民用飞机飞行控制系统

飞机飞行控制系统是现代和未来民用飞机的核心系统,民用飞机的飞行驾驶人员,深入了解和掌握飞行控制系统的基本知识和使用技能,是提高飞机驾驶技术和保证飞行安全的必要基础。现代飞行人员的培训学院与单位,在培训飞行学员时均开设与飞行控制系统有关的课程。本书是为民用航空飞行技术专业培训飞行学员学习有关民用飞机飞行控制系统专业知识准备的入门教材。

本书为北京航空航天大学飞行学院“飞行技术”专业系列规划教材。按照规划教材的要求,本教材依据将本科学历教育和飞行学员执照教育有机地结合起来的原则,考虑到教材的针对性、职业性和先进性,既注重飞行学员基本理论知识的培养,又将教材内容扩展到了飞行实践过程。

本书是在北京航空航天大学飞行学院应用多年的《民用飞机飞行控制系统》讲义的基础上, 依据上述原则,并参照民航局发布的《商用驾驶员执照理论考试知识点》要求,重新制定了教材编写大纲。针对民机飞行技术专业的需要,教材内容在保持学习飞行控制所需的基础知识的条件下,注重通用的实践和使用知识的论述,并通过典型系统加以说明。全书共分9章,其中前7章为教材的基本内容,章节亦按飞行控制系统所包含的分系统设置,每章首先讲述系统的基本内容,并在此基础上,均以现役飞机典型系统为例,讲述系统的实际构成和具体飞行实践的应用,在每章*后均提供一定数量的思考题和自测题。后2章为自学补充参考资料,第8章较系统地介绍了A320及B777飞机飞行控制系统的有关资料,第9章在介绍A380及B787飞机飞行控制系统新技术应用的基础上,重点概要地展望了未来民用客机飞行控制系统技术的发展。附录中给出了本教材及民用飞机飞行控制系统资料中常用的英文缩写的中英文对照索引及前7章自测题的答案。

本教材为民用航空飞行技术专业理论培训用教材,可供相关培训单位教学使用,亦可供爱好飞机飞行控制技术的人员学习参考。

本教材由北京航空航天大学飞行控制专业的高金源教授和南方航空公司特级飞行员冯华南先生共同编写。其中冯华南先生在百忙之中具体编写了第4章、第6章及第8章,其余各章由高金源教授编写并负责全书统稿。

本教材的编写得了北京航空航天大学飞行学院领导的大力支持,并得到丁瑶老师及王丹老师的具体帮助。此外,在教材编写过程中,还得到了本系列教材主编王小宛教授的具体指导和帮助,在其患病期间还不断地关心和询问教材的编写情况并整理和提供了很多参考资料。在编写过程中,南方航空公司飞行部资料室提供了有关资料,助力教材的编写, 在此一并对他们的帮助与支持表示衷心的感谢。

教材中所引用的典型系统(B737 NG系列)的有关资料系参考和引自于参考文献[3]及[10]~[13]。此外,在编写过程中还学习和汲取了部分国内有关教材和资料的相关内容,受益匪浅,对此向其原作者表示深深的谢意。

南方航空公司殷超、朱英迪、孙劲轩、谢飞、何攀等多位专家对本书进行了审阅,他们认真的审阅有助于教材的完善,对此表示真诚的谢意。本书的出版得到了北京航空航天大学出版社的大力支持与帮助, 在此对他们的帮助与支持表示衷心的感谢。

由于主要编写者的知识和经验有限,缺乏实践体验,书中不妥之处在所难免,期望得到读者的批评指正。

作 者

2017年12月

本书针对民用飞机飞行技术专业的需要,在保持学习飞行控制所需的基础知识的条件下,注重通用的实践和实用知识的论述,并通过典型系统加以说明。全书共分9章,前7章为教材的基本内容,章节亦按飞行控制系统所包含的分系统设置,每章首先讲述系统的基本内容,并在此基础上,以现役飞机典型系统为例,讲述系统的实际构成和具体飞行实践的应用。后2章为自学补充参考资料,分别介绍了A320和B777飞机的飞控系统并概要地展望了未来民用飞机飞行控制系统技术的发展。附录中给出了本教材中常用的英文缩写的中英文对照索引及前7章自测题的答案。

高金源：北航自动化学院,教授,博士生导师。从事飞行控制教学与研究工作。曾主编出版了《飞机飞行品质》《飞机电传操纵系统及主动控制》《计算机控制系统》，参编了《现代飞行控制》。 

冯华南：南方航空公司安全总监，特级飞行员，北航工程硕士毕业。

第1章 绪 论 1

1.1 概 述 1

1.1.1 飞机飞行控制系统发展概述 1

1.1.2 飞机飞行控制系统功能 2

1.2 现代飞机飞行控制系统分类简介 3

1.2.1 人工飞行控制(操纵)系统 3

1.2.2 自动飞行控制系统及其所含分系统 7

1.3 控制系统的基本控制原理和组成 10

1.3.1 飞机人工驾驶的基本过程 10

1.3.2 自动控制系统的组成及控制原理 11

1.3.3 自动飞行控制系统的物理构成部件简介 12

1.4 现代飞机飞行控制系统的总体结构 19

1.5 B737 NG系列飞机自动飞行控制系统结构组成简介 21

1.5.1 概 述 21

1.5.2 飞行控制计算机FCC 23

1.5.3 舵面位置传感器 24

1.5.4 驾驶盘操纵CWS力传感器 25

1.5.5 自动驾驶仪舵机 25

1.5.6 方式控制板 MCP 26

1.5.7 其他部件 26

1.6 思考题 28

1.7 自测题 28

第2章 阻尼、增稳和电传操纵系统 31

2.1 概 述 31

2.2 偏航阻尼器系统 32

2.2.1 荷兰滚振荡的原理 32

2.2.2 偏航阻尼器系统的作用 33

2.2.3 偏航阻尼的基本控制原理与方法 34

2.2.4 偏航阻尼器的构成 35

2.2.5 偏航阻尼器系统实例与应用 37

2.2.6 飞机自动协调转弯 42

2.3 增稳与控制增稳 44

2.3.1 飞机稳定性概述 44

2.3.2 增稳控制系统的构成 45

2.3.3 控制增稳系统的基本结构 49

2.4 电传操纵系统介绍 50

2.4.1 电传操纵系统的发展 50

2.4.2 发展电传操纵系统的关键技术 51

2.4.3 民用飞机采用电传操纵系统的效益 53

2.5 思考题 55

2.6 自测题 55

第3章 自动驾驶仪系统 57

3.1 概 述 57

3.1.1 自动驾驶仪的功能 57

3.1.2 自动驾驶仪系统的基本结构 58

3.1.3 自动驾驶仪的分类 63

3.2 自动驾驶仪的典型工作方式 63

3.2.1 自动驾驶与飞行指引方式控制 64

3.2.2 自动驾驶仪指令方式与驾驶盘操纵方式工作状态 64

3.2.3 多种自动控制工作方式 65

3.2.4 MCP板的控制与显示 65

3.3 俯仰通道典型工作方式的控制方法与应用 67

3.3.1 俯仰角控制的基本方法 67

3.3.2 垂直速度的控制方法与应用 71

3.3.3 高度保持的控制方法与应用 73

3.3.4 高度捕获的控制方法与应用 74

3.3.5 高度层改变的控制方法与应用 75

3.3.6 垂直导航的控制方法与应用 77

3.3.7 俯仰不同控制方式 A/P升降舵指令 79

3.4 横侧向通道典型工作方式的控制原理与应用 80

3.4.1 飞机航向角的控制与稳定 80

3.4.2 航向选择的控制方式与应用 83

3.4.3 甚高频全向导航的控制方式与应用 84

3.4.4 水平导航的控制方式与应用 87

3.4.5 横侧向通道各控制方式的副翼指令 89

3.5 进近、着陆与复飞控制方式 90

3.5.1 概 述 90

3.5.2 俯仰进近与自动拉平控制系统 93

3.5.3 侧向波束导引系统 96

3.5.4 B737 NG A/P的进近、着陆与复飞控制 96

3.5.5 进近、着陆与复飞控制的作动器指令 101

3.6 驾驶盘操纵CWS方式 102

3.6.1 概 述 102

3.6.2 CWS横滚方式 102

3.6.3 CWS俯仰方式 103

3.7 自动驾驶仪警告和通告功能 104

3.8 自动驾驶仪的使用 105

3.8.1 自动驾驶仪的接通与脱开 105

3.8.2 自动驾驶仪系统的检测 106

3.8.3 使用自动驾驶仪的限制 107

3.9 思考题 108

3.10 自测题 109

第4章 飞行指引系统 113

4.1 飞行指引系统概述 113

4.2 飞行指引系统的组成与工作原理 114

4.2.1 飞行指引系统的组成 114

4.2.2 飞行指引系统的工作原理 115

4.2.3 飞行指引指令的计算 116

4.2.4 F/D指令消失 117

4.2.5 故障探测 117

4.3 飞行指引仪的指引 118

4.4 飞行指引仪的工作模式 120

4.5 飞行指引仪的使用 121

4.5.1 方式控制板的使用 121

4.5.2 方式信号牌的使用 121

4.5.3 不同指引方式的使用 121

民用飞机飞行控制系统

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4.6 飞行指引仪的技术新应用 129

4.7 思考题 132

4.8 自测题 132

第5章 推力管理系统 134

5.1 概 述 134

5.2 推力管理系统的架构 135

5.2.1 推力管理的原理架构 135

5.2.2 推力管理系统实现架构 136

5.3 推力控制的主要工作方式 139

5.3.1 N1工作方式 139

5.3.2 速度/马赫数工作方式139

5.3.3 其他工作方式 140

5.4 自动油门系统 140

5.5 在全飞行过程中推力工作方式的应用 148

5.5.1 自动油门在起飞阶段的应用 149

5.5.2 自动油门在爬升阶段的应用 150

5.5.3 自动油门在巡航阶段的应用 150

5.5.4 自动油门在下降阶段的应用 151

5.5.5 自动油门在进近阶段的应用 152

5.5.6 自动油门在复飞阶段的应用 152

5.6 思考题 153

5.7 自测题 154

第6章 配平系统 156

6.1 概 述 156

6.2 俯仰配平系统 156

6.2.1 俯仰配平系统的功能 156

6.2.2 升降舵调整片与水平安定面的配平作用 157

6.2.3 俯仰配平的方法 158

6.3 俯仰自动配平方法 158

6.3.1 采用调整片的俯仰自动配平 159

6.3.2 采用水平安定面的俯仰自动配平 160

6.3.3 B737 NG飞机的A/P俯仰自动配平系统 161

6.4 速度配平系统 164

6.4.1 速度配平系统功能 164

6.4.2 B737 NG飞机速度配平系统 165

6.5 飞机马赫配平系统 165

6.5.1 马赫配平系统功能 165

6.5.2 B737 NG飞机马赫配平系统 166

6.6 俯仰配平系统警告 167

6.6.1 A/P水平安定面配平系统警告 168

6.6.2 速度配平系统警告 168

6.6.3 马赫配平系统警告 168

6.7 方向舵及副翼配平 169

6.7.1 方向舵配平 169

6.7.2 副翼配平 170

6.8 思考题 170

6.9 自测题 171

第7章 飞行管理系统 173

7.1 概 述 173

7.1.1 飞行管理系统的简要发展历程 173

7.1.2 现代飞行管理系统的定义 174

7.2 飞行管理系统的基本组成 175

7.2.1 概 述 175

7.2.2 飞行管理计算机 176

7.2.3 传感器测量装置 176

7.2.4 飞行管理系统的执行部件 177

7.2.5 控制显示装置 177

7.3 飞行管理系统的基本功能 178

7.3.1 综合导航功能 178

7.3.2 性能计算功能 179

7.3.3 制导功能 180

7.3.4 监控与显示管理功能 182

7.4 飞行管理系统在飞行过程中的应用 183

7.5 B737 NG飞机飞行管理系统简介 184

7.5.1 B737 NG飞机飞行管理系统结构组成 184

7.5.2 B737 NG飞行管理系统功能 189

7.6 思考题 194

7.7 自测题 195

第8章 现代民机飞行控制系统实例简介 197

8.1 空客 A320飞行控制系统主要组成和工作方式简介 197

8.1.1 概 述 197

8.1.2 A320飞机电传操纵系统 198

8.1.3 A320飞机自动飞行控制 206

8.2 波音B777飞行控制系统主要组成和工作方式简介 223

8.2.1 概 述 223

8.2.2 B777飞机主飞行操纵系统 223

8.2.3 B777飞行自动驾驶仪/飞行指引仪工作方式 234

8.2.4 B777飞机自动油门系统 237

8.2.5 B777飞机飞行管理功能概述 238

第9章 民用飞机飞行控制发展展望 243

9.1 引 言 243

9.2 空客 A380及波音B787自动飞行控制系统简介 244

9.2.1 A380自动飞行控制系统简介 244

9.2.2 B787自动飞行控制系统简介 250

9.3 民用客机飞行控制系统发展趋势 253

9.3.1 发展高度综合化自动飞行控制系统架构 253

9.3.2 不断采用新技术与新型设备实现飞行控制系统更新 254

9.3.3 实现飞行控制系统的主动容错技术 255

9.3.4 发展和实现新型控制理论与系统的应用 256

9.3.5 发展和实现控制、决策与管理一体化的系统功能 257

附 录 258

参考文献 270