李星男遼寧省大連市第八中學

光電技術助力飛機操縱系統(tǒng)的發(fā)展

李星男
遼寧省大連市第八中學

本文簡要回顧了傳統(tǒng)機械和電傳操縱系統(tǒng)的使用現狀，重點就新型光傳操縱系統(tǒng)的科學基礎和現實優(yōu)勢進行了深入分析，詳細介紹了飛機操縱“光學化”的關鍵技術及研究現狀，最后針對國內光傳操縱的發(fā)展問題提出了自己的建議。

光傳操縱 飛機 光電技術

飛機操縱系統(tǒng)主要是用于在飛行中改變飛機軌跡，控制飛機的航姿，其可靠性對飛行安全和飛行任務有重要作用。由發(fā)展歷程來分，可分為機械傳動操縱系統(tǒng)、電傳操縱系統(tǒng)、光電傳操縱系統(tǒng)，其使用效果又各有優(yōu)缺點，目前大多飛機采取多種操縱方式混合協(xié)調的方式。

1　傳統(tǒng)飛控技術發(fā)展概況

自萊特兄弟完成人類首次飛行的100余年，各種機載系統(tǒng)日漸完善，飛機性能不斷提高。相比之下，飛行操縱系統(tǒng)卻發(fā)展遲緩，至今機械操縱系統(tǒng)仍在許多飛機上使用。機械飛控廣泛使用于低速飛機，它通過一套復雜的機械聯動裝置和液壓管路連接駕駛桿與舵機，飛行員通過駕駛桿控制舵面，從而控制飛機姿態(tài)與航向。大型飛機采用液壓助力系統(tǒng)， 飛行員控制助力器的伺服活門間接控制舵面偏轉。對于飛行速度更快的亞音速飛機，則要加裝人工載荷機構，形成不可逆助力操縱系統(tǒng)以保證飛機穩(wěn)定飛行。

隨著電氣技術的進步，上世紀50年代末發(fā)明了全新的電傳操縱系統(tǒng)，飛行員操縱的機械動作變成了電信號，電傳操縱有效減少了原機械操縱系統(tǒng)所占體積，減輕操縱系統(tǒng)重量，提高了軍用飛機的戰(zhàn)傷生存率。同時電傳飛控減輕了飛行員的工作負擔，消除了重力加速度對信號輸入量的影響。為提高電傳系統(tǒng)可靠性，現役軍機和民機普遍使用三余度或四余度電傳飛控，并設計備份系統(tǒng)。A320型飛機是歐洲空客公司設計生產的中程干線客機。A320客機在世界范圍首次采用了電傳操縱系統(tǒng)，作為現用民航客機中最先進的飛行操縱系統(tǒng)，已經成為了同類飛控系統(tǒng)的典范。

電傳操縱也并非十全十美，它的主要弱點是易受雷電、核輻射及電磁干擾的影響，另外，現代大型飛機電纜布置復雜，各線路間的干擾嚴重，面對各種干擾，仍主要采用傳統(tǒng)的金屬屏蔽保護方法。然而，現代飛機多采用復合材料以減輕重量，這與保護電子器件正好背道而馳，在新型飛機中采用電傳操縱所面臨的電磁干擾和輻射問題更為嚴重，對于飛機性能的提高十分不利。

2　光傳操縱系統(tǒng)的特征概述

現代軍事裝備對可靠性和性能的要求越來越高，空間電磁環(huán)境日益惡劣，戰(zhàn)場上電子對抗尤為激烈，因此提高飛機操縱系統(tǒng)的抗電磁干擾能力迫在眉睫。解決這一問題的最根本途徑即采用光傳操縱系統(tǒng)（Fly-By-Light-System），利用其替代或部分替代電傳飛控是國防軍事現代化的必然需求，更是飛機操縱系統(tǒng)發(fā)展的大勢所趨。

光傳操縱系統(tǒng)采用光纖數據傳輸技術，以光信號代替電信號作為信息傳遞載體，以光纖代替電纜作為物理傳遞媒質， 在飛控計算機之間或飛控計算機與舵機之間傳遞指令。光纖傳輸技術之所以得到迅速的發(fā)展，是由于它與電信號傳輸技術相比具有以下優(yōu)點：

（1）光纖質量輕、體積小， 耐高溫、耐腐蝕，傳輸損耗低至0.2dB km， 損耗極低，傳輸距離遠，能夠布設于機身的任意空間；

（2）光傳遞的信息量巨大，僅單模光纖的帶寬即可達到THz·km；

（3）密封性好，抗電磁干擾性強，不容易發(fā)生信號串擾，不引火花，具有較高的可靠性和安全性；

由于光傳操縱系統(tǒng)具有壓倒性的優(yōu)勢，我們必須高度重視光傳操縱系統(tǒng)的研究以應對越來越激烈的國際挑戰(zhàn)。光傳飛控系統(tǒng)的性能和可靠性取決于光電器件，如光源、光纖、光檢測器等，因此成功設計光傳飛控的關鍵就是光電器件的研制。我國在光傳操縱系統(tǒng)領域的研究尚停留于通信領域，將其成熟應用于飛控系統(tǒng)仍處于起步階段。國內目前的研究主要集中于以下關鍵技術：

（1）雙路接收雙路發(fā)射微機接口；（2）多路復用光總線技術；（3）準光傳操縱系統(tǒng)體制；（4）光電和電光轉換裝置。

3　光傳操縱系統(tǒng)的研究關鍵

目前的光傳飛控并非純光學系統(tǒng)，光信號的發(fā)送、放大、傳輸、執(zhí)行仍依靠電氣部件。隨著光纖技術的迅猛發(fā)展，應用于飛機的光傳飛控技術正在不斷更新，純光傳體系及元器件的研發(fā)和裝配已成為飛機發(fā)展的必然趨勢，為實現這一目標，還有許多關鍵技術需要研究，現將其中幾個主要技術列舉如下。

3.1光計算機

光計算機又稱光腦， 與傳統(tǒng)硅芯片計算機不同，它采用光束代替電子進行計算和存儲。光計算機以光學系統(tǒng)為基體，以光子為主要信息載體，在存儲部分與運算部分之間進行光連接，以光運算作為運算方式，能夠與光動作器、光傳感器、光纖數據總線等直接實現互聯互通。光計算機突破了傳統(tǒng)的運算器、存儲器、輸入和輸出設備相連接的總線體系，運行速度超高，并行性超好，抗干擾性超強，頻帶超寬，非常適用于航空航天、核武器模擬、大社會問題分析等高科技領域。

3.2光傳感器

光傳操縱系統(tǒng)的基礎是光學傳感器。光傳感器能夠通過光學測量直接獲得飛行的位移、速度、加速度、大氣參數、電學參數，或者是將非光學參數轉換為光學參數。現有的光傳感器主要有線性位移傳感器、激光陀螺等，其它信號類型的光傳感器仍在研制。

3.3電光結構

目前少量裝機使用的光傳感器仍需要將光信號轉換為電信號由電纜進行傳遞，飛機上未裝載光纖總線。短期內飛機上的光學傳感無法實現全面實用， 而電信號傳感器技術已經成熟， 電光結構作為由光電混合信號系統(tǒng)向全光信號系統(tǒng)發(fā)展的一種重要的過渡裝置目前還是必要的。

3.4光動作器

利用光傳動作系統(tǒng)代替現有電傳動作系統(tǒng)，能夠減輕質量，增強抗電磁輻射和電磁干擾的能力，更大程度地提高光傳飛控的可靠性。未來的純光傳系統(tǒng)能夠不經過電氣變換，直接通過光信號來控制機械裝置，這種技術不止依賴于光纖工程，更會與其他諸如光化學反應、電化學反應、光電效應等技術產生緊密聯系。雖然這種動作器尚未研制成功投入使用，但是光舵機仍是大勢所趨。

4　現實與展望

目前，光傳體系主要分為模擬光傳和數字光傳兩種。模擬光傳體系通過調節(jié)光強進行信號編碼和傳遞，由于受非線性影響，飛行控制系統(tǒng)傳輸信號時不宜直接采用模擬光傳。而數字光傳必須使用精密的激光收發(fā)端機及光導纖維， 其信號傳輸也要基于光總線和光纜，因此數字光傳系統(tǒng)實現所需的技術成本較高。對于目前飛行操縱系統(tǒng)來說，光傳在大容量和高速率方面的優(yōu)勢并不突出，我們更關心其技術可靠性，因此電傳操縱在短期內尚能適應我國對飛控系統(tǒng)尤其是民機的需求。就我國當前在光纖領域的技術水平， 光傳感器的研發(fā)生產尚無法完全替代電傳感器，直接涉足光傳飛控研究的前沿仍存在較大難度，因此下一代機預計將是電傳操縱與光傳操縱的混合操縱系統(tǒng)。

雖然動作指令的發(fā)送和回饋媒介變了，傳輸速度快了，安全性和適應性提高了，但是在操縱理論上講，光傳操縱系統(tǒng)與電傳操縱系統(tǒng)并無本質區(qū)別。立足國內光電傳輸的研究基礎，借鑒國際技術，緊跟未來飛機操縱系統(tǒng)“光學化”的發(fā)展潮流，大力推進飛機操作的理論研究刻不容緩。

［1］張沛帆，傅嘉偉.飛機操縱系統(tǒng)沿革和展望［J］.硅谷， 2011（12）： 23-23.

［2］黃國華，李洋，廉風慧.飛機電傳操縱系統(tǒng)的發(fā)展概況［J］.現代教育科學：高教研究，2009（S1）： 414-415.

［3］李昆，王少萍.光傳操縱系統(tǒng)的發(fā)展趨勢［C］.中國航空學會飛行器控制與操縱第十次學術交流會暨專業(yè)委員會成立20周年大會. 2001： 1068-1072.

［4］龔華軍，楊一棟.光傳操縱系統(tǒng)綜述［J］.大氣與環(huán)境光學學報，1997， 15（4）： 43-48.