民用飛機自動著陸系統(tǒng)研究

王申江+李中

【摘 要】近年來自動飛行控制技術(shù)在航空特別是民用航空領(lǐng)域中應(yīng)用日益廣泛，其中自動著陸更是民機取得市場成功的重要賣點。自動著陸系統(tǒng)可以在氣象條件較差的情況下保證飛機安全著陸，從而極大地減輕了飛行員的工作和心里負擔(dān)，同時也保證了飛機運營的準點率。本文簡述了自動著陸系統(tǒng)對機載系統(tǒng)和設(shè)備的要求，并對空客公司正在運營的先進民用飛機自動著陸系統(tǒng)進行了分析研究。

【關(guān)鍵詞】民用飛機；自動飛行控制系統(tǒng)；自動著陸

0 引言

飛行事故統(tǒng)計數(shù)據(jù)顯示，飛機的進近著陸過程是飛行事故易發(fā)階段，占比高達45%，且多發(fā)在下雨、大霧等能見度較差的時候[1]。所以，依靠精密的電子設(shè)備輔助駕駛員完成精確甚至是自動著陸，意義重大。

國際通用的精密進近著陸一般按照能見度條件分類，即綜合考慮決斷高度（DH）和跑道視距（RVR）兩個因素，將精密進近著陸等級劃分為I、II和III類。其中自動著陸等級又分為三類，分別為CAT IIIa，CAT IIIb，CAT IIIc。其指標如下[2]

（1）CATIIIa：RVR大于等于700ft，DH小于等于100ft；

（2）CATIIIb：RVR大于150ft小于700ft，DH小于等于50ft；

（3）CATIIIc：RVR等于零，DH等于零。

CAT IIIa著陸允許飛機利用自動拉平系統(tǒng)完成自動著陸，飛行員在飛機接地后才接管對飛機的控制；CAT IIIb著陸允許飛機利用自動拉平和拉平后的繼續(xù)控制完成自動著陸，接地后，飛行員只需在跑道途中進行控制；CAT IIIc著陸允許完成自動著陸全過程，飛行員無需手動控制。

CAT IIIa/b/c類自動著陸對機載系統(tǒng)和設(shè)備的安全等級、余度、性能等提出了不同的要求。本文首先對機載系統(tǒng)和設(shè)備的要求進行了總結(jié)歸納，并選取典型的空客飛機進行研究，著重分析了自動飛行控制系統(tǒng)架構(gòu)和和系統(tǒng)要求，對自動著陸的實現(xiàn)進行了比較分析。

1 CAT IIIa/b自動著陸機載系統(tǒng)和設(shè)備要求

目前波音和空客在運營的機型基本都具備CAT IIIa或CAT IIIb自動著陸能力，實施CAT IIIa/b著陸所必需的機載系統(tǒng)主要包括：

（1）合格的飛行導(dǎo)引及控制系統(tǒng)，用于接地前航跡的自動控制；

（2）自動油門系統(tǒng)或自動推力控制系統(tǒng)，用于著陸過程中的速度控制與保持；

（3）自動剎車系統(tǒng)，其擁有從接地點平緩地連續(xù)減速至完全停止的能力，保證滑跑距離滿足要求；

（4）至少兩套獨立的無線電高度表，來提供離地高度信息；

（5）至少兩套獨立的大氣數(shù)據(jù)傳感器，來提供空速等信息；

（6）至少兩套獨立的慣導(dǎo)傳感器，來提供姿態(tài)等信息；

（7）至少兩套獨立的導(dǎo)航接收機/傳感器，來提供縱向位置等信息。

2 兩種機型自動著陸系統(tǒng)研究

空客A320飛機橫側(cè)向不是電傳控制，其自動飛行控制系統(tǒng)與A330、A340基本相同，A330、A340飛機自動飛行與電傳飛行控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)基本相同，因此空客飛機選取A340、A380飛機進行比較。A340和A380都支持CAT IIIb自動著陸[3]，下面對這兩個機型進行研究，分析其設(shè)計思路。

2.1 A340自動飛行控制系統(tǒng)

2.1.1 飛行管理和導(dǎo)引系統(tǒng)

A340的自動飛行控制系統(tǒng)稱為飛行管理和導(dǎo)引系統(tǒng)（FMGS），主要包括兩個飛行管理和導(dǎo)引計算機（FMGC）、三個多功能控制顯示組件及其他組件。每個FMGC功能可分為四部分：飛行管理部分、飛行導(dǎo)引部分、飛行包線部分、故障檢測與隔離部分。飛行導(dǎo)引功能部分實現(xiàn)的導(dǎo)引功能包括：飛行指引、自動駕駛、自動推力控制。

2.1.2 飛行指引

飛行指引在主飛行顯示器上顯示導(dǎo)引信息：

（1）飛行指引的俯仰與滾轉(zhuǎn)十字表示俯仰與滾轉(zhuǎn)指令；

（2）起飛與著陸過程中，飛機高度低于30英尺且航向信標可用時，豎線替換為給定側(cè)向命令的偏航條；

（3）飛行航跡指引符號表示飛行航徑矢量。

FMGC啟動時飛行指引自動接通。啟動復(fù)飛時，飛行指引自動重建為速度穩(wěn)定模態(tài)和復(fù)飛跟蹤模態(tài)。飛行指引可由機組分別斷開，或因故障自動斷開。

2.1.3 自動駕駛

自動駕駛的功能是繞重心穩(wěn)定飛機、獲取并跟蹤飛行航線、自動著陸及復(fù)飛。自動駕駛的指令是俯仰、滾轉(zhuǎn)和偏航飛控操縱面的偏轉(zhuǎn)位置，前輪轉(zhuǎn)彎的位置。

在飛機升空至少5秒以后，機組可以按飛行控制面板（FCU）相應(yīng)的開關(guān)接通AP1或AP2。

自動駕駛功能在兩個飛行管理和導(dǎo)引計算機上進行計算。每個飛行管理和導(dǎo)引計算機都由指令通道和監(jiān)控通道組成，具有自監(jiān)控能力，飛行管理和導(dǎo)引計算機本身是故障-安全的。由兩個飛行管理和導(dǎo)引計算機組成的系統(tǒng)是故障-工作的。

2.1.4 自動推力控制

自動駕駛/飛行指引（AP/FD）可以控制飛機的目標速度/馬赫數(shù)或垂直軌跡。自動推力（A/THR）可以控制固定推力或目標速度/馬赫數(shù)。兩者不能同時控制速度。

（1）如果AP/FD俯仰模態(tài)控制垂直軌跡，A/THR模態(tài)控制目標速度/馬赫數(shù)；

（2）如果AP/FD俯仰模態(tài)控制目標速度/馬赫數(shù)，A/THR模態(tài)控制推力；

（3）如果沒有接通AP/FD俯仰模態(tài)，A/THR模態(tài)恢復(fù)控制目標速度/馬赫數(shù)。

2.1.5 自動進近、著陸與滑跑

A340飛機滿足全天候運行適航規(guī)范（CS AWO）第一次修訂版的CAT III自動著陸標準。

（1）CAT III故障-安全：

最小決斷高度50英尺。至少一個自動駕駛接通為進近（APPR）模態(tài)，并且飛行模態(tài)指示儀顯示CAT 3 SINGLE或CAT 3 DUAL。

（2）CAT III故障-工作：

自動推力系統(tǒng)必須工作。警戒高度為200英尺，最小跑道視程為225英尺。

有決斷高度的CAT III著陸：

兩個自動駕駛必須接通為APPR模態(tài)，飛行模態(tài)指示儀必須顯示CAT 3 DUAL。

沒有決斷高度的CAT III著陸：

兩個自動駕駛必須接通為APPR模態(tài)，飛行模態(tài)指示儀必須顯示CAT 3 DUAL。

（3）發(fā)動機故障情況：

發(fā)動機故障的CAT III自動著陸在特定飛機構(gòu)型條件下被批準。CAT III故障-安全的自動著陸系統(tǒng)被批準用于內(nèi)側(cè)單發(fā)動機失效，CAT III故障-工作的自動著陸系統(tǒng)被批準用于外側(cè)單發(fā)動機失效。自動滑跑性能在干/濕跑道均得到了核準，在冰雪覆蓋情況下沒有進行演示驗證。

2.2 A380自動飛行控制系統(tǒng)

A380飛機的自動駕駛、飛行指引、自動油門控制，運行于三個主飛行控制計算機中。每個主飛行控制計算機中可以進行一側(cè)或兩側(cè)自動駕駛、一側(cè)或兩側(cè)飛行指引及自動油門系統(tǒng)的計算。三個主飛行控制計算機中的一個作為Master，其性能下降時將具有最佳性能的主飛行控制計算機切換為Master，切換時已經(jīng)接通的自動駕駛、飛行指引、自動油門控制功能不斷開。在每個主飛行控制計算機中都可以進行兩個自動駕駛（AP1、AP2）、兩個飛行指引（FD1、FD2）的計算。AP1/AP2、FD1/FD2分別取用左右兩側(cè)飛行管理系統(tǒng)（FMS）的信息。

與A340相同，A380的飛行指引的操縱指示在主飛行顯示器上顯示。A380飛機的平視顯示器是選裝設(shè)備，可以顯示飛行指引信息，降低起飛、著陸的跑道視程要求。不加裝平顯的A380的自動著陸系統(tǒng)是帶自監(jiān)控的三余度自動飛行控制系統(tǒng)，是故障-工作系統(tǒng)，可靠性大于A340的自動著陸系統(tǒng)。

3 結(jié)語

A340和A380都將自動駕駛和飛行指引的計算功能放在主控制計算機中實現(xiàn)。降低了系統(tǒng)的復(fù)雜度，減少了信息交聯(lián)。將高安全性要求的自動駕駛功能從飛行管理計算機轉(zhuǎn)移到更高余度和可靠性的主飛行控制計算計中，提高了飛機整體可靠性與安全性。

民用飛機在設(shè)計自動著陸時，需綜合考慮相關(guān)系統(tǒng)的安全等級、余度和性能，秉承全機設(shè)計理念，逐步取得適航驗證，提高飛機市場競爭力。

【參考文獻】

[1]李冬青.民用客機自動著陸控制系統(tǒng)的研究，2006.3.

[2]AC120-28D.Criteria For Approval Of Category III Weather Minima For Takeoff，Landing，And Rollout，1999.6.

[3]空中客車工業(yè)公司II類/III類，中國民航總局航空器適航中心譯，1998.12.

[責(zé)任編輯：朱麗娜]