民用飞机自动着陆系统研究

王申江+李中

【摘 要】近年来自动飞行控制技术在航空特别是民用航空领域中应用日益广泛，其中自动着陆更是民机取得市场成功的重要卖点。自动着陆系统可以在气象条件较差的情况下保证飞机安全着陆，从而极大地减轻了飞行员的工作和心里负担，同时也保证了飞机运营的准点率。本文简述了自动着陆系统对机载系统和设备的要求，并对空客公司正在运营的先进民用飞机自动着陆系统进行了分析研究。

【关键词】民用飞机；自动飞行控制系统；自动着陆

0 引言

飞行事故统计数据显示，飞机的进近着陆过程是飞行事故易发阶段，占比高达45%，且多发在下雨、大雾等能见度较差的时候[1]。所以，依靠精密的电子设备辅助驾驶员完成精确甚至是自动着陆，意义重大。

国际通用的精密进近着陆一般按照能见度条件分类，即综合考虑决断高度（DH）和跑道视距（RVR）两个因素，将精密进近着陆等级划分为I、II和III类。其中自动着陆等级又分为三类，分别为CAT IIIa，CAT IIIb，CAT IIIc。其指标如下[2]

（1）CATIIIa：RVR大于等于700ft，DH小于等于100ft；

（2）CATIIIb：RVR大于150ft小于700ft，DH小于等于50ft；

（3）CATIIIc：RVR等于零，DH等于零。

CAT IIIa着陆允许飞机利用自动拉平系统完成自动着陆，飞行员在飞机接地后才接管对飞机的控制；CAT IIIb着陆允许飞机利用自动拉平和拉平后的继续控制完成自动着陆，接地后，飞行员只需在跑道途中进行控制；CAT IIIc着陆允许完成自动着陆全过程，飞行员无需手动控制。

CAT IIIa/b/c类自动着陆对机载系统和设备的安全等级、余度、性能等提出了不同的要求。本文首先对机载系统和设备的要求进行了总结归纳，并选取典型的空客飞机进行研究，着重分析了自动飞行控制系统架构和和系统要求，对自动着陆的实现进行了比较分析。

1 CAT IIIa/b自动着陆机载系统和设备要求

目前波音和空客在运营的机型基本都具备CAT IIIa或CAT IIIb自动着陆能力，实施CAT IIIa/b着陆所必需的机载系统主要包括：

（1）合格的飞行导引及控制系统，用于接地前航迹的自动控制；

（2）自动油门系统或自动推力控制系统，用于着陆过程中的速度控制与保持；

（3）自动刹车系统，其拥有从接地点平缓地连续减速至完全停止的能力，保证滑跑距离满足要求；

（4）至少两套独立的无线电高度表，来提供离地高度信息；

（5）至少两套独立的大气数据传感器，来提供空速等信息；

（6）至少两套独立的惯导传感器，来提供姿态等信息；

（7）至少两套独立的导航接收机/传感器，来提供纵向位置等信息。

2 两种机型自动着陆系统研究

空客A320飞机横侧向不是电传控制，其自动飞行控制系统与A330、A340基本相同，A330、A340飞机自动飞行与电传飞行控制系统结构基本相同，因此空客飞机选取A340、A380飞机进行比较。A340和A380都支持CAT IIIb自动着陆[3]，下面对这两个机型进行研究，分析其设计思路。

2.1 A340自动飞行控制系统

2.1.1 飞行管理和导引系统

A340的自动飞行控制系统称为飞行管理和导引系统（FMGS），主要包括两个飞行管理和导引计算机（FMGC）、三个多功能控制显示组件及其他组件。每个FMGC功能可分为四部分：飞行管理部分、飛行导引部分、飞行包线部分、故障检测与隔离部分。飞行导引功能部分实现的导引功能包括：飞行指引、自动驾驶、自动推力控制。

2.1.2 飞行指引

飞行指引在主飞行显示器上显示导引信息：

（1）飞行指引的俯仰与滚转十字表示俯仰与滚转指令；

（2）起飞与着陆过程中，飞机高度低于30英尺且航向信标可用时，竖线替换为给定侧向命令的偏航条；

（3）飞行航迹指引符号表示飞行航径矢量。

FMGC启动时飞行指引自动接通。启动复飞时，飞行指引自动重建为速度稳定模态和复飞跟踪模态。飞行指引可由机组分别断开，或因故障自动断开。

2.1.3 自动驾驶

自动驾驶的功能是绕重心稳定飞机、获取并跟踪飞行航线、自动着陆及复飞。自动驾驶的指令是俯仰、滚转和偏航飞控操纵面的偏转位置，前轮转弯的位置。

在飞机升空至少5秒以后，机组可以按飞行控制面板（FCU）相应的开关接通AP1或AP2。

自动驾驶功能在两个飞行管理和导引计算机上进行计算。每个飞行管理和导引计算机都由指令通道和监控通道组成，具有自监控能力，飞行管理和导引计算机本身是故障-安全的。由两个飞行管理和导引计算机组成的系统是故障-工作的。

2.1.4 自动推力控制

自动驾驶/飞行指引（AP/FD）可以控制飞机的目标速度/马赫数或垂直轨迹。自动推力（A/THR）可以控制固定推力或目标速度/马赫数。两者不能同时控制速度。

（1）如果AP/FD俯仰模态控制垂直轨迹，A/THR模态控制目标速度/马赫数；

（2）如果AP/FD俯仰模态控制目标速度/马赫数，A/THR模态控制推力；

（3）如果没有接通AP/FD俯仰模态，A/THR模态恢复控制目标速度/马赫数。

2.1.5 自动进近、着陆与滑跑

A340飞机满足全天候运行适航规范（CS AWO）第一次修订版的CAT III自动着陆标准。

（1）CAT III故障-安全：

最小决断高度50英尺。至少一个自动驾驶接通为进近（APPR）模态，并且飞行模态指示仪显示CAT 3 SINGLE或CAT 3 DUAL。

（2）CAT III故障-工作：

自动推力系统必须工作。警戒高度为200英尺，最小跑道视程为225英尺。

有决断高度的CAT III着陆：

两个自动驾驶必须接通为APPR模态，飞行模态指示仪必须显示CAT 3 DUAL。

没有决断高度的CAT III着陆：

两个自动驾驶必须接通为APPR模态，飞行模态指示仪必须显示CAT 3 DUAL。

（3）发动机故障情况：

发动机故障的CAT III自动着陆在特定飞机构型条件下被批准。CAT III故障-安全的自动着陆系统被批准用于内侧单发动机失效，CAT III故障-工作的自动着陆系统被批准用于外侧单发动机失效。自动滑跑性能在干/湿跑道均得到了核准，在冰雪覆盖情况下没有进行演示验证。

2.2 A380自动飞行控制系统

A380飞机的自动驾驶、飞行指引、自动油门控制，运行于三个主飞行控制计算机中。每个主飞行控制计算机中可以进行一侧或两侧自动驾驶、一侧或两侧飞行指引及自动油门系统的计算。三个主飞行控制计算机中的一个作为Master，其性能下降时将具有最佳性能的主飞行控制计算机切换为Master，切换时已经接通的自动驾驶、飞行指引、自动油门控制功能不断开。在每个主飞行控制计算机中都可以进行两个自动驾驶（AP1、AP2）、两个飞行指引（FD1、FD2）的计算。AP1/AP2、FD1/FD2分别取用左右两侧飞行管理系统（FMS）的信息。

与A340相同，A380的飞行指引的操纵指示在主飞行显示器上显示。A380飞机的平视显示器是选装设备，可以显示飞行指引信息，降低起飞、着陆的跑道视程要求。不加装平显的A380的自动着陆系统是带自监控的三余度自动飞行控制系统，是故障-工作系统，可靠性大于A340的自动着陆系统。

3 结语

A340和A380都将自动驾驶和飞行指引的计算功能放在主控制计算机中实现。降低了系统的复杂度，减少了信息交联。将高安全性要求的自动驾驶功能从飞行管理计算机转移到更高余度和可靠性的主飞行控制计算计中，提高了飞机整体可靠性与安全性。

民用飞机在设计自动着陆时，需综合考虑相关系统的安全等级、余度和性能，秉承全机设计理念，逐步取得适航验证，提高飞机市场竞争力。

【参考文献】

[1]李冬青.民用客机自动着陆控制系统的研究，2006.3.

[2]AC120-28D.Criteria For Approval Of Category III Weather Minima For Takeoff，Landing，And Rollout，1999.6.

[3]空中客车工业公司II类/III类，中国民航总局航空器适航中心译，1998.12.

[責任编辑：朱丽娜]