光传飞控系统发展的必要及现状

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摘 要：现代飞机机舱内的电子设备在不断增多，机舱内线缆布局量在不断增大，电磁干扰、电子对抗问题越来越严重，电传飞控系统存在局限，面临巨大挑战，光传飞控系统由于诸多优点，成为重点研究的对象。

关键词：飞控系统；电传飞控；光传飞控；光纤；光传感器

引言

飞控系统是将飞行员输入的命令， 利用传感器输入， 经过控制律解算， 产生驱动飞机舵面运动指令， 驱动飞机副翼、方向舵等控制面运动， 改变飞机运动方向和速度。飞控系统的发展经历了以下几个阶段，飞控系统从最开始的由一个简单的电缆、滑轮及曲柄组成的机械系统，发展为通过尖端电子设备与数字模拟技术的电传控制系统，使飞控系统发生了革命性变化。但是，电传控制系统在实际使用过程中，仍然存在各种问题和弊端：（1）不能防御雷击电和电磁干扰；（2）电缆布局相对遥远， 电缆用量增大， 不仅增加了飞机重量， 还会引起导线间的干扰及地环流影响， 对电信号的正常传输造成较严重干扰。近些年，光传飞控系统因具有抗干扰性强、传输量大、可靠性高等优点被作为研究的重点，取得了很大的突破。

二、光传飞控系统的研究现状

在最初的实现过程中，涉及到用光纤替代电线的数据通讯媒体。在近期的应用中也能见到光传传感器的应用实例， 例如机械位置测量装置的传感器等。

自20 世纪70 年代以来， 光传部件已开始应用。美国空军怀特实验室在此期间开始对光纤通讯在飞控系统中的应用进行研究。1974 年， 电传飞控系统的样机被改进， 以便在其四余度通道的每一个通道中引入光纤。1978 年， Digitac 计划研制出一类数字式飞控系统， 该系统采用具有电传和光传操纵能力的双通道MIL-STD-1553B 多路传输数据总线。1994 年， NASA Dryden 系统（ 即改进的McDoug las F/ A -18） 完成了对光电传感器的开环测试， 该测试方法是由NASA Lew is 研究中心在光纤控制系统综合方案中所提出的[3]。20 世纪末， 光控设备在无人机上有了长足的发展。1997年， 美国“ 罗福来特”无人机在第二次试飞中采用了光纤通信和控制。2000-2002 年， 日本航空开发协会主管的下一代航空器研究计划开发了一种PBW/FBL操纵系统， 主要开发了光传数据总线、新型的飞控计算机以及灵巧作动器。其中灵巧作动器有电动机械作动器（EMA） 和电动静液作动器（EHA）两种 [4]。21 世纪， 全数字化光传感器、光纤传输、光传控制将广泛应用于飞机上， 特别是军机上。

三、光传飞控系统的重要组成

1）光纤传输

光纤传输主要的光电器件包括： 光源、光检测器、光纤。

由于半导体激光器（ LD） 不适合作光源。因为LD 对温度非常敏感， 需要复杂的电路来稳定温度和功率， 对传输速度小于50 Mb/ s 的系统，选择LED 作航空光传系统的光源[5]。若对功率要求较高，可用用高亮度的LED 来改进。

目前， 光检测器主要有光电二极管和雪崩光电二极管，由于光电二极管使用简单、偏压较低（通常为10-20V），适合航空系统环境多变，且对可靠性要求高的实际情况，所以选择光电二极管作光电检测较为适宜。

光纤从材料类型上， 可分为石英光纤、玻璃光纤和塑料光纤三种，石英光纤比玻璃光纤柔韧度好，比塑料光纤耐高温性能好，因此，石英光纤优势更明显，选用石英光纤作为航空领域用光纤。

2）光传感器

飞机需要上千个传感器分别用于线位移、角位移、温度、气压、速度、加速度等参数的测定和监控，光传感器按功能可分为：速率陀螺、线性加速度计、线性位置传感器、等。目前，国内光传感器的研究已经取得了部分成果，光纤陀螺、光纤加速度计、测量元件线性光纤位移传感器、光纤温度传感器等已进入实用阶段[6]。

四、光传输的分类

光传输分为单通道光传输和波分复用的多通道光传输。

1）单通道光传输采用脉冲频率调制，流程框图如下图所示：

2）光传飞控系统的波分复用，波分复用技术就是为了充分利用單模光纤低损耗区带来的巨大带宽资源[7] ， 根据每一信道光波的频率（ 或波长） 不同可以将光纤的低损耗窗口划分成若干个信道， 把光波作为信号的载波， 在发送端采用合波器将不同规定波长的信号光载波合并起来送入一根光纤进行传输。在接收端， 再由分波器将这些不同波长承载不同信号的光载波分开的复用方式。

飞控系统信号的特点是大信号、超低频， 甚至直流信号， 而且需传输的信号数量有限， 距离也很短，使用波分复用技术优点明显， 可在同一根光纤上同时传输不同速率、不同数据格式的信号而互不影响， 并且当有新的信号需要传输时， 可通过增加新的波长来实现， 而不必增加光纤数量， 使扩容简便化。

五、光传的优点及缺点

光传的优点如下：

1）光纤网络抗干扰强：因为光纤的基本成分是石英，只传光，不导电，不受电磁场的作用，在其中传输光信号不受电磁场的影响，故光纤传输对电磁干扰、工业干扰有很强的抵御能力。

2）传输容量大：由于SiO2 晶体制成的光纤又轻又细， 极大地减小了传输线的重量和体积， 节省了机内空间， 便于敷设[2]。

3）系统的安全性和可靠性更高：由于工作温度低， 不会产生火花， 耐高温和腐蚀。另外，光纤的故障隔离性能好， 当一个通道发生故障时一般不会影响其它通道。

光传的缺点：容易折段，更换和连接需要很细的工艺，安置比较复杂，但是随着科技的发展和新工艺的出现，改问题已经取得了很大的进步和解决。

就以上光纤传输的优缺点对比来看，新一代飞机采用光传飞控系统代替或部分代替电传飞控系统， 可将其抗电磁干扰、电磁脉冲和雷击等诸多优点充分展现，为飞机提供全时间、全权限的飞行控制。增强飞机安全性和生存能力。

六、总结

光传飞控凭借诸多优点，因而备受关注，但由于光计算机、光作动器等全光传控制系统的关键技术还远未成熟，目前，仅是将电传元件和光传部件相结合来测试，也就是光-电集成阶段，考察飞行环境的适应性，而涉及到系统级的方法和设计，就需要综合未来飞机的实际应用的部件设计。预计在未来相当长的一段时间里， 新一代的飞机控制系统将采用电传/光传混合体系结构。

参考文献：

[1]电传飞控系统故障诊断专家系统研究 蔡东华/中国电科集团28 所

[2]Jack Co rr jg an. Fly-by-Light 111： 148-155

[3]李备飞.光传飞行控制系统研究此京航空航天大学

[4]孙学军， 张述军， 等 DWDM 传输系统原理与测试[M] .北京： 人民邮电出版社， 2000.

[5]鲁道夫， 布罗克豪斯. 飞行控制[M ] . 北京： 国防工业出版社， 1999. 9.

[6]肖顺达. 飞行自动控制系统[ M] . 北京： 国防工业出版社， 1982. 12

[7]胡剑波. 苏-27 型飞机航行驾驶综合体航空设备[ M] .空军工程学院， 1993. 10