直升机飞行控制第7章

1第7章光传飞行控制系统7.1光传飞行控制系统概述7.1.1光传操纵系统概述1发展背景自1903年莱特兄弟用机械操纵系统完成人类首次飞行以来，科学技术突飞猛进，飞机性能不断提高，飞机上各种系统也日趋完善。然而飞机操纵系统的发展相对缓慢，机械操纵系统仍在许多飞机上使用。这种系统在驾驶杆和飞机的舵机之间存在一套相当复杂的机械联动装置和液压管路。驾驶员操纵驾驶杆，通过联动装置控制舵面，以保持期望的飞行姿态和航迹。随着飞机性能的不断提高，这种单纯的机械操纵系统已远不能满足要求。于是设计者们借助于增稳系统和控制增稳系统改善飞机的操纵性能。尽管如此，机械操纵系统的固有缺点还是难以克服，如体积大、重量大、存在摩擦间隙非线性等。上世纪50年代末人们提出了一种全新的方案——电传操纵系统(FBW:Fly-by-Wire)，它消除了机械操纵系统中布满机身内部的连杆装置。电传操纵系统的优点是明显的，它减轻了操纵系统的重量，减少了体积，节省了设计和安装时间，提高了飞行操纵系统的可靠性、生存性，大大改善了飞机的操纵品质。但电传操纵系统也有其自身的缺陷，其中最主要的是它不能防御电磁干扰(EMI)和闪电等造成的电磁脉冲(EMP)。现代飞机性能不断提高，电子设备日趋复杂，飞机的大型化和采用余度技术等必然导致电缆用量增加、线路布局更加复杂，增加了各线路间的干扰、地环流的相互影响等，严重时系统将不能正常工作。与此同时，未来的飞机期望采用复合材料代替目前使用的铝合金，这对于减轻飞机重量，从而提高飞机机动性是极为有利的，预计可减少飞机重量的15%～40%。但作为飞机蒙皮的铝合金外壳起着屏蔽罩的作用，它可大大减轻飞机遭电磁干扰时对飞控系统的影响，铝合金材料应用的减少、复合材料应用的增加意味着屏蔽作用的削弱乃至消失，因此必须采取防御措施。另外，核爆炸时会产生强烈的电磁辐射，电磁场强度相当大，对金属导线及电子元器件组成的电传操纵系统的危害相当大。作为军用战术飞机，电子战的对抗也对飞机内的电子系统的生存能力提出更高的要求。解决上述问题的最基本方法是把光纤传输技术应用于飞控系统，即光传操纵系统(FBL:Fly-by-Light)。所谓光传操纵，是指飞机的飞行控制，发动机控制和航空电子系统中以光纤作为信号传输媒介，以光的形式代替电信号传输。它可有效地防御EMI、EMP，防止雷击、核爆炸等引起的电磁脉冲干扰，而且具有体积小、重量轻、传输容量大等优点，从而大大改善了飞机的操纵品质，提高了飞机系统的可靠性及生存能力。可以预见的是，光传操纵系统将首先在直升机上得到广泛应用。因为相对于固定翼飞机，直升机空间更加狭小，基本上所有的电子设备均集中于机头座舱的下方，相互干扰严重。并2且由于直升机特定的飞行任务，它在工作中更易受外界环境的影响。随着现代化战争的发展，直升机被越来越多的应用于电子战，信息战等非常规作战任务，光传操纵系统在直升机上的应用显得更为重要。由光纤代替铜导线传输是二十世纪90年代后的必然趋势，光传操纵系统被航空界誉为第三代操纵系统。2光传操纵系统的优点光传操纵系统采用光纤作为传输媒介，信号传输以光的形式，而不是以电的形式进行传递，因而具有许多独特的优点：1)光纤可以有效地防御电磁干扰、电磁感应以及由闪电或雷击引起的电磁冲击，对核爆炸引起的电磁脉冲不敏感，这是光纤用于飞控系统最直接、最主要的原因。2)光纤一般由SiO2晶体组成，纤芯很细，可以大大减轻系统的重量。如1公里长8芯光缆仅重60千克，而1公里长8芯铜缆重4.8吨。军用特制光缆每公里仅5千克左右。3)光纤是介质材料，不向外辐射能量，不存在金属导线所固有的地环流和由此引起的瞬间扰动。4)光纤的频带很宽，传输信号速率高、容量大，利用时分复用技术和波分复用技术可实现信号的多路传输，由此可大量降低传输线缆所占的空间，减小体积。5)光纤在机载环境下(高温、高压、振动等)抗腐蚀性和热防护品质优良。6)光纤的电隔离性好，避免了电火花的产生，从而消除了电火花引起爆炸的可能性。7)传输损耗低，同轴电缆1.5公里需有中继站，而光纤可传输上百公里无需中继站。8)与铜电缆相比，光纤具有较大的成本优势。表7-1为美国A-7飞机的飞控系统采用光纤和铜导线的比较，从中可看出光传的优势。表7-1A-7飞机的光传、电传比较铜导线光纤比较所用数量30213减少95.6%电/光缆连接器质量(千克)14.451.2减少91.7%总长度(米)576.168.3减少88.1%费用(美元)16301030减少58.2%3研究概况国外对光传系统的研究早在70年代初就已经开始，特别是以美国为首的西方国家凭借先进的科技和雄厚的资金，对光传系统的研究处于领先地位，已取得了一系列成果。1975年，美空军飞行试验中心在A-7D飞机上利用光纤作为数据传输线，同时备有双通道的同轴电缆传输线。数据传输可采用下列三种方法中的任一种：a)通过光纤传输;b)通过同轴电缆传输;c)光纤和同轴电缆同时传输。1979年，美国洛克希德-乔治亚公司在一架卡普罗尼喷气滑翔飞机上试验了光传操纵系统，把光纤信号传输用于俯仰通道的控制，其目的是在飞行中研究和评定一种采用光纤进行指令和反馈信号传输的闭环数字飞行控制系统，于1979年9月进行了试飞，获得了满意的结果。试验表明：与电传操纵系统相比，光传操纵系统在抗电磁干扰、减轻重量、提高可靠性等方面有明显的优势。3到1985年，美空军在A-7D飞机上用光纤系统进行了总共21次、历时110小时的飞行试验，在此期间，光纤传输系统及机载计算机没有发生信息错误。同时，美陆军也于1984年对装有先进数字式光传操纵系统(ADOCS)的UH-60A黑鹰直升机进行了试飞。研制ADOCS的目的是将它配备于各种作战目的的飞控系统，以完成夜间飞行、贴地飞行、巡逻/攻击等任务。ADOCS计划的研制集中了美国大量的人力、物力。贝尔直升机公司、波音飞机公司、麦道公司等大公司参与开发研制，耗资上亿美元。该系统由光传感器、三余度光缆、微处理机等组成。采用光传操纵系统可使直升机飞控系统的重量减少25%左右，这对提高武装直升机的机动性等各项指标十分有利。预计全FBL系统很可能首先应用于大量使用复合材料的军用直升机。上世纪80年代末至90年代初，美国为保持光传系统的领先地位，国防部(DOD)和NASA主持了一系列研究开发计划，如先进数字式光传操纵系统ADOCS计划、光纤控制一体化计划(FOCSI)、未来先进控制技术研究(FACTS2000)计划等，其中ADOCS计划已基本完成，FOCSI计划也已进入第二阶段。7.1.2光传操纵系统总体配置一般情况下，最基本的光传飞行控制系统的结构配置如图7-1所示。在该系统配置中，飞行员指令、飞机运动姿态、大气数据等信息由光学传感器感应出来，通过光纤数据总线传输给飞行控制计算机。由于目前距离纯光学计算机的实用还有相当遥远的距离，因此目前的计算任务仍由电子计算机承担。因此，计算机需要将光纤上的光信号转换成电信号后才能进行解算处理。处理完毕后的数据再经电光转换接口转换成光信号，通过光纤传递给各舵面作动器及座舱内的相应仪表。4图7-1典型光传系统配置框图57.2光传操纵系统的关键技术在目前所研制的FBL系统中，计算机发出的指令信号及电传感器的信号必须经电/光转换才能在光纤中传输，光信号也需经过光/电转换成电信号去驱动舵机。系统中各种信号的测量、放大、处理等仍依赖于电气系统。从光传系统的性能和发展趋势看，研制纯光传系统是必然趋势和最终目标，要实现这个目标还有许多关键技术需要研究。本节将讨论光传操纵系统中的几个关键技术。7.2.1光传操纵系统的关键组件FBL系统的性能和可靠性取决于光源、光纤、光检测器等光电器件，因此，光电器件的选择是成功设计光传系统的关键之一，不同于其他民用领域，航空领域的应用特别强调可靠性和使用寿命。下面讨论航空领域光电器件所应具有的特性。1光源及调制技术1）光源众所周知，航空光电系统是在非常恶劣的环境下工作的，温度从-55℃～125℃，且振动很大。发光器件一般采用发光二极管（LED）或激光二极管（LD）。发光二极管的特点是寿命长、温度特性较好、价格低廉、可靠性高、适用于低、中速短距离传输系统。其缺点是与光纤耦合比较困难，耦合效率较低。激光二极管的特点是功率较大，发射角小、光谱特性好、适用于高速长距离传输系统。缺点是工作寿命短、存在模式干扰、可靠性一般并且制造工艺难度大、成本高。使用激光二极管时，还需要增加自动温度控制（ATC）、自动功率控制（APC）和寿命监测报警等辅助电路，从而使得调制电路结构比较复杂。2）光源调制技术目前广泛使用的光纤通信系统均为强度调制——直接检波系统，对光源进行强度调制的方法有两类，即内调制和外调制。(I)内调制技术内调制，即直接对光源进行调制，又称为直接调制，它通过控制半导体激光器的注入电流的大小，改变激光器输出光波的强弱。内调制方式的特点是：简单、损耗小、成本低、输出功率调制电流成正比。但由于调制电流的变化将引起激光器发光谐振腔的长度变化，从而引起发射激光的波长随调制电流线性变化，即产生调制啁啾，它实际上是一种直接调制光源无法克服的波长(频率)抖动。啁啾的存在展宽了激光器发射光谱的线宽，使光源的光谱特性变坏，限制了系统的传输速率和距离。一般情况下，在常规G.652光纤上使用时，传输距离≤100km，传输速率≤2.5Gb/s。(II)外调制技术外调制，即不直接调制光源，而是在光源的输出通路上外加调制器对光波进行调制，此调制器实际起到一个开关的作用。这种调制方式又称作间接调制。恒定光源是一个连续发送固定波长和功率的高稳定光源，在发光的过程中，不受电调制信号的影响，因此不产生调制频率啁啾，光谱的谱线宽度维持在最小。光调制器对恒定光源发出的高稳定激光根据电调制信号以“允许”或者“禁正”通过的方式进行处理，在调制的6过程中，对光波的频谱特性不会产生任何影响，保证了光谱的质量。与内调制激光器相比，大大压缩了谱线宽度，一般能够做到≤100MHz。外调制方式的激光器比较复杂、损耗大、而且造价也高。但调制频率啁啾很小或接近于无，可以应用于≥2.5Gbit/s的高速率传输，而且传输距离也超过300km以上。2光纤光纤是一种传导光波的介质传输线。普通光纤是一种透明的圆柱形细丝，其核心部分由圆柱形玻璃纤芯和玻璃包层构成，最外层是一种弹性耐磨的塑料护套。实用光纤为保持足够的强度，还在纤芯包层外涂有环氧树脂和硅胶保护层。其典型结构如图7-2所示。护套包层纤芯n2n1[或n(r)]图7-2光纤的结构2a2bn1n2125μm8-12μm(a)阶跃折射率单模光纤2b2an2n1125μm(b)阶跃折射率多模光纤50μm2b2an2n(r)125μm(c)渐变折射率多模光纤50μm图7-3几种主要的光纤传输方式按照纤芯折射率分布和光纤传导模式不同，可把光纤分为三类，如图7-3所示。一般光纤纤芯折射率1n和包层的折射率2n都为一常数，且12nn，在纤芯和包层的交接面处折射率成阶梯型变化，如图7-3(a)、(b)所示。光纤纤芯的折射率1n随着直径的增加按一定的规律减少，到纤芯与包层的交界处为包层的折射率2n，称之为渐变折射率光纤，如图7-3(c)所示。7当光纤的纤芯很细时，光纤只允许与光纤轴一致的光波射入光纤端面，并在光纤中传播，这种光纤称为单模光纤（SMF），如图7-3(a)所示；当光纤的纤芯较粗时，则可允许光波以多个特定的角度射入光纤端面，并在光纤中传播，这种光纤称为多模光纤（MMF），如图7-3(b)、(c)所示。3光电转换器光电转换组件担负光/电和电/光信号的互相转换工作，是当前光电混合系统中的关键部件。一般情况下，光收发器由发送端机和接收端机组成。发光二极管(LED)和激光管发射器及接收器的原理电路如图7-4示。LED+V+V前置放大器主放大器比较器偏置电路PINRR(a)LED收发器原理驱动电路LDAPCATC保护及告警电路+V前置放大器主放大器比较器PINR(b)LD收发器原理图7-4光发射端机及接收端机原理框图光发射端机的偏置电路