初级教练机综合航电系统发展趋势

王庆伟，赵 影，邹林林

（中航工业洪都，江西南昌330024）

0 引言

早期的初级教练机受研制时期技术水平制约，机载电子设备简单，采用分离式仪表，可满足基本飞行需求；同时代的中、高级教练机机载电子设备同样简单，各级教练机的机载电子系统差异较小，可以满足飞行员培训使用要求。

随着航空电子技术的进步，中、高级教练机机载电子系统向综合化航空电子发展，初级教练机与中、高级教练机航电系统衔接出现阶差，习惯简单仪表的飞行员面对中、高级教练机综合化航电系统和显示画面，很难尽快适应，延长了飞行员培养时间和成本，增大了飞行员淘汰率。

国外十分重视训练体制建设，在满足飞机整体操纵性能的基础上，根据航空电子最新发展情况，不断进行航电平台升级，使飞机的整体性能与训练需求相衔接，飞行员从初级训练到战斗机飞行不存在明显的训练需求阶差。

1 综合航空电子系统研究现状

1.1 航电综合技术与系统结构的发展

20世纪70年代以来，随着综合航电系统技术成果逐步应用，降低了机载设备的体积和重量，缓解由于任务和设备增长导致的座舱拥挤，减轻了飞行员负担，实现了多系统数据共享，提高了载机使用效能和机载设备五性（可靠性、维护性、测试性、安全性、保障性）能力。为了取得航电综合技术更大的进步，更大程度共享软硬件和信息资源，达到更高的可靠性和可用性，降低寿命期成本，航电综合技术的开发工作持续加强，系统结构不断改进，技术水平迅速提高。

1.1.1 航电综合技术的发展

航电综合技术是实现航空电子系统综合，充分发挥机载电子设备效能的根本保证。航空电子系统综合系统设计是对航空电子综合结构的选择，对任务使命在完整飞行架次中系统操作流程的分析，软、硬件系统功能分工，软件系统结构设计，系统性能指标分配，子系统、设备选用，关键技术及试验方法全面考虑和研究等多个有序环节的完成。

1.1.2 系统结构的发展

综合航空电子系统是航空电子系统的一种结构方式，也是一种配置方法，能够最有效地利用各种信息资源，用较少的代价获得更多的功能和更高的性能。

航空电子发展已经经历了四代：

第一代是分立式结构，这是20世纪中期前普遍采用的航空电子系统结构形式。这种结构不存在能够实现系统控制的核心计算机，系统中的每个子系统都有自己的传感器、控制器和计算机。系统构形专用性强，缺少灵活性，无法实现信息资源共享。

第二代是集中式结构。20世纪70年代美国空军莱特实验室提出了数字式航电信息系统（Digital Avionics Information System，DAIS），该计划提出了集中分布式航电系统结构，采用了微处理器、数据总线、综合显示和任务使命软件四大核心技术，将串行数据总线引入航电系统中，建立了MIL-STD-1553B数据总线体系。

第三代是联合式结构。20世纪80年代莱特实验室提出“宝石柱”计划，采用通用、标准的外场可更换模块（LRM）取代传统的外场可更换单元（LRU），通用综合管理处理器代替机载传感器计算机，进行数据综合，通过软件将任务动态分配给LRM执行，实现系统容错和重构，系统向网络化方向发展。

第四代为综合共享式结构。20世纪90年代美国提出了功能更完善、性能更优良、综合化程度更高的“宝石台”（Pave Pace）计划。 该计划是“宝石柱”计划的延伸和增强，是未来一代航空电子系统的主要结构形式，在第三代基础上采用了统一航空网络并推进了传感器系统综合。该构型主要在三个方面对系统结构进行了延伸、增强和改进，一是采用综合核心处理技术；二是提出综合射频传感器概念，三是使用了综合的座舱/驾驶员与飞机接口。

我国从20世纪80年代开始进行航电系统综合化的研究，国家对航空电子技术的发展实行倾斜政策，投入大量的资金用于技术的研发、生产技术的改造、测试能力的增强，从最薄弱的综合技术入手，集中攻关，实现了子系统通过总线进行综合的第三代航空电子系统框架。正在着手将航空电子的综合化向进一步的模块化、开放式结构方向发展。

1.2 现阶段国产初级教练机航电系统存在的问题

随着航空电子技术的进步，航空电子系统总体设计与综合、座舱综合显控技术已经较为成熟，座舱综合显示技术和信息综合处理技术已经得到广泛应用。中、高级教练机的机载电子系统逐步向综合航空电子系统方向发展。

针对这种情况，国外在研发新型初级或初/中级教练机时，其航电系统与更高层次的教练机相衔接。我国目前的初级教练机是初教6飞机，该机航空电子设备简单、综合化程度较低，尤其是飞机座舱显示采用分离式仪表，不能满足未来训练需求。因此，我国在进行新一代初级教练机的研制时，必须对国际初级教练机航电系统发展有清醒的认识，进行认真的分析；从国内技术水平出发，采用合适的综合航电构型，提高飞机的综合航空电子水平，特别是在座舱综合显示控制技术上，应采用较为先进、成熟的座舱综合显控技术，满足飞行训练不断发展的需求。

1.3 国外军用初/中级教练机综合航空电子系统现状

国外初/中级教练机航空电子系统正在逐步向综合化方向发展，广泛采用以MIL-STD-1553B数据总线为核心的综合航空电子系统。

1）PC-21教练机

PC-21是瑞士皮拉蒂斯公司研制的一款新型教练机。前舱装有平视显示器，作为飞行时的主显示器；前后舱仪表板各安装有3台152×203mm的液晶显示器，中央的液晶显示器为主显示器，飞行员可以通过显示器周边按键和正前方控制板按键控制两个液晶显示器，分别显示导航、任务、系统以及战术数据；两台辅助备份显示器分别显示备份导航和发动机数据（见图1）。

采用任务计算机作为核心处理机，系统为开放式，允许进行衔接和升级。火控系统实现了完全的计算机化，导航系统采用激光捷联惯性导航系统，另配有一台全球定位系统。整个综合航空电子系统采用ARINC429和MIL-STD-1553B数据总线接口。

图1 PC-21教练机座舱布局

2）EMB-314“超级巨嘴鸟”

EMB-314是巴西航空工业公司研制的一种初/中级教练/轻型攻击机。

该机前座舱安装有平视显示器，前后舱各装有两台液晶显示器，采用常规备份仪表（见图2）。航电系统采用MIL-STD-1553B数据总线为主要数据传输方式，火控系统实现了完全的计算机化，导航系统采用激光捷联惯性导航系统和GPS全球定位系统。

图2 EMB－314教练机座舱

3)KT-1教练机

KT-1教练机是韩国宇航公司研制的初/中级教练机。

前舱安装有一台平视显示器，前后舱仪表板上各装有3台多功能液晶显示器。中间显示器为主显示器，显示飞机的主导航信息，左显示器主要显示飞机状态信息，右显示器主要显示发动机数据。备份显示为一台3英寸液晶显示器，无常规备份仪表（见图3）。任务规划和画面显示调度可通过正前方控制板完成。计算机化的火控系统。整个综合航空电子系统以MIL-STD-1553B数据总线为核心。

图3 KT-1教练机座舱

4)T-6A“德克萨斯人Ⅱ”教练机

T-6A“德克萨斯人Ⅱ”教练机是美国比奇飞机公司在瑞士皮拉蒂斯公司PC-9教练机基础上发展的全特技初级教练和导航员教练机。

每个座舱安装有两台5英寸的有源矩阵液晶显示器，上方的显示器为垂直画面显示器，显示飞机的姿态、角速度和定位/下滑信标偏移，下方显示器为水平画面显示器，显示航向、定位/下滑信标偏移、远距地图；另装有小型多功能显示器，提供发动机和辅助仪表显示；备份仪表包括姿态、空速、转弯侧滑仪和应急磁罗盘（见图4）。

5)T-6B“德克萨斯人Ⅱ”教练机

T-6B教练机是在T-6A教练机基础上，换装先进版综合航电的型号（见图5），与T-6A的主要区别是：

（1）增加平视显示器；

（2）增加正前方控制板；

图4 T-6A教练机座舱

（3）增加综合备份显示器；

（4）换装3台6×8英寸液晶显示器；

（5）取消综合告警显示器；

（6）取消常规备份仪表。

图5 T-6B教练机座舱

1.4 国外民用轻型飞机的综合航空电子系统

Garmin1000电子系统（简称G1000系统）是美国Garmin公司生产的高度集成化通用航空电子系统，用于多种民用飞机。本文以Cessna 172飞机上装备的G1000电子系统为例，对国外民用轻型飞机综合航空电子系统进行介绍。

G1000系统集成了通信、导航、GPS等航空电子设备，配备大屏幕、高分辨率的显示器，功能包括提供姿态、大气数据、发动机和机体状态数据，以及来源于GPS位置信息的移动地图显示的环境参考、地形和障碍告警。通过内置接口，系统可提供完整的发动机告警指示。另外系统包括完整的甚高频通信、全向信标/仪表着陆系统（VOR/ILS）和应答机功能，通过主飞行显示器（PFD）、多功能显示器（MFD），数字声频面板上的旋钮和选择键对系统功能进行选择和控制。

1.5 国产初级教练机现状

国产初级教练机只有初教6飞机一种。该机已走过了50余年的历程，作为一种性能优良的初级教练机,为我国航空事业的发展做出了重要贡献。

该机装有基本的电子设备，座舱采用分离仪表（见图6）。目前先进的中级教练机和新一代高级教练机陆续进入空军航校，这些飞机机载电子设备有了较大的改变，向着“玻璃化座舱”和综合航空电子系统迈进，初教6飞机使用的传统仪表和简单电子设备逐渐不能满足训练需求。

图6 初教6飞机座舱

2 综合航空电子系统发展趋势

21世纪的任务使命对综合航电系统提出挑战性的要求，在解决经济上可承受性问题的同时，综合航电系统将向综合化、信息化、技术化、模块化及智能化的方向发展；综合航电系统的功能、性能以及可靠性、维修性、保障性、测试性和综合效能将出现突破性的飞跃；综合化水平将得到不断提高，航空电子综合技术将向深度和广度发展，得到不断的完善。

1)向深度和广度发展

综合化是航空电子发展的灵魂和核心。综合化能压缩航空电子系统的体积和重量，减轻飞行员的工作负担，提高系统可靠性，降低全寿命周期费用。综合已不限于单机之内，最大限度地利用机外信息资源将是今后一个显著特点。

2)开放式系统结构

开放式系统结构式开放系统接口标准定义的一个结构框架，它的优点是：便于构成分布式系统；便于不同厂家的生产的、不同型号的计算机或其他硬件之间的互联、互通和互操作；便于硬件、软件的移植；便于系统功能的增强和扩充。此外，开放式系统结构还支持系统可变规模，有利于缩短研制开发周期，较好地解决系统的功能扩展、修改，以及元器件的更新换代。

3)广泛采用COTS技术

为了实现经济上可承受性、性能、可改进和重新使用能力4大指标，在新一代综合航电系统中将会更加强调采用CTOS技术。CTOS技术具有以下特点：显著减少专用元器件、专用组件或模块、专用软件等数量；降低科研生产成本；采用通用的、开放的技术标准，兼容性号；技术先进，符合技术发展潮流；具有良好的技术支持、便于扩充和升级，产品更新换代快；可以直接在商品货架上采购，供货渠道有保障；采购费用低廉；研制、生产周期短；产品维修和后勤保障较为方便，维修保障费用低。

4)实现高度的模块化

模块化是综合航电系统发展的又一重要特征。模块化是实现结构简化和综合化的基础，也是实现系统重构的基础。

模块化航电系统的主要特征是结构分层。系统结构分层和综合化的关键，也是影响资源利用率的重要因素，在顶层设计时必须要折中和权衡系统结构层次。模块化是为了系统重构、扩张、修改和维护，可大幅度地提高可用性，保证飞机随时处于可以起飞状态。

5)传感器综合化

传统的单一传感器已经逐步被综合式传感器或传感器与显示器综合化所取代。航电系统传感器的种类、数量、复杂性及数据量不断增加，超出了驾驶员有效使用和管理传感器的能力。传感器综合化的目标是：改变目前各种传感器分立的状态，实现互为补充、互为备份、扬长避短、综合使用各传感器提供的信息；对多传感器实现综合的控制与管理，获得比单独的传感器性能更高的传感器系统。

6)容错与重构

新一代综合航电系统应具有较强的容错和系统重构能力，以便飞机在执行任务过程中发生故障时，能够根据故障情况切断失去功能的LRU或LRM，并自动连接备用的LRU或LRM，使系统恢复全部或部分功能。实现容错和重构的关键是建立有效的故障报告机制和完备的重构方案，应能对系统进行实时监测，确定哪些资源正在正常运行，哪些资源出现故障，并针对具体的故障有相应的重构方案。

7)通用化

通用化是综合航空电子系统的一个重要发展方向，有助于加快航空电子系统的更新换代周期，军民两用技术将会得到发展。实现通用化的核心是要制定一系列标准。标准化不仅仅是指硬件，而且还包括软件。

3 结语

在进行新一代初级教练机综合航电系统设计时，必须根据综合航空电子系统的发展趋势对初级教练机的综合航电系统进行需求分析，从技术可行性和经济性两个方面进行全面的分析论证；加强对综合航空电子系统关键技术和试验方法全面研究，真正掌握其客观规律，加强顶层谋划，系统思考；加强航空电子系统的总体设计工作，对系统进行定义、分析、设计、验证和评估并反复迭代，使航空电子系统的功能、性能、可靠性、维修性及全寿命周期满足要求。

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