光传飞控──航空界的明日之星

1、光传飞控航空界的明日之星不论是门外汉或个中高手，您觉得航空工程的奥妙在那里呢？许多人以为航空工程的奥妙在于如何让物体飞起来，其实并不尽然。航空界流行一句话：只要发动机推力够大，一片门板也能飞上天。真正关键的问题是飞起来之后如何控制，若无法妥善操纵航空器的航向、飞行姿态，那么它一旦上天之后可能就永远升天了。发展动机以几种控制飞行器的方式来说，目前最为流行的是线传飞控（fly-by-wire ）；例如经国号战机、F-16、幻象2000-5型战机等皆采用这种飞控模式。线传飞控的原理是先由应变仪（strain gage ）等类侦测力量的装置，来测量驾驶员施加于操纵杆上的力量（方向、大小），而后由计算机

2、分析其讯号再下达指令给致动器来调整副翼、升降舵等控制翼面，完成人对飞机的控制动作。因为对控制翼面而言，其直接命令者是计算机而非人类，所以即使驾驶员并未移动操纵杆，飞控计算机也可以配合相关仪器来维持飞机的飞行状态，这便是所谓的自动驾驶功能。例如波音747-400、MD-11之类民航机都具备此种能力，而飞弹或少数几种军机也可配合地形雷达，自动飞行至目标区上空。正由于在控制过程中全都以电线传输控制讯号，故称之为线传飞控。但是线传飞控并非十全十美对于电磁学稍微有一点认识的朋友应该知道：电子仪器总不免会受到来自外界的电磁干扰。就拿常见的大哥大移动电话来说吧！从起飞到降落之间的旅程，机上乘客必须停止使用，

3、以免对飞机的通讯设备或其他电子仪器造成电磁干扰。无论是影响驾驶员与航管单位的通讯，或是电磁干扰导致飞控计算机输入输出的讯号发生错乱，都有可能酿成一场空难浩劫。当然电磁干扰不纯粹来自人为因素，还包括了自然界现象。例如前几年在太阳黑子极盛期时，曾有一次太阳磁暴而造成加拿大一座发电厂停摆的情形，若当时正好有架采用线传飞控的飞机在这个地区飞行，那岂不是首当其冲，机上的航电系统必定全部失效，后果如何便不难想象。在德国统一前，驻防西德的美军黑鹰直升机曾发生一次尾旋翼踏板失灵的飞安事件。之后调查的结果，认为故障原因极可能是受到无线电讯的干扰。虽然未造成坠机惨剧，但为防再发生类似意外导致失事，黑鹰直升机便加装

4、了一层电磁护罩，以避免飞来横祸。另一方面，现今飞机结构大量采用复合材料，目的不仅在于减轻重量，更能够降低金属机体产生电磁干扰的机率。事后的补救措施只能治标，真正治本的办法是让控制系统不会受到电磁干扰的影响。您应该可以想到：用光来传输讯号。没错！就是这样。光传飞控的原理由于光不会被电磁场所干扰，因此航空工程师试着将电线改成光纤，电子讯号也全部以光学讯号来代替。那么即便是打雷、磁暴或人为故意的干扰，都不会影响到传送讯号的质量，而可保证飞控系统输入输出数据的正确度，大幅加强了飞航安全。如线传飞控一般，因为在控制系统中讯号都是以光纤为媒介来相互传输、沟通，遂有光传飞控（fly-by-light ）之称

5、。电子讯号的电磁波频率比可见光低，此一现象反映在信息传输方面的性质便是：电子讯号在单位时间内所能传递的数据量比光学讯号来得少。由于现今战机的设计理念皆为不稳定（与灵活同义），以方便驾驶员做出剧烈的动作，如敏捷地追击敌机或逃出对方魔掌，所以飞控系统随时都得下指令给各个控制翼面以调整飞机的飞行状态，通常每秒需下达十几次指令，与敌机缠斗时更可能高达数十次。若能随着飞控系统的更新，自传感器利用光纤来传输更多的航速、风向等相关数据，使飞控计算机有较多的取样点以进行更精确的计算，并提高指令下达的次数，相信飞行器必定更加安全、灵活。另外，电线表皮的绝缘层是由易燃的塑料制成，一旦铜线由绝缘层破损处外露，便可能

6、引起短路造成电线走火，灾情随之沿着线路四处蔓延，星星之火一发而不可收拾。使用光纤就不会有这样的潜在危险。光传飞控的优点光传飞控不仅改善线传飞控的重大缺点，更承袭其优点。在老式飞机里有机械连杆、齿轮和致动器将操纵杆与控制翼面直接相连，这些机械零件的重量颇为可观。具线传飞控系统的飞机因为以电线、液（气）压软管取代，机械零件极少，重量便节省了许多。但如果您曾亲手拿过光纤，必能体会到光纤与同长度、同口径的电线相比，显得相当地轻盈。通常在设计飞行器之前都已先设定其最大起飞重量，那么在总重维持不变的情况下，若能减少大批线束的重量，便能多装一点燃油使飞行器的航程更远、滞空时间更久，或者增加酬载容量（旅客、弹

7、药或货物）。所以使用光纤对于飞机减重有莫大帮助，且比使用电线来得更为有利；一般估计在战斗机上可减轻45公斤，而大型客机则会少了454公斤。再者，因为老式飞机采用机械式控制，所以拉动控制翼面的力量必须完全仰赖驾驶员。一旦进行俯冲时，便可能因气动力负荷太大，而使驾驶员很难拉起操纵杆，导致无法带动升降舵让机头扬起，其结果便是入土为安。所以对于飞行员的健康情况要求得相当严格，尤其是大型运输机的驾驶员，往往在经历几次大动作飞行后，降落时都显得疲惫不堪。至于线传飞控则有点像是汽车的动力方向盘，驾驶员只需动用较小的力道，便能让应变仪侦测到很强烈的讯号，藉由计算机处理与液压系统逐级放大力量之后，夸张的说法就是

8、用一根手指头即可让飞机俯冲、爬升。光传飞控也借着同样方式来减轻驾驶员的飞行工作负担。初步努力光鹰（Light Hawk）计划是早年颇具规模的光传飞控研究行动。工程人员将黑鹰直升机加以改装，使其成为测试数字式光学控制系统的实验载具。光鹰实验机的试飞时数超过500小时，记录了大量数据，让研究人员获益良多。自1985年起，美国在航天总署（NASA ）与海军协力主导下，与民间业者共同进行一项光纤控制整合系统（fiber optic control system integration，FOCSI ）计划，致力发展飞机和发动机的光学式传感器与控制系统。按进度于去年中在NASA 所属的F/A-18战机上装

9、设传感器，展开系统侦测控制翼面位置、飞行速度、发动机温度、推力和压力等诸多试验。除了传感器，还加装两项辅助设备：一是磁带纪录器，可搜集这套系统对讯号接收、传输的情况；另一则是用来产生、接收并调整传感器的光电控制盒，盒中包含了光电数据总线适配卡（注一）。测试初期，F/A-18仍以现有的线传飞控方式飞行，光传飞控试验系统所产生的控制讯号及其响应无法改变飞行状态，而只是记录下来供研究人员参考，以便与线传飞控系统的讯号相互比对，藉此发掘潜在毛病并评估其优劣。若一切顺利，便可在1995年底让光传飞控系统掌控F/A-18的水平尾翼和方向舵各一片。除了机体之外，F/A-18的F404型发动机也装设了光学传感

10、器，用来监视进气道、压缩器入口及排气口这三处的气温，还有风扇与压缩器转速、压缩器可变定子与排气喷口的角度。进行实验的F/A-18只在左侧装设测试用发动机；同样地，这具发动机并不听命于光学系统，一切讯号仅记录下来做为参考。尚待改进之处光传飞控的构想早在几十年前便已提出，也经过光鹰计划、FOCSI 计划以及波音公司发展的YC-14实验运输机来予以验证，但因为遭受许多困难，所以至今仍未有任何一种实用型光传飞控航空器。原先波音公司与日本合作开发的7J7型广体客机曾打算运用光传飞控技术，使光传飞控的远景在民航界颇为看俏。可惜整个7J7计划在经费筹募、市场潜力上都存在着短期难以解决的问题，因而使7J7被迫

11、暂停，光传飞控连带受到在商言商的立场所影响，无法在可见的未来应用于民航机上。基本上，技术风险太大是光传飞控发展至今的最大致命伤。由于光传飞控所用的技术都相当先进却又尚未成熟，所以存在着一些可靠度和制造上的问题：零件费用高昂、因光纤弯折导致讯号损失、传输系统的雷射二极管容易失灵以及传感器侦测错误。一般的雷射光源在运作时往往伴随着相当多的热量，需要良好的冷却环境才能让它正常发挥功用，但或许藉由采用功率较小的发光二极管可以改善这问题。另外，波音公司已对镓铟砷化合物制成的雷射光源进行测试，评估是否能够承受飞机高速航行时与空气相摩擦所产生的热量。同样因为风险顾虑，基本上军方对于引进光传飞控也持着保留态度

12、。美国航空业界在两三年前新近开发完成的轻型直升机（LH ）、先进战术战斗机（A TF ），都只采用现有的线传飞控技术，为了就是减少技术风险，以免因全新的技术而使研发成本暴增，连带提高单机造价，同时也可能在日后服役时因技术不成熟而使可靠度偏低，影响战力。光学通讯的标准尚未订定统一，这更是美军不愿让最新型军机使用光传飞控的另一项考虑。现在各种采用线传飞控的美规军机（包含经国号战机在内），其总线接口皆是由美军规范MIL-STD-1553做为通讯协议而发展出来的，所以电线的线束分类、打样以及各系统之间的讯号交连都没有什么问题。但是光传飞控的通讯标准MIL-STD-1773至今还没有任何订定完备的版本，

13、目前部分厂家所开发的光学系统彼此之间是否兼容，是一个值得注意的问题。所以在MIL-STD-1773正式实施之前，美军所采用的光学产品将非常有限，以免日后因通讯协议大幅修改而使装备无法符合军用规范，变成一堆废物。固然光纤可以免除电磁干扰的顾虑，但若使用计算机则还是有可能因电磁干扰使其电子组件失效，那么飞控系统的可靠度依然有所限制。最好的情况是干脆把计算机换成光脑（光学计算器），如此便能彻底解决电磁干扰的问题即使不能一劳永逸，至少也比现况改善得太多了。令人惋惜的是光脑开发的速度无法配合，因而在推动光传飞控技术时失去临门一脚。最新发展尽管面临一些困境，但美国为了提升其科技层次，维持航空工业龙头老大的

14、地位，所以数年来持续提供研究经费给NASA ，推动光传飞控与相关系统的发展工作。美国自1992年展开的光传飞控线传动力（FBL/PBW）计划将在8年内花费8千万美元，研究出可用于民航机的线传飞控系统及全电气化的次动力系统。所谓线传动力是指让电气设备完全取代液压和气压系统这些次动力装置（注二），也就是说：现有的机械致动器与管路将一一换成新发展的电动致动器与电线。乐观的话，在1996年将有一架采用FBL/PBW的实验机进行初步验证工作，但那时还不会装上光学式发动机控制系统。较正式的行动可能要等到1998年才付诸实施，光传飞控系统届时将控制数片控制翼面，同时也纳入光学式发动机控制系统。不可否认的，即

15、使因为技术不成熟、相关设备尚无法完全提供支持，但由于不受电磁场影响、重量轻、数据可携量大，更包含了现有线传飞控的优点，光传飞控绝对是航空界的明日之星。也许到了二十一世纪，走在飞机维修厂棚里会看见一堆堆闪闪发亮的光纤和透镜组；而乘坐民航机时也可以在客舱内使用自己的移动电话与地面连络。这样的情景，您可以想象吗？后记：本文主要是参考科学美国人的一篇短文Fly by light ，但我以另一种方式来介绍光传飞控，若读者有兴趣的话，不妨看看那篇短文，相信对于光传飞控必定有更多的认知。至于FOCSI 计划则可参考1993年八月二日出版的航天科技周刊（AW ST ）第5556页。注一：总线（bus ）是指数

16、据或电力传送所经之电路。总线之作用在连读许多位置（引自全华科技图书公司最新英汉万用计算机辞典）。第一个光传操纵计划FOCSINASA 和DOD 为了提高飞机的安全可靠性，于1984年开始致力于第一个光传操纵计划FOCSI(Fiber Optic Control System Integration，该计划没有考虑余度结构，仅仅研究了飞机的光传操纵和推力控制结构。该计划通过飞机光传操纵体系结构的研究，认为要实现实用的光传操纵，首要的任务是研究和开发其相关的硬件，并验证其可用性。于是，在FOCSI 计划中，主要涉及的是光传硬件的开发和试验验证。先后研制了推力控制和操纵系统的多个光传感器（11个位移

17、、4个温度、1个压力、2个速度传感）及其环境试验装置。这些传感器已应用于F-18飞机。光传/电传混合计划1990年，Douglas 航空公司开始致力于研究高效光传与电传混合计划。该计划全面包括光传体制、驾驶舱控制和显示技术、容错计算机、抗电磁干扰方法、系统与元器件集成和实验、设计和验证工具、电磁干扰散播分析、控制律和保护模式、智能执行机构控制、光能控制、高可靠性软件等研究内容。1989年建成了第一个光传/电传混合试验平台，1990年对该试验平台进行了改进，在该实验台上测试和评价了各种各样的电传/光传结构和特性，1991年开始研究光传余度操纵系统（四余度光传/电传混合操纵系统）。自从1976年D

18、ouglas 航空公司开始研究光传操纵系统，其光传感器、光纤传输、智能作动器就在许多飞机上加以实验验证。信号光传/能量电传（FBL/PBW- Power by wire）计划目前由于受光源和光波导元件性能的限制，还不能实现全光传操纵。借助于电信号应用技术的成熟，将信号光传与能量电传结合，形成第二代光传操纵体系结构。FBL/PBW计划研究了光传操纵的余度管理问题，该计划的全局目标是为未来商用和军用飞机先进的光传操纵系统奠定基础。 先进光传硬件计划（FLASH -Fly by Light Advanced System Hardware）1994年麦道公司开始致力于先进光传硬件FLASH 计划的研究，FLASH 计划是军机和民机通用技术。到了1996年夏天