柯劼++李中

摘要：自动飞行包线保护用于保障飞行安全、实现飞行员无忧操纵，可减轻飞行员工作和心理负担，使得飞行员在自动飞行中无需顾虑飞机是否会超出安全包线飞行，这对提高运营安全性至关重要。简述了目前民用飞机自动飞行包线保护方法，研究了波音和空客公司正在运营的最先进民用飞机自动飞行包线保护模式，并对比两家公司自动飞行包线保护设计的异同，归纳出民用飞机自动飞行包线保护设计所需考虑因素。

关键词：民用飞机；自动飞行控制系统；飞行包线保护

DOIDOI：10.11907/rjdk.151590

中图分类号：TP301

文献标识码：A 文章编号文章编号：16727800（2015）008003502

0 引言

飞行包线一般用速度、高度和载荷因子来确定其边界，同时还包括迎角、侧滑角、姿态角、加速度等[1]。

自动飞行包线保护是伴随飞行导引系统发展而出现的功能，在很多现役民用飞机上应用成熟。CCAR25.1329（h）规定：“当使用飞行导引系统时，必须提供措施以避免超出正常飞行包线速度范围可接受的裕度。如果飞机飞行速度偏移超出这个范围，必须提供措施防止飞行导引系统导引或控制导致不安全的速度[2]。”

为符合此适航条款，民用飞机自动飞行控制系统须具备自动飞行包线保护功能。

1 民用飞机自动飞行包线保护

民用飞机自动飞行包线保护包括：速度保护（欠速或迎角限制保护、过速保护）、姿态限制（俯仰角限制、滚转角限制）、姿态角速率限制（角速率限制、过载限制/载荷因子限制）[1]。

由于速度规划、紊流、阵风等因素，自动飞行控制系统工作时可能导致飞机超出自动飞行包线。当达到自动飞行包线保护阈值时，自动飞行包线保护功能对输出指令加以限制，通过自动驾驶和自动推力使飞机回到正常飞行包线内，并提供告警和模式转换的飞行模式通告（FMA），使飞行员注意当前自动飞行的状态。低速保护告警提供语音和视觉两种方式，高速保护告警只提供视觉告警[3]。

2 两种机型自动飞行包线保护研究

下面对B787及A380两种代表不同设计理念、目前正在运营的最先进民用飞机自动飞行包线保护进行研究，分析其设计思路。

2.1 B787飞机自动飞行包线保护

B787飞机在自动驾驶工作时有3种形式的飞行包线保护功能，分别为失速保护、过速保护和滚转包线坡度角保护。当主飞行控制系统工作在正常模式时，飞行包线保护功能有效，在次级模式和直接模式无飞行包线保护功能。飞行包线保护功能不会减小飞行员操纵权限，保证驾驶员在超控包线保护时与正常操纵具同等权限。如超出包线，飞行包线保护功能将触发发动机指示与机组告警系统（EICAS）警戒级消息“AUTOPILOT”和滚转/俯仰模式失效通告，以使飞行员察觉，自动驾驶将控制飞机回到包线内。

当空速降至最小机动速度时，失速保护禁止飞机向抬头方向配平。当接近失速速度时，杆力增至最大，飞行员必须持续施加拉杆力才能使飞机速度低于最小机动速度。如果速度减小至抖杆阈值，自动油门将接通速度模式（SPD），增大推力以维持最小机动速度或模式控制板（MCP）选择速度中的较大值，发动机指示与机组告警系统显示警戒级消息“AIRSPEED LOW”。

当空速增至VMO/MMO时，过速保护禁止飞机向低头方向配平。与失速保护类似，飞行员必须持续施加推杆力才能使飞机速度高于VMO/MMO，发动机指示与机组告警系统将显示警告级消息“OVERSPEED”。

当坡度角超出坡度角保护阈值35°，坡度角保护通过自动驾驶发送指令给主飞行计算机（PFC），通过作动器电子控制（ACE）系统控制驾驶盘，使飞机坡度角回到30°，但飞行员可超控此滚转指令。如自动驾驶无法接通，则坡度角保护不可用。当坡度角超过35°，主飞行显示（PFD）坡度角指示器变为琥珀色。

B787飞机的自动飞行包线保护覆盖了俯仰轴和滚转轴，速度范围从失速速度到VMO/MMO，并通过触觉（抖杆、杆力增大）、听觉（音响告警）和视觉（机组告警消息、坡度角指示器变色）提示飞行员。B787飞机的自动飞行包线保护对人工操纵进行了杆力限制，与主飞行控制系统进行了综合，增大了包线保护范围，扩展了自动飞行包线，优化了自动飞行控制系统性能。

2.2 A380飞机自动飞行包线保护

A380飞机正常律提供载荷因子保护、俯仰姿态保护、迎角保护、高速保护、坡度角保护、低能量告警、迎角平台（alpha floor）保护和反应型风切变告警等8种自动飞行包线保护，处于备用律时保护降级或丧失，直接律时保护全部丧失。当不在正常包线内时，自动驾驶将断开。飞行控制律在恶劣气象条件下减小飞机超限的风险，确保飞机在安全包线内，飞行员仍具有全权限以使飞机达到最佳性能。

载荷因子保护对飞机机动时的载荷进行了限制。缝翼收回时，载荷因子限制为+2.5g到-1g，缝翼伸出时，载荷因子限制为2g到0g。

俯仰姿态保护包括正俯仰姿态保护、负俯仰姿态保护和俯仰姿态告警。正俯仰姿态限制为30°，在低速时逐步减小为25°，当俯仰姿态大于25°时，正俯仰保护激活；负俯仰姿态限制为-15°，当俯仰姿态小于-13°时，负俯仰保护激活。正俯仰姿态保护或负俯仰姿态保护激活时，自动驾驶断开，飞行指引杆消失，但飞行指引仍保持接通。人工着陆低于无线电高度400英尺时，俯仰姿态大于12°即触发语音告警“PITCH PITCH”。

迎角保护防止飞机在机动或阵风中失速，当迎角大于αprot时激活，确保迎角在任何情况下都不会超出正常律能达到的最大迎角αmax。当迎角保护激活时，俯仰控制律控制迎角（迎角和侧杆偏度成比例）始终处于αprot（侧杆在中立位置）和αmax（拉杆到底）之间。

高速保护防止飞机超速。在VMO+4节或MMO+0.006时触发超速告警，发出连续重复钟鸣声并显示主警告灯，在VMO+10节或MMO+0.02时激活高速保护，在VMO+15节或MMO+0.04时断开自动驾驶。当高速保护激活时，坡度角限制为45°，俯仰配平冻结在当前位置，如果前推侧杆到底，速度稳定在VD-10节/MD-0.02（VD/MD是设计俯冲速度，是最大的结构速度），如松侧杆，速度降至VMO/MMO以下。

飞机最大可达坡度角为67°（高升力构型时为60°）。当坡度角超过45°时，坡度角保护启动，自动驾驶断开，飞行指引杆消失，但飞行指引仍保持接通。

低能量告警和迎角平台使飞机达到足够的能量，保护飞行航迹角。低能量告警是第一层保护，需要飞行员人工增加推力，迎角平台功能是第二层保护，将自动设置最大推力。当无法通过俯仰控制使飞机恢复正飞行航迹角、且推力增加不够时，每5秒重复一次语音告警“SPEED SPEED SPEED”。起飞时无线电高度大于200英尺或着陆时无线电高度大于100英尺，且低于无线电高度2500英尺，襟缝翼构型为2、3或FULL，速度在最低可选择速度VLS和迎角保护速度阈值Vαprot之间时，将触发低能量告警。

为避免使用小推力低速飞行，当迎角超过迎角平台阈值（在αprot和αmax之间）时，无论油门杆位置和自动推力在接通状态，迎角平台功能都将自动使用起飞复飞（TOGA）推力。如果自动推力之前未激活，将自动激活。当单发失效或双发失效时，如果失效的双发是对称的（如，1号发动机和4号，2号发动机和3号失效），则迎角平台仍可使用。

飞机在起飞、着陆时遭遇风梯度减小了距失速的裕度，将触发反应型风切变告警。反应型风切变告警包括主飞行显示器闪烁9秒并有稳定的红色信息“WINDSHEAR”和语音告警“WINDSHEAR WINDSHEAR WINDSHEAR”。反应型风切变探测工作范围为起飞离地3秒后爬升到离地1300英尺，或着陆阶段从离地1300英尺下降到50ft。

A380飞机的自动飞行包线保护分类较细，将速度保护、姿态限制、姿态角速率限制三大类细化为8种功能不同的包线保护，各种保护功能之间相辅相成或相互影响[4]，并将飞行员操纵权限限制在安全操纵范围内，使飞行员无法将飞机飞出包线，实现无忧操纵，全方位地保障飞行安全。A380飞机的自动飞行包线保护功能考虑了人工操纵时的飞行包线，防止飞行员操纵超限，充分利用了自动飞行控制系统对飞行员的辅助作用。

3 结语

从上述分析可知，B787飞机与A380飞机的自动飞行包线保护既有相似之处，又有不同点。相似之处在于：自动飞行包线保护均与主飞行控制系统综合，覆盖了俯仰轴和滚转轴，速度保护范围都从失速速度覆盖到VMO/MMO。不同之处在于，在低速时，B787飞机是根据失速速度进行保护，而A380飞机是根据VLS、αprot和迎角平台进行保护的。此外，A380飞机自动飞行包线保护设计还考虑了载荷因子、俯仰姿态以及风切变等因素，分类更细，飞行员更多地承担监控管理飞机状态的任务，而B787飞机飞行员承担的是控制飞机的任务。

B787飞机设计将飞行员操纵权限最大化，可通过人工超控自动飞行包线保护，使飞机超出正常飞行包线，属于“软保护”；而A380飞机飞行员无法超控自动飞行包线保护，突破正常飞行包线，属于“硬保护”。波音飞机的设计理念更侧重于飞行员的主观能动性，而空客飞机的设计则强调通过复杂的自动控制和限制，防止飞行员人为产生差错。因此，B787飞机和A380飞机的自动飞行包线保护设计也与这两家公司的设计理念一致。

民用飞机在设计自动飞行包线保护时，需综合考虑系统功能、需求，并秉承全机设计理念，形成产品特色，使后续机型具有继承性，具备市场竞争力。

参考文献：

[1] 李中. 电传飞行控制系统包线保护分析 [C].北京：2012中国制导、导航与控制学术会议程序及摘要， 2012（8）：28.

[2] 中国民用航空局.运输类飞机适航标准[S].中国民用航空规章第25部R4版. 2011：134135.

[3] Approval of flight guidance systems[S].AC 25.13291B. U.S：FAA，2006：3839.

[4] 郑晓辉，赵晶慧. 电传民机高速保护功能应用分析 [J].民用飞机设计与研究，2014（2）：8083.

（责任编辑：杜能钢）