现代飞行控制系统的评估与确认方法.docx

现代飞行控制系统的评估与确认方法摘要：现代飞行控制系统是飞机的飞行关键系统，其性能直接影响飞机的飞行品质和飞机的性能，直接关系到飞机的飞行安全。同时现代飞行控制系统十分复杂，其研制过程是一个庞大的系统工程。因此需要对其进行缜密严格，详尽认真的评估与确认，确保系统实现的正确性，安全性。所以迫切需要研究先进的验证与确认技术和方法，以提高系统开发的效率和可靠性。1飞行控制系统的发展在过去的一个世纪里，飞行控制技术经历了增稳，控制增稳，自动飞行控制，全权限电传控制，综合控制等发展阶段。特别值得注意的是，自从20世纪下半页电传飞行控制（FBW）和主动控制技术（ACT）这两个具有划时代意义的飞行控制概念出现以来，飞机的发展历程出现了巨大的变化，体现在：（1）改变了传统的飞机设计概念好方法论，飞行控制技术首次与气动，结构和动力装置一起成为保证先进飞机平台性能的四大技术支柱。（2）改变了自莱特兄弟首次飞行以来一直采用以机械操纵链作为飞机主飞行控制系统的传统方法，使采用飞机状态反馈的电闭环控制系统成为现代飞机的主飞行控制系统。（3）打破了飞机布局设计中重心配置的限制原则，使飞机可以设计成中立稳定和静不稳定的构型。（4）飞行控制系统不仅用于增强飞机刚体运动特性，同时也用于解决飞机弹性模态的控制问题。（5）使得飞机主要控制性能，如飞行控制，推力控制和火力控制等的综合成为可能以数字式电传飞行控制系统为核心和纽带的综合飞行/火力/推力控制技术取得了迅速的发展，使飞机（尤其是战斗机）的性能得到大幅提升。目前，数字式电传飞行控制系统和各种主动控制技术已广泛应用于第三代军机和先进的民机，综合控制技术也成为了第四代军机典型标志之一。近二十年来，在相关学科飞速发展的支撑下，飞行控制技术领域也涌现出很多具有创造性的新技术，这新新技术很有可能成为支持飞机未来革命性发展所需的主要飞行控制技术。（1）先进无尾控制技术相对传统有尾飞机气动布局，无尾飞机减轻了飞机的重量，可增加航程，提高有效载荷和性能；同时降低了飞行中的阻力；而且其雷达反射面积小，不易被雷达发现。例如美国的隐形轰炸机B-2，研究中的未来巨型运输机X-48B，以及发展中的无人作战飞机（包括X-45，X-47），均采用了无尾布局。（2）智能和自主飞行控制技术近年来无人飞行器的发展促进了智能飞行控制技术的发展，诸如性能寻优控制，智能型抗损伤自适应控制以及无人机智能控制等先进控制技术得到广泛的重视和研究。（3）光传飞行控制技术光传飞行控制技术是继电传飞行控制技术的又一技术跨越，其本质在于实现飞行控制系统的“光化”，既继承了电传技术（Fly-By-Wire,FBW）的系统技术优势，又在对抗恶劣电磁环境，提高信息化和智能化，以及开放式结构和功能扩展方面具有跟强的技术能力，是先进战斗机和运输机飞行控制系统技术发展的新方向。应当指出，通常飞行控制系统的技术要求高，难度大，系统复杂而且成本高，安全关键系数大。是涉及机，电，光，仿真，飞行力学等多个技术行业的高综合化科技产品。2飞行控制系统的验证与确认2.1验证与确认的内容飞行控制系统的验证与确认活动在研制过程的各阶段均有体现，正是由于这一系列活动的存在，才能构成研制中的逆向信息回馈，促成技术或工程方面的更改，完善和优化，从而形成系统研制周期内工作的循环迭代。一般情况下，飞行控制系统的验证与确认包含五个阶段的内容：用户需求的确认；系统定义阶段的确认；系统设计与实现的确认；系统综合与试验验证以及机上地面试验与飞行试验。（1）用户需求的确认要从整个飞机的角度对用户的需求进行描述和确认，制定相应的用户需求规范。往往最初来自用户的需求并不是十分清晰，需要通过严格的确认过程来得出完整的需求描述。（2）系统定义阶段的确认在系统定义阶段，要充分参考借鉴过往已有型号的相关经验，并结合其他相关方面的规范协议（如外形布局，推进装置，空气动力，飞行器结构，电子系统等方面的规范协议），以及系统自身子系统的各种规范协议（如控制率，计算机，传感器，伺服系统等子系统），并考虑他们之间种种交联关系，将诸多方面的各种因素和约束条件进行综合考虑，当存在冲突时还要进行折中处理，从而对体统需求进行有效的确认，完成需求分析和定义。（3）设计和实现阶段的验证与确认系统/子系统设计和实现阶段的工作本身就包含着以系列的验证与确认活动。在系统/子系统的工程设计，加工制造，装配调试中，要通过各种有效地验证活动，发现问题，改进设计，实现系统的优化迭代。（4）系统综合与试验验证当研制的飞行控制系统的部组件均已设计，生产，调试完毕，并经过单独的验证测试确认后，系统开发进入到系统综合与试验验证阶段。这一过程是在尽可能真实的模拟环境中，对整个系统进行验证和确认。（5）机上地面试验与飞行试验经过铁鸟台架综合实验之后，飞机控制系统应按规定的技术要求装到飞机上，进行飞机地面试验。飞机地面试验一般包括三部分：飞行控制系统性能校核试验，结构模态耦合实验及安全电磁干扰试验。性能校核试验旨在真实飞机条件下运行飞行控制系统的真实硬件和软件，校核飞行控制系统各项功能及性能，并与飞行控制铁鸟综合实验结果相比较。结构模态耦合实验的主要目的是获得包括结构模态传递函数在内的飞机飞行控制体统开环频率响应，以判断其稳定裕量是否满足规范要求。全机电磁干扰试验的目的在于检查电传飞行控制体统与飞机其他功能系统及飞行测试系统间的电磁干扰。经过系统综合和机上地面试验对飞行控制系统的验证与确认后，进入飞行试验阶段。飞行试验是评定飞行控制系统性能的最终阶段，飞行试验验证结果也是最具有权威性。通过在飞行包线内各种飞行科目试飞，系统的全部本质特性才会表现出来，因此该阶段对飞行控制系统研制来说至关重要。飞行实验通常要在几架飞机上进行，每架飞机有专门的测试目标。飞行实验详细内容主要是依据有关标准，条例（例如：使用部门提出的战技指标，定型技术状态等）以及研制单位提交的试飞任务书来确定，主要是为了检验飞行控制系统的各项功能和技术指标是否满足要求。对于新研制的飞行控制系统，其飞行试验一般包括两个阶段：研制飞行试验；鉴定飞行试验。研制飞行试验阶段主要充分暴露和解决系统，硬件和软件存在的问题，在此基础上优化并最终确定控制率。第二个阶段进行国家鉴定飞行试验。2.2验证与确认的新特征与过去相比，飞行控制系统的验证与确认工作发生了一些变化，呈现出一些新特点：（1）为确认而设计：在设计之初就应考虑设计的可验证性和可确认性， 即“为确认而设计”，这要求系统开发之初就应有系统验证与确认的计划和管理。（2）开发与确认同体系，同模型，同工具：要注重测试设备的开发。先进的验证设备及开发工具将能实现“系统的成长可视化”，并且应在开发和验证中尽量使用相同的平台和工具（3）全状态，全环境验证：验证与确认应尽量做到全状态，全环境。保证验证的正确性和有效性，即做到“所证即所得”。应当注意，分系统验证必须有完备的测试设备。所有环节和参数必须测试到位，尤其要注意动态环境下的测试项目，不能由于存在测试难度便删减项目。保证各阶段测试的完整性，不遗留问题到下一个阶段。（4）虚拟原型技术及仿真技术的应用：积极采用虚拟原型技术及仿真技术，加大数学仿真力度，可以减少大型综合实验时间。应做到能在数学仿真阶段发现的问题，不留到地面综合实验中，能在地面综合实验中解决的问题，不留到空中试飞中解决。（5）标准验证规范及环境：利用现有专家经验和已有标准知识库，建立标准验证环境；提高快速修改体统设计以满足新顾客要求的能力；摆脱依靠主管经验和水平确定试验内容验收规范的状况；不允许以时间不够为理由，随意省略必要内容和评审；提高系统开发的“可重用性”。（6）采用新的开发和验证方法：为了解决系统复杂与开发要求低成本的矛盾，采用新的开发和验证方法完成由V型到Y型开发模式的转变。（7）试验机等先进验证手段的应用：利用试验机，仿真模拟器等充分开展技术的先期验证。例如F-22首飞前，用一架F-16变稳飞机验证F-22操稳品质（一年），且在B-757 FTB（Flying Test Bed）上进行了1400小时的航电系统试飞。3飞行控制系统验证与确认实例波音777 波音777是波音公司首架采用全电飞行控制系统的商用运输机，于20世纪90年代初推出。其飞行控制系统的研制过程，特别是设计和确认过程组织严密，工作高效，堪称典范。波音777飞行控制系统的验证与确认过程主要由三个环节组成：需求定义，系统验证以及问题跟踪。需要定义活动用于确保系统和各部件需求的完整性和正确性，由此支撑和推动系统及部件的设计过程；系统验证过程的所有活动则确保系统和各个子系统符合所定义的需求；问题跟踪过程为需求定义，以及系统的设计和实现提供有效的反馈。整个波音777飞行控制系统的确认过程如下图1表示系统需求需求定义需求系统确认系统部件设计及制造问题跟踪 图13.1需求定义波音777飞行控制系统的需求定义过程主要包括三种活动：需求的开发，需求的确认以及需求的最终批准。（1） 需求开发需求开发是一个不断迭代的过程。需求的提炼将系统的主要要求进行自顶向下，由高到低的逐层分解，细化落实为更底层的实际需求；迭代过程则体现在需求定义过程中，往往会出现一些未考虑到的或考虑不周的问题，这是需要对需求进行进一步的更改和完善。在波音777飞行控制系统的需求开发中，项目团队经过多方面考虑，依据波音公司，FAA（美联邦航空局），JAA（日本亚细亚航空）以及客户的各种顶层需求，并充分借鉴了过往项目（波音7576,77等）实践中的种种经验和教训，制定了一份名为的顶层文件，涵盖了设计需求，设计目标，各种逻辑，相关定义等，涉及系统功能，性能，可用性，安全性，操纵性以及维护性等各方面，同时还包括系统与外部的接口需求。（2） 需求确认波音777飞行控制系统设计需求确认过程在系统软硬件齐备之前进行，在设备制造前完成。主要目标是确认需求的“正确性”。波音777的主飞行控制系统源于波音7J7以及波音767-X项目，开发了新的主飞行控制计算机和伺服控制电子单元（ACE），从项目之初就有自己独立的测试标准，一些准备用于波音777的新想法和概念首先在波音757的铁鸟上进行了验证。此外，还在一架波音757飞机上安装了波音777的飞行控制率和人机界面，开展了电传验证飞行试验项目，验证了很多关于系统性能和操纵品质的需求。（3） 需求的批准初步的文件由与飞行控制相关的设计开发小组（含一些外部组织，如气动，液压源，电源）批准。之后对该文件的更改由需求检查委员会控制，主席为飞行控制首席工程师。批准后的文件作为波音设计和供应商设计的性能，安全，维护和功能需求的主要参考资料。3.2系统确认飞行控制系统的确认主要基于确保“所建”系统满足由文件规定的功能，性能和安全要求。确认的方法包括试验（试验室试验，飞机地面试验和飞行试验）和分析（统计分析，安全性分析，容错分析和稳定性分析）。3.3问题的跟踪问题跟踪过程为需求定义和系统设计及实现提供反馈，并使系统需求，确认过程和确认状态有可追踪性。该过程主要由中心数据库完成，它保证了数据在飞行控制项目各小组内及时流动。在任何工程试