未来五代机飞控作动系统技术展望

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中国航空新闻网

　　随着美国四代机F22以及F35装备部队并陆续形成作战能力，其它国家四代机正在加速研制，基于美国领先一代的思维模式，在四代机全面装备之时也就是下一代战斗机研究启动之日，但是美国的五代机研制至今犹抱琵琶半遮面，始终未透露出其概念及轮廓。下一代战斗机飞行器到底是是什么样，其定位、目标是什么，飞控系统将采用什么样的体系架构，飞控作动系统又将采用什么样的设计理念及新技术，都值得我们去认真的思考并积极应对。

飞控系统的发展历程及趋势分析

　　飞行控制系统（以下简称：飞控系统或FCS）是将飞行控制指令从驾驶员或从其它信号源传递到相应力和力矩发生器所应用的部件组成的系统，通过气动舵面的偏转实现对飞机的姿态、轨迹以及乘坐品质、几何形状（气动外形）和结构模态等的控制。对军用飞机来说，飞行控制主要对飞机的姿态、轨迹以及几何形状进行控制，对民用飞机来说，除了正常的姿态、轨迹控制外还对乘坐品质、结构模态提出较高的要求。

　　军用有人驾驶飞机（包含直升机）的飞控系统一般分为人工飞行控制系统（MFCS）和自动飞行控制系统（AFCS）。人工飞行控制系统又分为主飞行控制系统（PFCS）和辅助飞行控制系统（SFCS）。主飞行控制系统主要控制飞机的鸭翼、副翼、方向舵、升降舵（平尾）、升机的主桨及尾桨、以及完成相似功能的其它飞行舵面的控制，辅助飞行控制系统主要控制飞机的襟翼、缝翼、减速板、扰流板等辅助飞行舵面。

　　飞机飞控系统的发展是随着飞机性能的发展而发展的。其发展大的经历了从简单机械飞控（MCS）系统、可逆和不可逆助力控制系统（MCS）、增稳（SAS）及控制增稳（CAS）控制系统、电传飞控系统，并向功率电传（PBW）以及光传飞控（FBL）、智能飞控等方向发展。

　　为了使飞机的综合性能进一步提升，同时随着信息技术的高速发展以及飞机面临需求环境的复杂化，飞控系统更多的与飞机本身或其它系统交联融合，进一步向飞行控制、火力控制、推力控制等综合飞控以及综合飞行管理方向发展。另外，飞控系统自身的发展也逐步从集中控制向大系统综合管理、小系统分布式控制方向发展，传输信号也由目前的电传向功率电传、光传方向发展，系统控制方式也由有人干预的飞行控制方式逐步向有限自主控制、完全自主的智能控制方向发展。

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飞控作动系统的形成及发展历程

　　上世纪80年代以后，随着系统技术、通讯技术、计算技术、控制技术、功率电传技术、智能技术发动机适量喷管技术、飞发一体化控制技术等的进一步成熟及飞机和飞控系统架构的快速发展（飞机复杂度大大提高，出现了飞行管理系统；飞控系统由集中控制向分布控制发展）、系统级供应商的出现，使得飞控作动系统作为一个物理和功能完全独立的分系统呼之即出并成为现实。同时随着飞机尤其是战斗机飞行包线的逐渐扩大以及越来越复杂的飞行任务对飞机性能的要求逐步提高，以及电传飞控系统的快速发展，其作为一个完整独立的分系统在飞机飞控系统中的功能及作用日益突出。

　　所谓飞控作动系统，狭义的讲即驱动控制飞机姿态及轨迹运动舵面的装置或系统，也就是我们平常所说的舵回路（或舵面作动系统）。即是为了改善舵机的性能以满足飞控系统要求，将舵机的输出信号反馈到输入端形成负反馈回路或称伺服回路的伺服作动系统。

　　随着短距\垂直起降飞机、变体（仿生）飞机等新飞机的发展及飞发一体化技术的日益结合紧密，飞控作动系统的界面已逐步突破传统的以飞机舵面为主的控制，逐步将与飞行控制相关的机翼变形控制、发动机矢量控制、升力风扇控制、倾转机翼控制作动等结合起来，飞控作动系统突破了传统的边界及定义，由于这些新的控制作动技术与原有的飞控作动技术比较类似，为同源技术的扩展，因此逐步形成了广义上的飞控作动系统或技术。

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飞控作动系统在未来五代机中的重要性

　　未来战争将是信息化条件下的高技术战争，信息化作战平台是信息化作战系统发挥打击威力的物质基础。新军事变革和信息技术的飞速发展，对当前与未来作战思想和作战模式产生了广泛而深远的影响，未来五代机向智能化、精确化、隐身化、多功能化以及超高机动性、敏捷性、更强续航、超速巡航、更高自主性方向发展。飞控系统也向自主控制、智能控制及分布式决策控制等方向快速发展，飞控作动系统在未来五代机中的重要性愈加明显。飞行控制不仅与飞机总体性能高度融合，还与发动机控制及性能高度结合，使得飞机的飞行性能大大提升。飞控作动系统不仅要求功重比大大提升，还需在空间重量比、响应性能、可靠性、预测与健康管理（PHM）、损伤自修复、高度自主决策等方面迈入一个新的高度。

　　飞控系统是服务于飞行器整体需求的，飞行器的发展及性能要求决定了飞行控制技术的发展方向，因此要研究未来飞控作动系统技术的发展，首先要了解未来五代机的特点及其面临的问题。国外五代机主要是以美国为代表，独自开展需求分析、初步论证以及针对工业部门的信息征询。

　　按照美国武器装备发展的一般原则，装备形成初始作战能力（装备部队）之日即是新一代装备提出理想之日，新一代装备的需求论证分析等还要往前。因此早在2008年，美国空军基于对长期能力差距的担忧，提出研发下一代战机的建议。2009年美国防部即指示美国空军开始五代机能力的初始研发工作。美国研制五代机的目标是弥补2030年可能形成的装备能力空缺，提升国防部所关心的美国“高性能战术飞机工业基础”能力，确保在该领域的全球优势。美国防部计划在2015年正式启动项目研发，可能在2016年确定原型机项目归属的概念研究项目竞标。下图为美国的两大航空航天及防务巨头波音与洛马公司早前公布的各自未来五代机的概念图。

　　根据对未来五代机使命任务的需求分析、初步的论证及通过工业部门的信息征询。未来五代机的特征由以前的雾里看花、众说纷纭，到目前的若隐若现、各持己见，但美国军方仍没有给出一个像四代机具有4S特征的那样明确的大家公认的说法。我们只能站四代机的肩膀上，结合各方的说法以及未来技术发展的趋势，给五代机勾画出初步的蓝图以及可能的一些特征。

a) 无尾全翼身融合的超扁平外形设计

b) 超常规机动及超音速巡航，具有全球打击能力

c) 超维度物联网系统

d) 实现超域界控制

e) 采用高推重比的自适应（变循环）发动机

f) 其它的一些典型特征及可能采用的技术

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未来五代机飞控作动系统技术发展趋势分析

　　从三代机发展到四代机，飞控作动系统的发展经历了从功能独立、体系架构一体化设计到功能物理皆独立、系统体系架构逐步开放的转变，而且作动系统余度进一步减少（从四余度向三余度）。未来五代机飞控作动系统的体系架构随着飞控系统自主分布式控制要求将进一步开放，飞控作动系统的功能更加独立，控制更加自主，其任务可靠性提高的情况下余度数还可能进一步降低（可能为双余度或单余度及其组合）。这就要求飞控作动系统可以快速无缝的实现与飞控系统、飞行管理系统以及机上其它系统甚至地面监控系统的远程通讯、快速判断处理及飞行任务规划的重新组合。

　　由于五代机飞行速度的提高及飞行包线的进一步扩展，同时加上采用的非常规布局方式，使得飞控作动系统的稳定性、动态响应及系统控制精度均提高。

　　未来五代机采用非常规布局，其航时、航程比现有四代机提高一倍多。飞控作动系统作为飞机中重量、二次能耗所占空间比较大的系统，对飞机的性能影响很大。未来五代机在飞机舵面负载进一步增加的同时，飞控作动系统的重量约要降低，效率还有提升，为适应超薄机翼等带来的影响，其所占空间比还要进一步减小。

　　目前四代机飞控作动系统具有一定的自我维护、测试及保障能力，自修复（状态监控）、预测与健康管理功能更多的是利用上一级系统来实现。分布自主控制作为未来五代机的主要特征，使得飞控作动系统的自主控制、自主管理能力大大加强，原来依赖于上一级系统的维护、测试、保障、自修复以及预测与健康管理等功能将依靠自身或地面远程监控自主完成。

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未来五代机飞控作动系统关键技术研究

　　开放式系统架构是指通过采用商用标准和商用货架产品，降低系统成本，提高可用性、可靠性和可持续发展性，以适应系统不断增长的任务能力的需求，满足不同用户的需要，方便对系统进行升级。由于采用开放式体系结构，在更换一些部件或增加一些新的部件时，不需要改动系统其它部分的硬件和软件。把功能分配在不同的模块上，功能的增加和去除则通过改变软件模块来实现。功能间共享资源，具有容错特性，提高了系统的可靠性。而且还很容易满足不同型号的需求。

　　未来随着五代机对系统动态响应、高精度、稳定性及可靠性、寿命、预测及健康管理要求的提高，系统呈现多变量复杂特性，其控制策略将由经典控制理论向以状态空间法为基础的现代控制理论转变。其控制策略技术在结合传统经典控制理论的基础上，将更多的融合鲁棒控制、自适应控制以及模糊和神经网络控制等控制理论。

　　作为飞控作动系统的核心执行单元-伺服作动器，其可靠性、重量、转换效率对整个飞控作动系统影响非常大。约占作动系统重量的70%（以F35飞机为例）。作动器从上世纪40年代后出现的常规机液作动、电液作动发展到电作动、电动静液作动，整整经历了半个实际多，其技术发展整体较为缓慢，但每一代飞机的发展都伴随着作动技术的发展，或者说作动技术的发展也促使了每一代飞机技术的提升，未来五代机作动技术的关键技术主要体现在以下方面。

a) 高效及省功率设计技术

b) 高压长寿命及无泄漏设计技术

c) 一体化集成设计技术

d) 高效大减速比传动设计技术

e) 作动器先进材料应用技术

　　未来五代机飞控作动系统作为一个高度自主、智能的独立系统，其对自身信息的感知大大增强，同时由于飞机向多电/全电化发展，使得作动系统中的各类感知元件（各类高精度温度、压力、流量、位移、应力传感器以及相应的复合传感器等）、功率转换元件（大功率驱动模块、适应高温的陶瓷封装集成电路、高可靠处理芯片、高功重比直流无刷电机、高压高转速变排量泵或马达、高效机械传动副）、辅助功能元件（密封装置、功能阀）等成为关键，要求其向小型化、轻量化、高效化、智能化、高可靠、即插即用等方向发展。

　　飞控作动系统作为一个独立的系统，其测试及实验技术至关重要。目前国内还没有将飞控作动系统试验作为一个完整独立的试验技术进行研究，更多的是与飞控系统集成综合实验（飞控铁鸟实验）一起进行，造成大量的问题在系统综合中暴露，工作反复，影响研制进度。国外在四代机中已将飞控作动系统作为一个独立的系统进行单独测试及实验，使得系统综合更加简单。未来五代机中由于飞控作动系统的功能和要求日益复杂，自身智能化程度更高，而且由于其更高的可靠性、测试性、安全性、预测与健康管理、特殊环境适应性要求，不但使得系统实验的难度会大大增加，而且会大大增加系统中各关键部件的实验，如液压元件的抗污染实验、机械传动部件的抗卡死实验、预测与健康管理实验。同时基于缩短研制周期和节省经费的考虑，会结合复杂系统建模的要求增加各类部件及系统仿真或半物理仿真实验，缩短系统和部件物理实验时间。

　　智能化及微型化是新一代及未来航空器发展的主要方向，欧美等国研究较早，制定了相关的研究计划，其研制的产品已进行了相关的试飞验证。未来五代机中由于控制功能的日益复杂，对作动系统的智能化程度要求越来越高，应加强对以智能材料、驱动电路、结构原理为基础的智能作动系统进行研究。

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发展五代机飞控作动系统技术的思考

　　国外已将飞控作动系统作为一个独立的系统，不论军机还是民机在研制中都作为一个独立工作包单独选择供应商，而且供应商已建立完整的系统研究、开发、试验及验证、售后服务等全寿命周期的研制能力。目前国内从事单独飞控作动系统集成能力的企业很少，由于历史原因，飞控作动系统的设计及集成更多的是在总体单位，自上向下设计。而国外已在飞控作动系统的联合定义、需求分析以及系统技术推动研究方面建立一套完整的体系。

　　飞控作动系统作为飞机信息、能量转化的关键系统，实现其功率分配及转换的核心元器件的技术发展及影响至关重要。随着未来飞机飞行速度及机动性的进一步提高、飞行翼面的进一步变薄使得飞控作动系统的气动载荷进一步加大、空间进一步变小，对影响系统功率分配及转换的核心元器件要求更加苛刻；而且高转速、无泄漏、高效、高可靠性、高转化比等要求的提高使得核心元器件技术难度进一步增加，使其成了影响飞控作动系统技术发展的短板技术，国外相关公司都投入巨资进行单独的开发研究。目前国内受制于各种影响仍将其作动系统中的一部分进行研究，重视度不高，投入少，专门从事研究人员少，成了影响未来飞控作动系统技术发展的关键环节。

　　飞控作动系统技术的核心是作动技术，作动技术作为飞机及发动机大量使用的一项通用基础技术，在国内和行业内还没有一个完整的系统的实验研究条件。已有的条件也是分布在大小不同的企业中，只能进行局部点上的技术和实验研究，无法开展作动技术全面的系统的规划和研究，而且作动技术里面包含大量的基础技术、共性技术需要研究。因此在集团公司层面构建航空机载作动技术重点实验室显得尤为必要，通过对机载作动技术研究，不但根据型号牵引出背景技术进行研究，还可以通过技术推动使得机载作动技术跨越发展。

　　随着美国F-22/35等四代机装备的研制，国外已开展了五代机技术的研究和开发，作为五代机飞控系统的关键子系统及执行部件，应结合飞机及飞控系统的整体需求，加快进行针对未来五代机的飞控作动系统的研究开发工作，为我国未来五代机的研制奠定良好的基础。