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[22自动飞行] 一触即发:Alpha Floor功能如何保护飞机?

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发表于 2021-2-20 21:41:03 | 显示全部楼层 |阅读模式

这篇文章讲A320的控制法则。先放一张来自FCOM的原始图片。



01

俯仰法则概述


现在对图片做了一些处理,马上解释。




我们想象这是一个从左到右的信号传输过程。在正常情况下,为了控制飞机的俯仰姿态,在最左侧,侧杆给出机械输入;在最右侧,升降舵给出舵面变化。

从人的输入到机器的反应,这两者之间的全部复杂过程,在数学上是一系列函数,而在飞机设计和操纵的理论领域,被称为“控制法则”或“控制律”(control law)。

当飞机系统正常时,A320的控制法则被称为“正常法则”。在物理上,正常法则由众多计算机来共同实现;在抽象的理论层面上,则区分为不同的“保护”或“限制”功能。

“保护”和“限制”是从不同角度描述同一件事情,因此我们可能会在同一份资料里看到“载荷系数限制”和“载荷系数保护”两种说法,它们其实是同义词。


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对于俯仰姿态的控制,有4种“保护”或“限制”。

- 载荷系数限制,是所有飞行条件下都会“兜底”的功能。因此在这个原理图上,它和舵面离得最近。无论飞机以何种俯仰角、何种速度、何种迎角飞行,这个限制都一直在保护飞机的结构。载荷系数是由4个专用的加速计测量的。


- 俯仰姿态保护。如果故意大角度拉杆或者压杆,都将使飞机的速度明显离开正常范围,这在手册里叫做“快速损失能量”或“快速获得能量”。“能量”可以近似理解为与速度正相关。俯仰角是由ADIRU内部IR部分提供的。

- 高速度保护。在意外超过了最大允许操作速度VMO/MMO之后,姿态操纵被限制了,这能帮忙飞机更快地改出非正常状态。

- 大迎角保护。即使俯仰姿态和速度都正常,风切变或异常地形也可能导致飞机进入大迎角状态。这时候,迎角成为控制目标。迎角数据来自于ADIRU内部的ADR部分。


手册里所谓的“大迎角保护优先于所有其他保护”,意思是计算机会实时计算目标迎角,并让飞机的状态回归到这个目标迎角;至于载荷系数,只要它不超限即可——这由“载荷系数限制”功能来“兜底”。


手册讲“当大迎角保护激活时,正常法则的指令被修改,侧杆输入是迎角指令(AOA demand),而不是载荷系数指令(load factor demand)”,并不是说飞行员深思熟虑,决定通过侧杆来发出一个关于迎角数值的需求(demand),而是说,计算机在这种情况下选择了一个更加合理的控制参数。

在人看来,拉杆即抬头,压杆即低头;物理量是啥?太抽象了。可是在计算机看来,大多数时候侧杆输入的是俯仰姿态的改变量,而在大迎角保护激活时,它输入的是迎角的改变量。


根据设计,在紧急避障过程中,紧张的飞行员可以根据出于本能来拉杆并保持,飞机将先后获得“载荷系数限制”以及“大迎角保护”的加持,顺利地进入安全空域。


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02

速度与迎角的关系


FAC 计算出 VLS 和 Vα prot等限制速度,呈现在显示器上,使飞行员理解当前是否处于安全的飞行状态。



在正常情况下,飞机应该在 VLS 这个速度以上飞行,对应的最大迎角是 α VLS;在迎角继续增大到触发大迎角保护的 α prot 的过程中,空速是持续下降的。

迎角增大使飞机爬升,这使飞机的一部分能量被用于提高飞机的重力势能,因此动能下降,速度下降,这是理解迎角和空速关系的一种思路。

03

ALPHA floor保护与大迎角保护的关系


如果遭遇风切变,飞机的迎角突然增大,假如飞行员还未来得及作出反应,大迎角保护将会使飞机的迎角回归到 α prot,并继续爬升;而假如飞行员作出了拉杆的反应,迎角很可能明显超过 α prot ,但是被限制在接近但小于失速迎角的 α max。


但是,还有一个关键的迎角数值,那便是介于 α prot 和 α max 的 α floor。事实上,在遭遇风切变或紧急避障时,拉杆通常不会是温和的,因此很容易就让迎角达到 α floor,这就触发了 Alpha Floor 保护。

Alpha Floor保护将启动自动油门,无视推力手柄的位置,直接为飞机注入最高的能量——TOGA thrust。这就像触发了“火箭模式”,或者类似于自动踩了地板油。增加的能量能让飞机以更大的迎角、更高的速度离开危险区域。

因此,在紧急避障过程中,飞机实际上就先后获得“载荷系数限制”以及“大迎角保护”的加持,继而是Alpha Floor带来的最大油门,安全而迅速地进入安全空域。

即使没有拉杆动作,风切变也可能使得实际迎角连接突破α VLS、α prot 和 α floor,因此同样可能触发Alpha Floor保护。

但是,假如风切变未能使实际迎角达到 α floor,那么计算机只需要让迎角回落到 α prot,在这个过程中,最“左侧”的输入信号来自于 FAC 而不是侧杆,指令正是AOA目标值 α prot,而最“右侧”的输出仍然是升降舵。

04

Alpha Floor保护中的信号传递


Alpha Floor 保护是由 FAC 根据来自襟缝翼位置、实际迎角等触发条件来给出激活信号,计算机同样不需要知道侧杆的位置。

激活信号的传递路径将经过 FMGC、FCU、EIU 等部件,最后由 FADEC 来执行“火箭模式”。襟缝翼位置来自 SFCC;实际迎角则来自 ADIRU。

请参照下图理解这个信号的传递路径:FAC - FMGC - FCU - EIU - FADEC - ENGINE。


这个路径解释了为什么是这些情况可能导致飞机失去Alpha floor保护能力。其中就包括了SFCC和FAC同时失效的两种组合情况。正常情况下,为了完成迎角保护功能的计算,FAC需要获得来自同一侧SFCC的襟缝翼形态信号(F/S POS,参见前边的AMM图),因此至少要求有一组位于同一侧的SFCC和FAC是正常的。


总而言之,Alpha Floor保护是用于应对风切变和紧急避障的,它往往一触即发,让飞机秒变火箭,迅速脱险。而为了实现这样的功能,拢共有那么十来个计算机参与了控制法则的实施,实在不少,手指头已经数不过来了……


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