林志昆 王宏霞

隨著數(shù)字技術(shù)、信息技術(shù)和計算機技術(shù)的迅猛發(fā)展，國內(nèi)外先進飛機機電系統(tǒng)發(fā)展趨勢逐步走向了集約化、綜合化。所謂機電系統(tǒng)綜合，就是把包括燃油、環(huán)控、動力、液壓、供電等傳統(tǒng)機電系統(tǒng)從功能、管理、控制上進行綜合化設(shè)計，把各系統(tǒng)融合在一起，實現(xiàn)對機電各分系統(tǒng)的最優(yōu)控制和管理。

早先飛機各系統(tǒng)之間是相互獨立進行管理、控制的，造成機電系統(tǒng)間融合程度不高，可靠性、維修性、測試性、保障性差、能量管理水平低，使機電系統(tǒng)成為飛機上最龐雜的系統(tǒng)，同時也增加了飛機重量。機電系統(tǒng)綜合化設(shè)計將構(gòu)建全新的系統(tǒng)架構(gòu)，大量的硬件、軟件功能綜合到機電綜合系統(tǒng)中來，提升了系統(tǒng)的安全性和容錯能力，同時減少了成品數(shù)量和電纜長度。這樣不但減輕了飛機重量，而且飛機管理、控制層次明確，管理、控制集中，顯著提高機電系統(tǒng)的先進程度。并在控制綜合的基礎(chǔ)上對液壓、燃油、供電、環(huán)控的需求進行綜合平衡考慮，根據(jù)飛機需求實現(xiàn)能源的動態(tài)分配，提升飛機的能源利用率，從而在改善飛行品質(zhì)，提高飛行性能、安全性、舒適性、可靠性和維修性的同時，也降低了燃油消耗和維修成本。

1 技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀

國外較為成熟的機電系統(tǒng)綜合化主要分3個階段，第1階段是進行公共設(shè)備管理系統(tǒng)綜合，它是在基本不改變傳統(tǒng)機電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，對各機電子系統(tǒng)進行控制和熱能綜合管理，實現(xiàn)控制和能量方面的綜合，通過大量使用遠端控制接口單元、遠端數(shù)據(jù)采集單元和固態(tài)功率控制器，借助遠端控制接口單元，在飛機上廣泛分布于各個位置的傳感器和作動器以及公共核心資源計算機，通過數(shù)據(jù)總線連接，使得各個分系統(tǒng)成為物理上分散分布，功能上綜合的機電綜合控制系統(tǒng)。該項技術(shù)已應(yīng)用到A-350、A-380、B-777、B-787中，以及軍用飛機F-22和F-35當中。圖1所示為機電系統(tǒng)綜合管理的構(gòu)型圖。第2階段是子系統(tǒng)功能綜合，此項研究工作是繼公共設(shè)備管理系統(tǒng)之后對機電系統(tǒng)的進一步綜合，它打破了傳統(tǒng)機電系統(tǒng)各自獨立的格局，是一種全新的設(shè)計理念，如多電飛機技術(shù)，用電力系統(tǒng)取代目前飛機上使用的液壓、氣壓和機械系統(tǒng)，以達到在功能、能量、控制和物理4個方面實現(xiàn)全面綜合的目的。目前，部分研究成果已應(yīng)用到A-380、B-787、F-22和F-35中。特別是F-35的機電系統(tǒng)綜合化是在F-22的基礎(chǔ)上進一步發(fā)展，其功能、能量、控制和物理方面的全綜合已起步，多項多電飛機技術(shù)得到了應(yīng)用。第3階段是實現(xiàn)飛機層面的能量綜合與優(yōu)化，如美國開展的綜合飛行器能量技術(shù)計劃和能量優(yōu)化飛機計劃，該項技術(shù)還處于研究初級階段。

我國在機電系統(tǒng)綜合化方面起步較晚，在新一代飛機研制之前，我國軍民用飛機的機電系統(tǒng)都是獨立的，至多采用機電管理系統(tǒng)實現(xiàn)機電系統(tǒng)的故障診斷與隔離、機電系統(tǒng)狀態(tài)監(jiān)控與告警，并通過總線與航電系統(tǒng)信息共享，完成部分機電系統(tǒng)的控制管理，方案見圖2。我國新一代軍用飛機的機電系統(tǒng)研制貫穿了綜合化管理思想。在機電系統(tǒng)的故障監(jiān)測技術(shù)上采用了綜合化的監(jiān)控技術(shù)，促進了液壓、燃油、供電、環(huán)控的綜合平衡，能量動態(tài)分配。總的來說，新一代戰(zhàn)機的機電系統(tǒng)相對于前一代戰(zhàn)機實現(xiàn)了技術(shù)跨代。在預(yù)研方面，我國已開展了先進機電系統(tǒng)能量綜合技術(shù)、機電系統(tǒng)綜合管理和健康診斷技術(shù)等研究，并取得了一定的研究成果。雖然我國在機電綜合領(lǐng)域已經(jīng)取得了豐碩的成果，但依然處于跟著國外走的階段，與國外的先進水平相比，我國的機電綜合化水平還存在一定差距。

2 機電綜合系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)

機電綜合系統(tǒng)是一個涵蓋航電、控制、電氣、機械、液壓、燃油等多個專業(yè)的復(fù)雜綜合體，除了各專業(yè)固有的技術(shù)難點，為了實現(xiàn)系統(tǒng)綜合又衍生出一系列關(guān)鍵技術(shù)有待解決。包括整個系統(tǒng)的研制技術(shù)和分系統(tǒng)的新技術(shù)要求。

2.1 機電綜合系統(tǒng)構(gòu)架設(shè)計技術(shù)

構(gòu)架設(shè)計是機電綜合系統(tǒng)的頂層設(shè)計，主要是基于系統(tǒng)基本功能和性能指標，搭建系統(tǒng)構(gòu)架，使機電綜合系統(tǒng)滿足飛機總體設(shè)計的要求。系統(tǒng)構(gòu)架是機電綜合系統(tǒng)設(shè)計理念的直接體現(xiàn)，該構(gòu)架設(shè)計的是否合理，直接決定了整個系統(tǒng)的各項性能指標，因此是機電綜合系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)之一。一般在滿足各分系統(tǒng)的功能、安全性、可靠性等基本要求的同時，應(yīng)從如何提升整個機電系統(tǒng)的能源利用率、可靠性、安全性等角度出發(fā)。如利用系統(tǒng)冗余進行容錯設(shè)計，使在出現(xiàn)故障時進行系統(tǒng)重構(gòu)，提高機電系統(tǒng)的容錯能力。此外還需要設(shè)計各分系統(tǒng)之間以及分系統(tǒng)與綜合管理系統(tǒng)之間的接口等。

2.2 機電綜合管理系統(tǒng)設(shè)計技術(shù)

機電綜合管理系統(tǒng)是機電綜合系統(tǒng)的中樞，是對機載系統(tǒng)進行綜合化管理、自動控制及故障監(jiān)測的分布式計算機系統(tǒng)，通過總線與航空電子系統(tǒng)及飛機其他系統(tǒng)連接，使機電系統(tǒng)與其他系統(tǒng)的信息可以高度融合。信息的高度融合使航空電子系統(tǒng)的任務(wù)管理更加完善，同時也使機電系統(tǒng)的管理、控制及監(jiān)視達到最優(yōu)，使飛行員及維護人員可通過顯示、音響、告警及記錄的方式得到更加完善、準確的機上信息。

2.3 狀態(tài)監(jiān)控與故障診斷技術(shù)

狀態(tài)監(jiān)控和故障診斷是機電綜合系統(tǒng)進行系統(tǒng)重構(gòu)、故障隔離的前提條件。因此每一個機電綜合系統(tǒng)都應(yīng)具備狀態(tài)監(jiān)控與故障診斷的能力。因此，系統(tǒng)如何實時準確地自檢出故障位置和狀態(tài)成為機電綜合系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)之一。一般對于能夠建立較精確數(shù)學(xué)模型的系統(tǒng)，可用基于模型的方法進行故障診斷；對于復(fù)雜系統(tǒng)，可根據(jù)監(jiān)控得到的特征信號進行故障診斷。

2.4 熱綜合管理技術(shù)

熱能是飛機重要能量，綜合高效地利用各分系統(tǒng)熱能對于提升飛機整體的效率有重要作用。因此，如何把相互獨立的機體熱量、發(fā)動機熱量、電氣設(shè)備熱量、燃油熱量、環(huán)境控制熱量綜合統(tǒng)一管理成為機電綜合系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)之一。為實現(xiàn)熱量綜合管理，需要進行新型燃油研究，以提供熱穩(wěn)定性和比熱容更高的燃油，在此基礎(chǔ)上再進行燃油熱管理系統(tǒng)研究。

2.5 多電飛機技術(shù)

為了實現(xiàn)機電系統(tǒng)的完全綜合，美國提出了全電飛機概念，將二次能源全部用電能形式分配，作為全電飛機的初步階段，多電飛機成為當前飛機機電系統(tǒng)研發(fā)的重要領(lǐng)域，包括電力作動器、電力剎車、電力環(huán)控等，由于用電設(shè)備的增加又需要研究大容量啟動/發(fā)電機、配電管理系統(tǒng)、高容錯供電系統(tǒng)等。

2.6 系統(tǒng)驗證技術(shù)

機電綜合系統(tǒng)是一個復(fù)雜的系統(tǒng)，在研制過程中不僅要對整個系統(tǒng)進行驗證，還需要對重要部件、分系統(tǒng)進行驗證。因此，相關(guān)驗證設(shè)備和驗證方法成為機電系統(tǒng)研制過程中的重要關(guān)鍵技術(shù)之一。需要在以往對單獨部件或分系統(tǒng)進行驗證的設(shè)備和方法的基礎(chǔ)上，開展系統(tǒng)綜合驗證設(shè)備和方法的研究。

3 標準需求

標準化是在科研、生產(chǎn)、管理等活動中使重復(fù)性事件達到統(tǒng)一的活動，以獲得最佳秩序和最大的經(jīng)濟效益、軍事效益和社會效益。特別是在復(fù)雜系統(tǒng)研制活動中，標準化發(fā)揮著協(xié)調(diào)統(tǒng)一的重要作用，可以說標準化在科研生產(chǎn)活動中不可或缺。機電綜合系統(tǒng)是典型的多任務(wù)、多學(xué)科綜合的復(fù)雜系統(tǒng)，在整個研制過程中都需要貫徹標準化思想，與機電綜合系統(tǒng)研制同步開展相關(guān)標準研究工作成為必要。然而我國目前僅有電氣、液壓、航電等分系統(tǒng)的相關(guān)標準，在機電綜合方面的標準還屬空白，因此需基于機電綜合系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)開展相關(guān)標準化研究。機電綜合系統(tǒng)標準在航空行業(yè)標準體系中應(yīng)屬于飛行器平臺及系統(tǒng)標準之下的機電綜合標準，見圖3，目前該分支與電氣系統(tǒng)標準、液壓系統(tǒng)標準、燃油系統(tǒng)標準等并列。隨著機電綜合化技術(shù)的進一步發(fā)展，各系統(tǒng)間融合度不斷增加，電氣、液壓、燃油等系統(tǒng)的標準或許將逐步納入到機電綜合標準中，以便從頂層和各分支對電氣、液壓、燃油等系統(tǒng)綜合管理。

3.1 機電綜合系統(tǒng)頂層標準需求

機電綜合是將所有機電分系統(tǒng)當作一個整體來考慮，系統(tǒng)內(nèi)部各子系統(tǒng)的方案都要適應(yīng)綜合化的要求。因此需要“機電綜合系統(tǒng)通用要求”、“機電綜合系統(tǒng)通信總線”、“機電系統(tǒng)數(shù)字信號接口要求”等頂層標準從系統(tǒng)總體角度出發(fā)進行統(tǒng)一規(guī)范，確立機電系統(tǒng)在整個飛機體系中的地位，規(guī)定系統(tǒng)的基本功能、性能、總線、以及各系統(tǒng)的接口要求等。使機電系統(tǒng)的框架符合綜合化要求，并滿足飛機的總體設(shè)計要求，最終實現(xiàn)機電系統(tǒng)的功能綜合、物理綜合、控制綜合和能源綜合利用等要求。

3.2 機電綜合管理系統(tǒng)標準需求

機電綜合管理系統(tǒng)一般通過多臺飛行器管理計算機和公共設(shè)備控制處理器，如燃油測量計算機、環(huán)控計算機、剎車控制計算機、發(fā)電機控制裝置等。為了達成機電綜合管理系統(tǒng)的功能要求和性能要求，以及模塊化、系列化、組合化的設(shè)計原則，需要“機電系統(tǒng)控制處理計算機規(guī)范”、“機電系統(tǒng)控制處理計算機軟件設(shè)計要求”等標準對以上計算機軟硬件的設(shè)計進行規(guī)范，明確功能要求，提升其安全性和可靠性等，從而實現(xiàn)系統(tǒng)的控制功能、數(shù)據(jù)測量功能、狀態(tài)監(jiān)控功能、告警功能、信息指示功能、維護功能、啟動檢測功能、二次配電系統(tǒng)復(fù)位功能等。

3.3 分系統(tǒng)標準需求

目前我國已編制了大量電氣系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)、燃油系統(tǒng)等相關(guān)標準，對各分系統(tǒng)的研制提供了有力的支撐作用，同時也為機電綜合系統(tǒng)的研究奠定了基礎(chǔ)。但是這些標準僅著眼于各自系統(tǒng)的功能和性能，未考慮系統(tǒng)之間的融合，缺乏系統(tǒng)綜合理念。隨著機電系統(tǒng)的綜合程度日趨提高，以往標準的技術(shù)覆蓋面會越來越低，將無法滿足未來飛行器機電系統(tǒng)的研制需求。因此，需要根據(jù)機電綜合技術(shù)的發(fā)展對各分系統(tǒng)的標準進行修訂，增加各分系統(tǒng)之間的綜合化要求。另外，在機電系統(tǒng)綜合化的發(fā)展過程中，也出現(xiàn)了熱綜合管理、多電飛機等新的技術(shù)和裝備，也需要跟進編制相關(guān)標準，固化和推廣相關(guān)新技術(shù)，從而從分系統(tǒng)層面提升機電綜合系統(tǒng)的整體性能。

3.3 驗證試驗標準需求

驗證試驗是產(chǎn)品設(shè)計的最后環(huán)節(jié)，也是形成研制活動閉環(huán)的重要環(huán)節(jié)之一。機電綜合系統(tǒng)研發(fā)過程中的各個環(huán)節(jié)同樣需要試驗來證明設(shè)計的可行性和產(chǎn)品的功能性能。因此，需制定“機電綜合系統(tǒng)機上地面檢測要求”、“機電系統(tǒng)仿真試驗要求”、“機電綜合系統(tǒng)測試設(shè)備規(guī)范”等試驗標準，從試驗設(shè)備、試驗方法、試驗流程等方面把控機電綜合系統(tǒng)的產(chǎn)品質(zhì)量。

以上為根據(jù)關(guān)鍵技術(shù)分析所得飛機機電綜合系統(tǒng)的標準需求，機電綜合標準的制定將為我國相關(guān)研制工作提供參考和依據(jù)，從而促進飛機機電系統(tǒng)的綜合化水平，提升飛機機電系統(tǒng)的可靠性、安全性等。

4 結(jié)束語

未來飛行器將向著能量優(yōu)化型發(fā)展，那么機電綜合則成為未來機載系統(tǒng)的必然趨勢。并將通過機電綜合技術(shù)不斷完善能源的全局控制與分配，信息相互共享，功能互為備份，從而提升整個機電系統(tǒng)的綜合性能。在此過程中需攻克相關(guān)關(guān)鍵技術(shù)，并通過建立相關(guān)標準規(guī)范機電綜合系統(tǒng)的研制生產(chǎn)，提高效率，降低風(fēng)險。最終實現(xiàn)機電綜合技術(shù)的快速發(fā)展。

[1] 王曉梅. 民用飛機系統(tǒng)機電綜合的發(fā)展[J]. 科技創(chuàng)新導(dǎo)報，2011（32）.

[2] 郭生榮. 航空機電系統(tǒng)綜合化技術(shù)展望[J]. 國際航空，2012（8）.