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【摘要】
綜合應(yīng)急儀表綜合地平儀、空速表、高度表的功能，信息顯示豐富直觀、易于識(shí)別，占用空間小，能實(shí)現(xiàn)玻璃化座艙設(shè)計(jì)，在大中型民航飛機(jī)和公務(wù)機(jī)上獲得普遍應(yīng)用。本文論述飛機(jī)綜合應(yīng)急儀表系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、綜合應(yīng)急儀表的構(gòu)成和特點(diǎn)、綜合應(yīng)急儀表系統(tǒng)的基本組成和在主要機(jī)型上的設(shè)計(jì)方案。
【關(guān)鍵詞】
綜合應(yīng)急儀表；姿態(tài)；空速；高度；磁羅盤(pán)；備份
為保障飛行安全，多數(shù)類型的飛機(jī)（包括旋翼機(jī)）都要求安裝一套與機(jī)上其他系統(tǒng)和設(shè)備相對(duì)獨(dú)立的應(yīng)急備份儀表系統(tǒng)。當(dāng)機(jī)上大氣數(shù)據(jù)系統(tǒng)、慣性導(dǎo)航系統(tǒng)、航向姿態(tài)系統(tǒng)、電子飛行儀表系統(tǒng)等部分或全部失效，導(dǎo)致機(jī)上主要的飛行儀表顯示失效時(shí)，應(yīng)急備份儀表系統(tǒng)能為駕駛員提供一組對(duì)飛行安全必不可少的包括航向、姿態(tài)、空速、高度等參數(shù)的信息顯示，讓駕駛員駕駛飛機(jī)盡快安全著陸。目前，應(yīng)急備份儀表系統(tǒng)已經(jīng)從傳統(tǒng)的分離式機(jī)械或機(jī)電儀表系統(tǒng)發(fā)展為高度綜合化數(shù)字化的綜合應(yīng)急儀表系統(tǒng)。本文論述了飛機(jī)綜合應(yīng)急儀表系統(tǒng)的設(shè)計(jì)需求、主要方案和設(shè)計(jì)方法。
航向、姿態(tài)、空速、高度等參數(shù)是飛機(jī)最基本的飛行參數(shù)，當(dāng)飛機(jī)（特別是按儀表飛行規(guī)則飛行的飛機(jī)）各種主要的儀表顯示失效，處于應(yīng)急狀態(tài)時(shí)，若飛機(jī)仍能為駕駛員提供一組備用的儀表顯示的航向、姿態(tài)、空速、高度等參數(shù)信息，駕駛員可以依靠這組基本飛行參數(shù)盡快安全著陸。應(yīng)急備份儀表系統(tǒng)與機(jī)上其他系統(tǒng)和設(shè)備相對(duì)獨(dú)立，且使用自動(dòng)儀表進(jìn)行信息指示，能在機(jī)上主要的儀表系統(tǒng)發(fā)生任何單個(gè)故障或故障組合后，無(wú)需增加機(jī)組成員的動(dòng)作，提供一組由儀表提供的對(duì)飛行安全必不可少的，包括航向、姿態(tài)、空速、高度等參數(shù)的信息顯示。因此，為了讓駕駛員在應(yīng)急狀態(tài)下能駕駛飛機(jī)盡快安全著陸，保障飛行安全，中國(guó)民用航空規(guī)章對(duì)應(yīng)急備份儀表系統(tǒng)需求做出了明確規(guī)定。
2.系統(tǒng)基本組成
傳統(tǒng)的應(yīng)急備份儀表系統(tǒng)包括磁羅盤(pán)、地平儀、空速表和高度表四個(gè)分離式的機(jī)械或機(jī)電儀表，以及一個(gè)空速管（或者全壓受感器和靜壓受感器）和相應(yīng)的全靜壓管路，整個(gè)系統(tǒng)簡(jiǎn)單成熟經(jīng)濟(jì)，在輕小型飛機(jī)上仍廣泛使用，如海鷗300、小鷹500、SR22等飛機(jī)。但四個(gè)傳統(tǒng)儀表不僅重量大，包含膜盒和陀螺等運(yùn)動(dòng)部件，可靠性低故障多，而且占用儀表板空間大，無(wú)法滿足現(xiàn)代飛機(jī)減重、高可靠性和玻璃化座艙設(shè)計(jì)要求。因此，在快速發(fā)展的微電子技術(shù)、微型傳感器技術(shù)和顯示技術(shù)的推動(dòng)下，歐美航空強(qiáng)國(guó)率先研制出采用液晶顯示器顯示的綜合了地平儀、空速表和高度表三個(gè)儀表功能的數(shù)字化綜合應(yīng)急儀表，使傳統(tǒng)應(yīng)急備份儀表系統(tǒng)演變?yōu)闈M足玻璃化座艙設(shè)計(jì)要求的綜合應(yīng)急儀表系統(tǒng).綜合應(yīng)急儀表的結(jié)構(gòu)緊湊，表盤(pán)面積與地平儀相當(dāng)；沒(méi)有膜盒和陀螺等運(yùn)動(dòng)部件，可靠性高，抗振動(dòng)性好，能適應(yīng)一定傾斜角度的安裝；重量比地平儀、空速表、高度表的總重量輕。因此，綜合應(yīng)急儀表迅速取代地平儀、空速表和高度表，廣泛運(yùn)用于大中型飛機(jī)上，如A380、B787等大中型民航飛機(jī)和灣流G650、挑戰(zhàn)者650等大中型公務(wù)機(jī)。在新近研制的高端的小型飛機(jī)和直升機(jī)上，綜合應(yīng)急儀表也開(kāi)始獲得廣泛應(yīng)用，如西瑞SF-50、貝爾429、阿古斯塔AW139等高端機(jī)型。
3.綜合應(yīng)急儀表
綜合應(yīng)急儀表內(nèi)置大氣數(shù)據(jù)測(cè)量模塊和姿態(tài)測(cè)量模塊，運(yùn)用微處理器進(jìn)行數(shù)據(jù)解算和處理，通過(guò)液晶顯示器實(shí)現(xiàn)信息顯示，主要功能是提供姿態(tài)（橫滾角、俯仰角）、空速（指示空速或校正空速、最大使用空速提示）、氣壓高度顯示，并具備場(chǎng)壓裝訂、姿態(tài)校準(zhǔn)、亮度調(diào)節(jié)及晝夜切換、自檢與故障診斷功能。根據(jù)需要，綜合應(yīng)急儀表還可以顯示真空速、馬赫數(shù)、升降速度、公制空速、公制高度、側(cè)滑指示等信息，同時(shí)還具備豐富的總線和離散接口，可與外部的數(shù)據(jù)記錄器、控制盒等設(shè)備交聯(lián)。部分廠家的綜合應(yīng)急儀表能與外部的捷聯(lián)磁傳感器或機(jī)上慣性導(dǎo)航系統(tǒng)、航向姿態(tài)系統(tǒng)、GPS定位系統(tǒng)、VOR/ADF/ILS導(dǎo)航系統(tǒng)等交聯(lián)，顯示接收的航向信息和位置、地速、VOR/ADF導(dǎo)航、ILS著陸指示等導(dǎo)航信息，并可通過(guò)內(nèi)置構(gòu)型數(shù)據(jù)模塊存儲(chǔ)各種構(gòu)型選項(xiàng)的方式獲得良好的構(gòu)型設(shè)置能力，使用戶能通過(guò)軟件進(jìn)行構(gòu)型設(shè)置更改顯示內(nèi)容，實(shí)現(xiàn)同一型號(hào)儀表適用于不同的機(jī)型。綜合應(yīng)急儀表的主要結(jié)構(gòu)組成如下圖2所示，主要包含大氣數(shù)據(jù)測(cè)量模塊、姿態(tài)測(cè)量模塊、信號(hào)處理模塊、圖形處理模塊、液晶顯示模塊、電源模塊、轉(zhuǎn)接板、底板和導(dǎo)光板等。大氣數(shù)據(jù)測(cè)量模塊采用硅壓阻傳感器代替空速表的開(kāi)口膜盒和高度表的真空膜盒，將全靜壓管路采集的全壓和靜壓壓力信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，輸出給數(shù)據(jù)處理模塊。硅壓阻傳感器的全靜壓測(cè)量精度優(yōu)于0.03%FS，長(zhǎng)期穩(wěn)定性優(yōu)于0.02%FS/年，耐壓能力可達(dá)數(shù)百兆帕，過(guò)壓保護(hù)能力強(qiáng)，具有體積小、重量輕、精度高、抗振性能良好等特點(diǎn)。姿態(tài)測(cè)量模塊采用高精度的微機(jī)電姿態(tài)傳感器代替地平儀中的機(jī)械式垂直陀螺，可測(cè)量飛機(jī)的俯仰角、橫滾角和加速度信息，輸出給數(shù)據(jù)處理模塊。姿態(tài)模塊包含微機(jī)電陀螺和加速度計(jì)，陀螺精度可達(dá)1°/小時(shí)，加速度計(jì)精度可達(dá)100μg，俯仰角和橫滾角動(dòng)態(tài)精度可達(dá)±3°（2σ），具有體積小、重量輕、精度高等特點(diǎn)，沒(méi)有運(yùn)動(dòng)部件，可靠性高.數(shù)據(jù)處理模塊包括信號(hào)處理模塊和圖形處理模塊。信號(hào)處理模塊負(fù)責(zé)儀表內(nèi)各模塊以及外部交聯(lián)設(shè)備的通信，通過(guò)數(shù)字信號(hào)處理器對(duì)大氣數(shù)據(jù)測(cè)量模塊、姿態(tài)測(cè)量模塊和外部交聯(lián)設(shè)備傳來(lái)的各種數(shù)字和離散信號(hào)進(jìn)行處理，將處理后的數(shù)據(jù)傳遞給圖形處理模塊或外部交聯(lián)設(shè)備。圖形處理模塊通過(guò)圖形芯片對(duì)接收的數(shù)據(jù)進(jìn)行運(yùn)算處理，生成繪圖指令，將繪圖指令轉(zhuǎn)換為RGBW四色信號(hào)及顯示控制信號(hào)發(fā)送至液晶顯示器顯示，并及時(shí)響應(yīng)儀表面板的各種控制信號(hào)。液晶顯示模塊用于顯示圖形處理模塊傳來(lái)的RGBW四色信號(hào)和顯示控制信號(hào)，采用機(jī)載多功能液晶顯示器（AMLCD）代替?zhèn)鹘y(tǒng)儀表的指針式和機(jī)電式指示方式，性能穩(wěn)定可靠，且具有與飛行顯示器相似的圖形顯示，增大了顯示數(shù)據(jù)信息量，直觀豐富易于識(shí)別，視覺(jué)感觀性好。部分綜合應(yīng)急儀表的液晶顯示模塊還包含環(huán)境光線傳感器，可以根據(jù)飛機(jī)駕駛艙內(nèi)的環(huán)境光線自動(dòng)調(diào)整顯示器的亮度。電源模塊由DC/DC模塊、電壓轉(zhuǎn)換器、前端穩(wěn)壓模塊、濾波器、高容量鉭電容、TVS管等構(gòu)成，對(duì)外部輸入的28VDC電源進(jìn)行濾波、穩(wěn)壓、變換，為儀表內(nèi)部各模塊提供所需的24V、±15V、5V、3.3V等直流電源。
4.主要機(jī)型的系統(tǒng)方案
綜合應(yīng)急儀表系統(tǒng)已廣泛應(yīng)用于大中型民航飛機(jī)和公務(wù)機(jī)上，在高端的小型飛機(jī)和直升機(jī)上也開(kāi)始推廣使用。早期的A320、B737和B777采用傳統(tǒng)備份儀表系統(tǒng)，后期改進(jìn)版則采用綜合應(yīng)急儀表系統(tǒng)。國(guó)內(nèi)的新舟60使用傳統(tǒng)備份儀表系統(tǒng)，但新舟600、ARJ21-700和C919上已采用綜合應(yīng)急儀表系統(tǒng)。大中型公務(wù)機(jī)為了吸引大眾客戶，普遍采用綜合應(yīng)急儀表系統(tǒng)。綜合應(yīng)急儀表系統(tǒng)的主流設(shè)計(jì)方案是配置1塊磁羅盤(pán)、1塊綜合應(yīng)急儀表、1個(gè)全壓受感器和1對(duì)靜壓受感器，并可與慣性導(dǎo)航系統(tǒng)、航向姿態(tài)系統(tǒng)、GPS系統(tǒng)、ILS系統(tǒng)等交聯(lián)，提供航向、GPS數(shù)據(jù)、ILS著陸信息的備份顯示。但在A380和A350XWB飛機(jī)上配備了2塊綜合應(yīng)急儀表，互為備份，分別備份飛行數(shù)據(jù)和備份導(dǎo)航數(shù)據(jù)。另外，獎(jiǎng)狀XLS+、灣流G650、環(huán)球6000等公務(wù)機(jī)以及Y8F600采用了更為激進(jìn)的綜合應(yīng)急儀表系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案，已經(jīng)不再配置獨(dú)立的磁羅盤(pán)，而采用其他技術(shù)方法實(shí)現(xiàn)磁航向的備份顯示，且灣流G650等機(jī)型還使用了大屏幕的綜合應(yīng)急儀表。傳感器配置方面，綜合應(yīng)急儀表系統(tǒng)只配置全靜壓測(cè)量傳感器，不配置總溫傳感器、迎角傳感器和側(cè)滑角傳感器，因?yàn)榭倻亍⒂恰?cè)滑角傳感器不是綜合應(yīng)急儀表系統(tǒng)所必須的。總溫傳感器測(cè)量的總溫雖然能提高的空速和高度信息的精度，但當(dāng)飛機(jī)必須依靠綜合應(yīng)急儀表系統(tǒng)飛行時(shí)，這已經(jīng)不重要；迎角和側(cè)滑角不是民航規(guī)章所要求的對(duì)飛行安全必不可少的信息，綜合應(yīng)急儀表系統(tǒng)不需要提供迎角和側(cè)滑角的備份顯示。綜合應(yīng)急儀表不是機(jī)上最有效地指示姿態(tài)、空速、高度、航向的儀表，因此不必安裝在駕駛員向前視線所在的垂直平面附近、儀表板上部中心位置處，但應(yīng)盡可能地安裝在最有效的姿態(tài)指示儀表的附近，使駕駛員盡可能少地偏移正常姿勢(shì)和視線即可看清儀表，且綜合應(yīng)急儀表顯示的信息應(yīng)按中間姿態(tài)、左邊空速、右邊高度、下邊航向的T字組合要求排列。綜合應(yīng)急儀表的安裝位置有三種，最主要的一種是安裝在主儀表板中線或偏左位置處，夾在大尺寸顯示器中間，如A380、B787、C919等；第二種是安裝在主儀表板中線附近，大尺寸顯示器下邊，如A350XWB、灣流G450、灣流G550等；第三種是安裝在主儀表板中線附近，大尺寸顯示器上邊，如Hawker900XP、飛鴻300。因?yàn)槟壳鞍惭b綜合應(yīng)急儀表的飛機(jī)幾乎都是雙駕駛體制，所以上述三種安裝位置都在主儀表板中線附近，從而使兩個(gè)駕駛員都能看清該儀表，但以左駕駛為主。對(duì)于安裝2塊綜合應(yīng)急儀表且并非分別顯示備份飛行信息和備份導(dǎo)航信息的飛機(jī)，則可將綜合應(yīng)急儀表安裝在駕駛員正前方儀表板的上部，如灣流G650、灣流G650ER等。
5.總結(jié)
本文論述了民航規(guī)章對(duì)應(yīng)急備份儀表系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求、綜合應(yīng)急儀表的構(gòu)成和特點(diǎn)、主要機(jī)型上的系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案，并結(jié)合某型機(jī)的設(shè)計(jì)實(shí)例討論了綜合應(yīng)急儀表系統(tǒng)設(shè)計(jì)中要考慮的相關(guān)問(wèn)題。綜合應(yīng)急儀表系統(tǒng)以其信息顯示豐富直觀易于識(shí)別、占用空間小、能實(shí)現(xiàn)玻璃化座艙設(shè)計(jì)等優(yōu)點(diǎn)獲得普遍應(yīng)用，必將在國(guó)產(chǎn)飛機(jī)上得到推廣應(yīng)用，并向更可靠、更綜合化和更大尺寸方向發(fā)展。
作者：章拔邦 郭星燦 張宏志 單位：中航通飛研究院有限公司
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