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从波音777到A380和波音787,民用飞机航空电子系统的综合已经到达了一个前所未有的水平。温故而知新,在我们准备开始大飞机研制的今天,了解航电发展趋势,看清我们的差距,我们才能沿着正确的方向到达胜利的彼岸。
航空电子系统综合化的形成
真正的综合化航空电子系统的形成,应该是以20世纪90年代中期波音777飞机为标志的。它突出表现在:将飞行管理系统、推力管理计算、中央维护管理、显示管理、飞机状态监控等航空电子系统的基本功能综合在一起,组成了功能强大的飞机信息管理系统(AIMS);首次使用了称之为机柜(CABIENET)的综合航空电子系统核心处理部件,并在其中安插了若干外场可更换模块(LRM)。一般来说,1个LRM由5块线路板组成,而每个LRM的功能可能是以前几个外场可更换组件（LRU）的功能;液晶平板显示器(LCD)代替了体积、重量和功耗较大的阴极射线管显示器(CRT);采用了速度更快的ARINC629双向数据总线等。波音777的 AIMS和LCD显示等系统由霍尼韦尔公司提供,通信、导航和自动飞行等系统采用了罗克韦尔·柯林斯公司的产品。
波音777综合化航空电子系统结构的特点是,系统共享综合处理器,并通过高速数据传输总线将航空电子系统联成一个综合的网络。
虽然AIMS系统使波音777航电系统的体积和重量大幅度下降,但AIMS系统的综合仍限于航电系统功能的层面,它的每个LRM仍有独立的电源和自己的输入/输出接口,LRM之间不能互换。
A380和波音787飞机的出现进一步推动了航电综合化的发展。这很大程度上得益于21世纪以来,电子计算机的功能更强、体积更小,以及实时、高效、安全和可靠的通信网络(航空以太网)的出现(可将核心计算机与机上传感器和显示器连接起来)。核心计算机(或核心处理部件)机柜,不但综合了航电系统的功能,还把非航电系统的处理功能也综合了进来(如燃油系统、电源系统、液压系统、环控系统、飞行操纵系统、防冰系统、防火系统、起落架系统、舱门系统等)。这些系统可以在核心处理器部件上建立虚拟平台,用虚拟通道传送数据。全机的计算资源通过虚拟网络的连接,可不受物理位置的限制,达到更高层次的全机资源共享。
这项创新带来了技术上的飞跃,它具体表现在:综合水平的提高,即不仅包含了航电系统的功能,而且包含了非航电系统的功能;机柜中的LRM大多数都是相同且可互换的(称之为通用处理组件);这些通用处理组件的硬件相同,操作系统相同,但加载不同的应用软件,就可以完成不同的功能。
新一代民用飞机的综合航电系统
A380飞机的综合航电系统
虽然A380和波音787飞机在航电系统综合上都达到了高水平,但在具体实施上又各有不同。A380飞机综合航电系统的核心部件,称之为模块化的综合航电系统(IMA)。A380共有32个IMA模块,4个用于显示、告警等功能;4个用于起落架;4个用于环控、引气等功能;4个用于数据管理;2个用于电气系统。另外的14个IMA模块,主要用于电传操纵系统、自动驾驶系统、液压系统、燃油系统等。这些都属于LRM,其中的核心处理和输入/输出模块称为CPIOM。每个CPIOM模块均含有1个中央处理器线路板,1个电源和输入/输出线路板,2个输入/输出线路板,1个PCI内部互联板和端系统电路。
特别是,A380的飞行管理系统的控制显示器(CDU)与驾驶舱里仪表板上6个显示器相同,都采用了20厘米×25厘米(8英寸×10英寸)的LCD,以便显示更多的信息。泰雷兹公司提供了部分IMA模块和LCD显示系统等。罗克韦尔·柯林斯公司提供了通信、导航系统和100兆字节/秒(Mbps)的航空以太网(AFDX)等。
波音787飞机的综合航电系统
波音787飞机的综合航电系统主要由通用核心系统(CCS)组成,它包括2个通用计算设备(CCR)、10个通用数据网(CDN)和18个远程数据采集器（RDC）等。每个CCR机柜中都安插有若干个通用处理模块(GCM)、LRM以及100兆字节/秒的CDN。它除了航电系统的综合外,还综合有燃油系统、电源系统、液压系统、环控系统等非航电系统的处理和控制功能。
由于各通用处理模块有相同的硬件和操作系统,加载不同的应用软件,就可完成不同的功能,它既可完成单项功能,也可完成多项功能,而且支持应用软件的隔离,不同级别的软件能在同一平台上运行。
波音787的驾驶舱里仪表板有4块22.5厘米×30厘米的大屏幕LCD液晶显示器,一改过去波音传统的6个显示器布局,而且每个显示器可分割成多个窗口,以显示不同的信息。该机还采用了综合的传感器,如综合无线电导航系统(INR)、综合监视系统(ISS)和综合地球参考系统(ERS)等。
罗克韦尔·柯林斯公司提供了其中的LCD的显示、综合的无线电导航系统、监视等系统和100兆字节/ 秒的CDN数据网;史密斯公司提供了CCS等系统。
未来的发展
只要航空电子系统创新的原动力存在(如体积、重量、功耗和成本的降低;安全性、可靠性和可维修性的提高;功能更多、性能更好;更自动化、智能化;减轻机组的工作负担等),航空电子系统的综合化创新就不会停止。
可以预言,系统综合化下一步的目标是:采用统一航空电子网络优化综合航空电子结构,进一步提高综合程度;实现人工智能、模式识别(包括语音识别)、传感器系统综合;宽带天线以及实现天线共用等。
我们的差距
我们正在启动大飞机工程,航空电子系统是其关键系统之一。作为飞机“大脑”和“神经中枢”的航空电子系统,其研制周期长、风险大、研制成本高,并且我们的经验少。
大飞机要十年后才能投入使用,以航空电子系统现在的发展速度,今天的先进技术,五年后就可能要落后。所以,应及早统筹考虑其先进性和成熟性,是自主创新还是从国外引进,研制成本和风险等问题。
笔者认为,大飞机的航空电子系统水平至少要与波音777相当。由于大客机要面对激烈的市场竞争,还有一些的技术应向波音787看齐。但国内的航空电子系统研制与国外还有较大的差距,主要表现在设备研制、系统综合和标准规范体系方面。
设备研制
目前国外航空电子设备已有通用飞机系列、支线机系列和大飞机系列。每个系列又有若干个产品可供选择,但国内民机产业较薄弱,致使我们的航空电子设备也品种少、不成系列,国产Y12、MA60、ARJ21等飞机只好采用国外设备。
在可靠性方面,国外航空电子设备的平均故障间隔时间(MTBF)一般都在上万小时，甚至几万小时,我们的差距较大。
在精度、分辨率、信噪比等性能指标上亦存在差距。
环境试验方面,国外航空电子设备一般按RTCA DO-160(最新版本为E)进行环境鉴定试验,特别是设备的闪电间接效应试验和高强度辐射场(HIRF)试验。据笔者了解,国内没有HIRF的试验室和相应的标准规范。除合肥航太电物理技术研究所做过个别设备的闪电间接效应试验外,国内的绝大部分设备没有做过闪电间接效应试验，更不要说HIRF试验了。
在售后服务方面，除了在用户资料、培训等方面有差距外,国外航空电子设备的供应商一般都有全球性的备件供应网(根据公司的大小,形式不一)和每天24时、一年365天的不间断的客户服务,而我们差距较大。
在TSO认证方面,绝大多数国外航空电子设备都有适航当局颁发的TSO证,而我国航电制造业尚未建立适航体系。
我们在系统体积、重量和功耗方面的差距,以及维修性方面的差距也很大。
系统综合
目前国内在军机航空电子系统研发时,已越来越重视系统的仿真和研制后期的综合试验。像航空电子综合系统这样的现代工程问题,系统的规模较大,系统的接口关系多,系统的结构和控制逻辑比较复杂,而且软件与硬件相结合,技术难度大,导致系统的研制周期较长,研制成本也比较高。过去我们要等到整个真实的系统研制完成后,才能进行试验,得到系统的研制结果。一旦出现失误,就会造成人力、物力和时间上的损失和浪费。
近十年来,国外在研制航空电子系统时,不但重视系统研制后期的综合试验,而且更加重视系统研制初期的仿真试验。在设计初期,仿真可用于飞机总体对系统要求的确认;系统方案、结构的选择对比;人机界面的设计和飞行操作程序优化(飞行员参与)以及将功能和性能指标的分配到分系统、设备(作为分系统和设备研制要求)等。随后，在设备研制的支持、系统的软硬件综合上，系统的半物理仿真和全物理联试都将发挥重要作用。在飞行试验和飞机投入使用后，仿真还可用于系统和设备的排故等。这些都需要前期的大量投入。
标准规范体系
国外标准规范除军标体系外,民用飞机既有适航方面的，也有ARINC、RTCA、SAE等系列的文件,用来指导航空电子系统和设备研制的全过程，如软硬件的研制均以RTCA的最新版本进行。而国内在航空电子系统和设备研制标准规范体系方面差距很大。
综上，建议国家在以上方面加大投入,在整合资源、齐力攻关的同时,兼收并蓄国内外先进技术,走我们自己的创新之路。只有这样,我们才能在不远的将来,建立起完整的航空电子系统和设备研制的标准规范体系,掌握系统综合的方法并拥有系统综合的手段,在航空电子系统的研制技术上,达到乃至超过世界先进水平。 |
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发表于 2007-7-8 19:34:24
