电动航空和飞行控制技术的发展

航空电动化早已经是产业趋势，欧美在20世纪80年代就开始了多电飞机（MEA, More Electric Aircraft）技术研究。历经几代技术发展革新，今天的eVTOL飞行器很多已经面向全电飞机（AEA, All Electric Aircraft）设计。

多电飞机

多电飞机技术是航空科技发展的一项全新技术，它改变了传统的飞机设计理念，是飞机技术发展史的一次革命。在多电飞机技术中，电能成为飞机上唯一的二次能源，极大提高飞机的可靠性、可维护性以及地面支援能力。在民用飞机上，多电飞机技术得到了广泛的应用，最具代表的为空客A380飞机和波音787型飞机。在军用飞机上，最具代表的为F-35战斗机。

如果把能源动力系统比喻成飞机的“心脏”，那么航电飞控系统就是飞机的神经中枢“大脑”。类似电动汽车与自动驾驶的关系，电动航空和自动飞行也是相辅相成的助力。

飞行控制系统 (Flight Control System)

用以全部或部分地代替飞行员控制和稳定飞机的运动，并能改善飞行品质的反馈控制系统。除具有自动驾驶仪的功能外，还可改善飞机的操纵性和安定性，实现航迹控制、自动领航、自动着陆、地形跟随、自动控制机动飞行中机翼载荷分布、自动瞄准和编队飞行等。为起到这些作用，飞机上相应地安装具有各种功能的分系统，如控制增稳系统、自动飞行仪、高度与速度控制系统、侧向航迹控制系统、自动着陆系统、地形跟随系统、机动载荷控制系统、瞄准控制系统、编队控制系统等，飞机飞行自动控制系统就是各分系统的组合。每个分系统一般包括测量飞机有关运动参数的传感器，对参数进行处理的计算机，带动有关操纵面和油门的执行机构，以及自动回零系统、耦合器和飞行控制盒等部件。

自动飞控系统（AFCS）/自动飞行仪（Autopilot）

自动飞控系统（AFCS）/自动飞行仪（Autopilot），是按技术要求自动控制飞行器轨迹的调节设备，其作用主要是保持飞机姿态和辅助驾驶员操纵飞机。对无人驾驶飞机，它将与其他导航设备配合完成规定的飞行任务。导弹上的自动驾驶仪起稳定导弹姿态的作用，故称导弹姿态控制系统。自动驾驶仪是模仿驾驶员的动作驾驶飞机的。它由敏感元件、计算机和伺服机构组成。当飞机偏离原有姿态时，敏感元件检测变化，计算机算出修正舵偏量，伺服机构将舵面操纵到所需位置。

Garmin G1000 通航自动飞行仪

20世纪60年代之后，产生了两个对现代飞机发展具有标志性、划时代意义的飞行控制概念——主动控制和电传操控，改变了传统飞机的设计理念，大幅提升了飞机的飞行品质，成为新一代军机和先进民机的典型标志，比如F-16、F-18、Su-27、J-10、A-320、B-777。

主动控制技术（ACT）

常规的飞机设计可以用下述方式描述：根据任务要求，考虑气动力、结构强度和发动机三大因素，并在它们之间进行折衷以满足任务要求，这样为获得某一方面的性能就必须在其他方面做出让步或牺牲，例如为实现更好的气动稳定性就必须在尾翼的重量和阻力方面付出代价。折衷之后就确定了飞机的构形，再经过风洞吹风后，对飞机的各分系统（其中包括飞行控制系统）提出设计要求。这里飞行控制系统和其他分系统一样，处于被动地位，其基本功能是辅助驾驶员进行姿态航迹控制。到了20世纪60年代，随着飞机性能需求的不断提高，在传统飞机设计过程中产生了诸多难以克服的矛盾。为此，诞生了一种新的飞机设计思想——主动控制技术(Active Control Technology，ACT)，即在飞机设计的最初阶段，就把飞行控制系统提高到和上述三大因素同等重要的地位，成为选型必须考虑的四大因素之一，充分考虑飞行控制对提高飞机性能的作用和潜力，以放宽对气动结构和发动机等方面的限制，而依靠控制系统主动地提供补偿，从而形成飞控、气动、结构和推进四者之间的综合协调。

电传操控技术（FBW）

到了20世纪60年代，随着飞机性能需求的不断提高，机械操纵系统的缺陷也逐渐显现出来，比如：体积、重量很大，结构复杂；舵面的气动力沿着连杆传到驾驶杆，会使驾驶杆易产生非周期振荡；由于控制增稳系统权限有限，无法解决现代高性能飞机操纵与稳定中的许多问题。这些缺陷制约着飞控系统的进一步发展，其根本原因还是在于机械杆系的存在。得益于电子计算机的飞速发展、现代控制理论和余度技术的日趋成熟，20世纪70年代初，在控制增稳系统的基础上，产生了一种全新的电子飞控系统——电传操纵系统(Fly-By-Wire System，FBWS)。它去掉了驾驶杆到舵机之间的机械传动机构，飞行员操纵指令完全以电信号的形式直接传输到舵机伺服控制回路，不仅较好地克服了机械操纵系统的固有缺陷，还方便地实现了主动控制功能，这是飞控系统发展的重要变革。

采用电传操纵系统的飞机可采用小侧杆来操纵，而传统的飞机机械操纵系统一般都采用中央驾驶杆，与之相比这样既可减轻飞行员的工作负担，又可使飞行员观察仪表的视线不再受中央驾驶杆的影响，同时也消除了重力加速度对飞行员和驾驶杆输入量的影响。

电传操纵系统也存在一些缺点，比如单通道电传操纵系统的可靠性不够高，因为电传操纵系统的可靠性跟电子元件的质量有关。为了提高其可靠性，现代军用和民用飞机均采用三余度或四余度电传操纵系统。另外电传操控系统成本较高。如果就单通道电传操纵系统而言，电传操纵系统的成本低于机械操纵系统。但电传操纵系统必须采用余度系统才能可靠工作， 所以电传操纵系统的总体成本还是比较高的。另外电传操纵系统容易受雷击和电磁脉冲干扰影响。飞机飞行中难免会遇到雷暴等恶劣天气。为了保证飞行安全，电传操纵系统需要解决雷击和电磁脉冲干扰的危害。此外，由于现代飞机越来越多地采用复合材料，这样系统中的电子元件失去金属蒙皮屏蔽的保护，故抗电磁干扰和抗核辐射的问题更为突出。

自动飞行技术的发展

1914年6月18日，Lawrence Sperry和助手在塞纳河上公开验证了世界上第1台自动飞行仪（Autopilot）的自动飞行过程，后来Sperry公司并入并成为了Honeywell航空航天部门一部分。

1933年神奇的独眼飞行员Wiley Post使用Sperry的自动飞行仪在8天内独自实现了环球飞行，自动飞行设备和通信导航系统的帮助功不可没。

在二战期间，Honeywell推出了 C-1自动飞行仪，这是一种专门为降低飞行员疲劳设计的机械电子系统，在平飞或一般机动中能自动操控飞机取代飞行员长时间的手动操控飞机。

二战后Honeywell 开发了自适应控制策略的自动飞行仪，这也是早期的自适应改变增益的飞行控制律，应用在F-94，F-101，X-15和X-20飞行器上。

#Anecdotes

自动飞行仪口语中经常被飞行员称为“George”，比如Let George fly the plane意思是让飞机自动飞行一会儿吧。

为什么把Autopilot称为George呢？

一个版本故事是最早George De Beeson申请了自动飞行方面的专利，于是后来大家习惯称Autopilot为George. 版本二出自一架配了自动飞行仪的飞机（King George VI），以及版本三来自以前电视剧和广告词“Let George do it”.

现代自动飞行系统由自动飞行仪、自动油门杆系统、自动导航系统、自动着陆系统、自动地形跟随等系统构成。

之前介绍的自动飞行仪的传感器信息主要来自航电系统中的航向姿态参考基准、高度和高度差信号，它的主要功能是航向角、姿态角的给定保持，以及飞行高度的给定保持，在长时间稳定飞行中使用自动飞行仪控制飞机，可以大大减轻飞行员的负担。

自动油门杆系统是一种经常与自动驾驶仪配合使用的系统。它通过驱动油门杆改变发动机推力而对飞机的飞行速度进行自动控制，一般不具备独立计算机而由自动飞行仪计算机完成控制律计算。自动油门杆执行机构是油门杆作动器，与自动飞行仪配合工作，可以精确控制飞机的航迹、姿态及飞行速度，对飞机的自动着陆、地形跟随等都起到非常重要的作用。

现有载人飞控的主要厂商

市场上各类⻜⾏控制产品众多，按照安全程度和智能等级不同可以分为不同的应⽤领域。很多⼯业⻜控产品最早源⾃PX4或Ardupilot等开源框架，根据不同场景和需求进⾏产品化。这类⻜控在⾯向适航以及更⾼安全等级的场景时不再适⽤，在货运军⼯、载⼈⻜⾏场景下，国内⾮常缺乏⻜控系统供应商。特别在⺠⽤载⼈⻜控场景下，全球范围内满⾜适航要求的⻜控供应商呈现出⾼度垄断态势，核⼼技术掌握在Honeywell，Collins， Garmin， Thales和BAE这⼏家航电巨头⼿中。

霍尼韦尔航空航天

Honeywell Aerospace

Honeywell基于大型民机的飞控推出了适用于23部的紧凑型飞控系统，具备5大特点：

1 轻便尺寸重量的电传飞控可以灵活适配到各种机型设计中

2 基于民航航电架构设计具备极高的安全性

3 适配多种飞机构型，满足23部适航要求

4 非常低的维护成本

5 源自B-787和C-919等项目丰富的飞控开发验证

柯林斯宇航

Collins Aerospace

Collins Aerospace的Perigon™计算机将成为第一个使用英特尔凌动x6400E处理器并通过认证的航空解决方案。这款先进的处理器将让Perigon计算机能够广泛地支持各类飞机平台，满足客户对下一代飞行控制和飞机管理的需求。为了将单人驾驶和自主操作等先进功能变为现实，未来的飞机需要将机载计算能力提高一个数量级。在英特尔凌动x6400E处理器的支持下，Perigon计算机的处理能力将是柯林斯宇航现有飞控计算机的20倍，同时客户能够加载各种复杂的软件应用，包括电传操纵系统和自主飞行控制。此外，由于凌动x6400E处理器提供了比市场上任何其它处理器都高的每瓦处理性能，最大限度地降低了功耗和发热，从而让Perigon计算机在严苛的飞机散热环境中更好地运行。英特尔的适航证据包（Airworthiness Evidence Package）还将帮助Perigon获得美国联邦航空管理局（FAA）的认证，推动飞机级别认证。根据客户的需求，Perigon可以配置为单工、双工或三工冗余，并可用于商用飞机以及直升机等平台。

泰雷兹

Thales/Diehl

Thales为空客（Airbus）适用于城市空中交通飞行器CityAibus NextGen提供非相似架构的飞行控制系统FlytRise, 其中三余度主控（eFCC）由Thales设计，备份控制系统（eBFCU）由Diehl提供，属于完全非相似飞控架构设计，预期在2023年完成首飞。

#续篇预告#

载人飞行控制技术难点

民用载人飞控主要难在三个方面：

（1）适航安全；（2）智能操控；（3）通用适配

参考文献

[1] Honeywell, Evolution of Honeywell First-Generation Adaptive Autopilot and Its Application to F-94, X-15, and X-20 Vehicles

[2] Gangadhar, History of Autopilot

[3] 百度百科 - 自动驾驶仪