一種僅靠「調節發動機推力」的備份飛行控制系統

新聞 02-09

原標題：一種僅靠「調節發動機推力」的備份飛行控制系統

大型飛機由於常規操縱舵面失效、飛行控制能力喪失而導致重大的飛行事故，在各個國家航空史上屢見不鮮，其中不乏機毀人亡的嚴重後果。

這裡，介紹一種僅靠「調節發動機推力」的備份飛行控制系統。

01 觸目驚心的空難事件

在 1989 年之前的 20 年時間裡，因為飛機飛控系統失效導致的飛行事故有 10 多起（包括軍機和民機），大約 1200 人在事故中喪生。

在這些事故中，傷亡最慘重的是日本航空 123 號班機空難和美國蘇城空難，兩起空難共造成了 631人死亡。

1985 年 8 月 12 日，日本航空公司的一架波音 747 客機，由於後壓力框破裂，使機艙內壓力急劇降低，飛機垂直尾翼損壞並在空中分解，緊接著液壓系統失效，導致飛行控制能力完全喪失，飛機撞山墜毀。

最終致使乘客和機組人員中僅 4 人獲救，其餘 520 人全部罹難。

日本航空公司波音 747 尾翼損壞圖，如下圖所示。

02 終級備份的意義

因此，即使飛控系統的設計已滿足當時的適航規章要求，我們仍希望採取一些額外的手段，進一步增加飛機的安全性，增強民眾的信心。

終極備份作為一種超越適航要求的設計，在目前主流機型中多有體現。隨著電傳飛控系統的發展和複雜電子硬體的廣泛應用，終極備份在減緩系統共模故障影響和增強局方審定信心方面，也起到了積極的作用。

這裡介紹的，僅靠「調節發動機推力」的控制系統，可以作為一種備份實現形式，為終極備份系統的設計，提供了另外一種全新的思路。

03 僅調節發動機推力的備份原理

在很多嚴重事故中，雖然飛控系統失效，但飛機兩側的發動機仍能工作正常。

通過調節發動機推力，為故障飛機提供一定的控制能力。這就是發動機推力控制（PCA，Propulsion Controlled Aircraft）備份方案。

發動機推力線一般位於重心下面，並且有一定大小的安裝角。這樣的發動機配置，對於調節發動機的油門大小（對稱油門、差動油門），改變飛機所受的力和力矩，最終實現三軸應急控制是非常有利的。

04 成功案例

2003 年 11 月 22 日，一架剛自巴格達起飛的敦豪速遞公司（DHL）的空客 A300 貨機，遭到地面導彈襲擊，左翼中彈後導致液壓系統完全失效。中彈圖片如圖所示。

3 名機組人員，只能靠手動調整兩個發動機的推力，勉強維持機身穩定並最終安全降落。

這架飛機成為有史以來第一架，在完全失去液壓控制後，還能安然降落的大型民航飛機。

A300 貨機遇襲事件，讓各國的航空安全主管單位再度注意到飛機在飛行中失去液壓的危險性，這也促使各國政府與航空產業開始研發可以完全不靠液壓系統就能安全降落的新技術。

美國國家航空航天局（National Aeronautics and Space Administration，NASA）早在 1989 年就開展了這項技術的研究。

NASA 對 PCA 的定義是：

當飛機常規操縱舵面（升降舵、方向舵、副翼等）失效時，駕駛員能夠實現安全著陸的計算機輔助發動機控制系統。NASA 希望在飛機主控系統失效情況下，能夠找到一個替代的控制策略，只通過控制發動機實現飛機的安全著陸，從而降低事故發生率。

通過調節發動機推力進行飛機軌跡控制，其中縱向通道主要是控制飛機對稱推力，使速度和俯仰力矩發生變化，以控制飛機的縱向軌跡；側向通道則控制差動推力，形成的航向控制力矩以控制飛機水平面內的飛行軌跡。

05 備份方案架構

現代民機一般採用全許可權數字發動機控制系統（FADEC），使得飛行控制系統、推進系統的高度綜合成為可能。

推力調節應急飛行控制概念示意，如下圖所示。

圖中，駕駛員通過模式控制面板（MCP）輸入指令，指令信號和反饋信號（感測器測量得到）一起送入飛行控制計算機（FCC）。FCC 計算得到縱向控制的對稱油門、橫側向控制的差動油門的發動機指令信號，通過調節發動機推力大小實現應急飛行控制功能。

根據應急飛行控制的概念分析，可設計推力調節應急飛行控制的控制方案，如下圖所示。

圖中，駕駛員通過模式控制面板輸入航跡傾斜角和滾轉角指令，同步/差動推力解算模塊根據指令信號與感測器反饋信號，解算出左右兩側發動機控制指令，輸入到左側和右側發動機，產生髮動機推力作用于飛機，從而實現有限的三軸控制功能。

由於發動機推力調節很容易激發縱向長周期振蕩和橫側向的荷蘭滾模態，因此在控制系統的內環需設計增穩迴路，以抑制兩種模態的振蕩過程。

OK，這裡簡單介紹了僅靠「調節發動機推力」的備份飛行控制系統，如有疑問，歡迎留言討論哈。