合系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)之一。一般對(duì)于能夠建立較精確數(shù)學(xué)模型的系統(tǒng)，可用基于模型的方法進(jìn)行故障診斷；對(duì)于復(fù)雜系統(tǒng)，可根據(jù)監(jiān)控得到的特征信號(hào)進(jìn)行故障診斷。

2.4 熱綜合管理技術(shù)

熱能是飛機(jī)重要能量，綜合高效地利用各分系統(tǒng)熱能對(duì)于提升飛機(jī)整體的效率有重要作用。因此，如何把相互獨(dú)立的機(jī)體熱量、發(fā)動(dòng)機(jī)熱量、電氣設(shè)備熱量、燃油熱量、環(huán)境控制熱量綜合統(tǒng)一管理成為機(jī)電綜合系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)之一。為實(shí)現(xiàn)熱量綜合管理，需要進(jìn)行新型燃油研究，以提供熱穩(wěn)定性和比熱容更高的燃油，在此基礎(chǔ)上再進(jìn)行燃油熱管理系統(tǒng)研究。

2.5 多電飛機(jī)技術(shù)

為了實(shí)現(xiàn)機(jī)電系統(tǒng)的完全綜合，美國(guó)提出了全電飛機(jī)概念，將二次能源全部用電能形式分配，作為全電飛機(jī)的初步階段，多電飛機(jī)成為當(dāng)前飛機(jī)機(jī)電系統(tǒng)研發(fā)的重要領(lǐng)域，包括電力作動(dòng)器、電力剎車、電力環(huán)控等，由于用電設(shè)備的增加又需要研究大容量啟動(dòng)/發(fā)電機(jī)、配電管理系統(tǒng)、高容錯(cuò)供電系統(tǒng)等。

2.6 系統(tǒng)驗(yàn)證技術(shù)

機(jī)電綜合系統(tǒng)是一個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng)，在研制過(guò)程中不僅要對(duì)整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行驗(yàn)證，還需要對(duì)重要部件、分系統(tǒng)進(jìn)行驗(yàn)證。因此，相關(guān)驗(yàn)證設(shè)備和驗(yàn)證方法成為機(jī)電系統(tǒng)研制過(guò)程中的重要關(guān)鍵技術(shù)之一。需要在以往對(duì)單獨(dú)部件或分系統(tǒng)進(jìn)行驗(yàn)證的設(shè)備和方法的基礎(chǔ)上，開(kāi)展系統(tǒng)綜合驗(yàn)證設(shè)備和方法的研究。

3 標(biāo)準(zhǔn)需求

標(biāo)準(zhǔn)化是在科研、生產(chǎn)、管理等活動(dòng)中使重復(fù)性事件達(dá)到統(tǒng)一的活動(dòng)，以獲得最佳秩序和最大的經(jīng)濟(jì)效益、軍事效益和社會(huì)效益。特別是在復(fù)雜系統(tǒng)研制活動(dòng)中，標(biāo)準(zhǔn)化發(fā)揮著協(xié)調(diào)統(tǒng)一的重要作用，可以說(shuō)標(biāo)準(zhǔn)化在科研生產(chǎn)活動(dòng)中不可或缺。機(jī)電綜合系統(tǒng)是典型的多任務(wù)、多學(xué)科綜合的復(fù)雜系統(tǒng)，在整個(gè)研制過(guò)程中都需要貫徹標(biāo)準(zhǔn)化思想，與機(jī)電綜合系統(tǒng)研制同步開(kāi)展相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)研究工作成為必要。然而我國(guó)目前僅有電氣、液壓、航電等分系統(tǒng)的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，在機(jī)電綜合方面的標(biāo)準(zhǔn)還屬空白，因此需基于機(jī)電綜合系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)開(kāi)展相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)化研究。機(jī)電綜合系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)在航空行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)體系中應(yīng)屬于飛行器平臺(tái)及系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)之下的機(jī)電綜合標(biāo)準(zhǔn)，見(jiàn)圖3，目前該分支與電氣系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)、液壓系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)、燃油系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)等并列。隨著機(jī)電綜合化技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，各系統(tǒng)間融合度不斷增加，電氣、液壓、燃油等系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)或許將逐步納入到機(jī)電綜合標(biāo)準(zhǔn)中，以便從頂層和各分支對(duì)電氣、液壓、燃油等系統(tǒng)綜合管理。

3.1 機(jī)電綜合系統(tǒng)頂層標(biāo)準(zhǔn)需求

機(jī)電綜合是將所有機(jī)電分系統(tǒng)當(dāng)作一個(gè)整體來(lái)考慮，系統(tǒng)內(nèi)部各子系統(tǒng)的方案都要適應(yīng)綜合化的要求。因此需要“機(jī)電綜合系統(tǒng)通用要求”、“機(jī)電綜合系統(tǒng)通信總線”、“機(jī)電系統(tǒng)數(shù)字信號(hào)接口要求”等頂層標(biāo)準(zhǔn)從系統(tǒng)總體角度出發(fā)進(jìn)行統(tǒng)一規(guī)范，確立機(jī)電系統(tǒng)在整個(gè)飛機(jī)體系中的地位，規(guī)定系統(tǒng)的基本功能、性能、總線、以及各系統(tǒng)的接口要求等。使機(jī)電系統(tǒng)的框架符合綜合化要求，并滿足飛機(jī)的總體設(shè)計(jì)要求，最終實(shí)現(xiàn)機(jī)電系統(tǒng)的功能綜合、物理綜合、控制綜合和能源綜合利用等要求。

3.2 機(jī)電綜合管理系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)需求

機(jī)電綜合管理系統(tǒng)一般通過(guò)多臺(tái)飛行器管理計(jì)算機(jī)和公共設(shè)備控制處理器，如燃油測(cè)量計(jì)算機(jī)、環(huán)控計(jì)算機(jī)、剎車控制計(jì)算機(jī)、發(fā)電機(jī)控制裝置等。為了達(dá)成機(jī)電綜合管理系統(tǒng)的功能要求和性能要求，以及模塊化、系列化、組合化的設(shè)計(jì)原則，需要“機(jī)電系統(tǒng)控制處理計(jì)算機(jī)規(guī)范”、“機(jī)電系統(tǒng)控制處理計(jì)算機(jī)軟件設(shè)計(jì)要求”等標(biāo)準(zhǔn)對(duì)以上計(jì)算機(jī)軟硬件的設(shè)計(jì)進(jìn)行規(guī)范，明確功能要求，提升其安全性和可靠性等，從而實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的控制功能、數(shù)據(jù)測(cè)量功能、狀態(tài)監(jiān)控功能、告警功能、信息指示功能、維護(hù)功能、啟動(dòng)檢測(cè)功能、二次配電系統(tǒng)復(fù)位功能等。

3.3 分系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)需求

目前我國(guó)已編制了大量電氣系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)、燃油系統(tǒng)等相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)各分系統(tǒng)的研制提供了有力的支撐作用，同時(shí)也為機(jī)電綜合系統(tǒng)的研究奠定了基礎(chǔ)。但是這些標(biāo)準(zhǔn)僅著眼于各自系統(tǒng)的功能和性能，未考慮系統(tǒng)之間的融合，缺乏系統(tǒng)綜合理念。隨著機(jī)電系統(tǒng)的綜合程度日趨提高，以往標(biāo)準(zhǔn)的技術(shù)覆蓋面會(huì)越來(lái)越低，將無(wú)法滿足未來(lái)飛行器機(jī)電系統(tǒng)的研制需求。因此，需要根據(jù)機(jī)電綜合技術(shù)的發(fā)展對(duì)各分系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行修訂，增加各分系統(tǒng)之間的綜合化要求。另外，在機(jī)電系統(tǒng)綜合化的發(fā)展過(guò)程中，也出現(xiàn)了熱綜合管理、多電飛機(jī)等新的技術(shù)和裝備，也需要跟進(jìn)編制相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，固化和推廣相關(guān)新技術(shù)，從而從分系統(tǒng)層面提升機(jī)電綜合系統(tǒng)的整體性能。

3.3 驗(yàn)證試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)需求

驗(yàn)證試驗(yàn)是產(chǎn)品設(shè)計(jì)的最后環(huán)節(jié)，也是形成研制活動(dòng)閉環(huán)的重要環(huán)節(jié)之一。機(jī)電綜合系統(tǒng)研發(fā)過(guò)程中的各個(gè)環(huán)節(jié)同樣需要試驗(yàn)來(lái)證明設(shè)計(jì)的可行性和產(chǎn)品的功能性能。因此，需制定“機(jī)電綜合系統(tǒng)機(jī)上地面檢測(cè)要求”、“機(jī)電系統(tǒng)仿真試驗(yàn)要求”、“機(jī)電綜合系統(tǒng)測(cè)試設(shè)備規(guī)范”等試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)，從試驗(yàn)設(shè)備、試驗(yàn)方法、試驗(yàn)流程等方面把控機(jī)電綜合系統(tǒng)的產(chǎn)品質(zhì)量。

以上為根據(jù)關(guān)鍵技術(shù)分析所得飛機(jī)機(jī)電綜合系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)需求，機(jī)電綜合標(biāo)準(zhǔn)的制定將為我國(guó)相關(guān)研制工作提供參考和依據(jù)，從而促進(jìn)飛機(jī)機(jī)電系統(tǒng)的綜合化水平，提升飛機(jī)機(jī)電系統(tǒng)的可靠性、安全性等。

4 結(jié)束語(yǔ)

未來(lái)飛行器將向著能量?jī)?yōu)化型發(fā)展，那么機(jī)電綜合則成為未來(lái)機(jī)載系統(tǒng)的必然趨勢(shì)。并將通過(guò)機(jī)電綜合技術(shù)不斷完善能源的全局控制與分配，信息相互共享，功能互為備份，從而提升整個(gè)機(jī)電系統(tǒng)的綜合性能。在此過(guò)程中需攻克相關(guān)關(guān)鍵技術(shù)，并通過(guò)建立相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范機(jī)電綜合系統(tǒng)的研制生產(chǎn)，提高效率，降低風(fēng)險(xiǎn)。最終實(shí)現(xiàn)機(jī)電綜合技術(shù)的快速發(fā)展。

[1] 王曉梅. 民用飛機(jī)系統(tǒng)機(jī)電綜合的發(fā)展[J]. 科技創(chuàng)新導(dǎo)報(bào)，2011（32）.

[2] 郭生榮. 航空機(jī)電系統(tǒng)綜合化技術(shù)展望[J]. 國(guó)際航空，2012（8）.