之前我们在航空和航天(一)当中了解了航空器和航天器飞行原理的差异,飞机、热气球这种航空器靠环境空气来获取动力,而火箭这种航天器则需要自带燃料。那么,开飞机和“开火箭”哪个更容易呢?
飞行控制系统
小米公司的董事长雷军说过:站在风口上,猪都会飞。
这句话用在火箭上也很贴切。火箭发动机就是要制造出足够大的风口,不分青红皂白地拔地而起。火箭发射时,不管是坐在火箭上的宇航员还是发射大厅里的科学家,他们其实都没有在“开火箭”。宇航员并不是火箭的驾驶员,而是被火箭运送的“货物”。科学家也没有在遥控火箭飞行,他们更多的是在观测火箭的状态。
阿里巴巴的董事长马云说过:风过去了,摔死的都是猪。
为了避免这种情况,火箭要用足够的力量到达足够的高度,等风口过去后,牛顿定律会保证它不掉下来。
而航空发动机没有这样的力量,飞机想要自由翱翔,靠的是飞行控制系统。我们可以用人体来类比:飞控系统的前端有很多传感器,就像人的眼睛;中间是系统的核心:飞控计算机,就像人的大脑;后端是各个作动器,就像人的四肢。
比如守门员接球的过程,眼睛把足球的运动图像传输给大脑,大脑根据速度、方位、高度等各种信息做出决策,决策再转化为手和脚的动作。通过不断执行这一套“闭环控制”的流程,最终接住足球。
飞控系统就是安装在飞机上的一套“闭环控制系统”。前面已经提到过,火箭靠的是“大力出奇迹”,对控制的要求并不算高。早在上世纪70年代,依靠性能还不及现在一个计算器的控制系统,人类就已经能够完成登月任务。
而飞机对飞控系统的要求则更加严苛,并且飞控系统的发展和计算机技术的进步密不可分。所以几十年后,像F35和歼20这样的高性能战斗机才研制成功。
小朋友们可能会有疑问:飞机明明被发明很久了,在火箭之前就已经有飞机了,你怎么说控制飞机比登月还要难呢?
这是因为飞机和飞机之间并不一样……
静稳定和静不稳定系统
请小朋友们想象一下:“在一只碗里放稳一个乒乓球”和“在一个篮球上放稳一个乒乓球”哪个更容易?
  • “碗中放球”是一个静稳定系统,球呆在碗底是它的稳定状态。假如系统受到一个小扰动,比如碗被晃动了一下,当外界的扰动消失后,乒乓球又会自动回位。
民航客机这类飞机也是一个静稳定(也叫静安定)的系统。我们拿前面讲过的攻角和升力的关系来举例:假如飞行时遭遇了一阵乱流,使得飞机抬头,抬头会令攻角增大,攻角增大又会导致升力增加。静安定飞机升力的综合作用点在飞机的后部,这样变大的升力就会产生使飞机低头的力矩。于是飞机自己就会回到受扰之前的状态。这种模式叫做“负反馈”。
纸飞机出手后可以平稳滑翔,也是因为你创造了一个静稳定系统。这类被控对象自带负反馈特性,想要保持稳定,并不需要进行专门的控制,至少对控制系统的要求不高。
  • 在“篮球上放一个乒乓球”的情况就不同了,兵乓球只要稍微偏离平衡位置一点点,就会加速下滑。这是一个静不稳定的系统,必须要不停地移动篮球才能保持系统“脆弱的稳定”。
先进的战斗机会故意采用静不稳定(也叫静不安定)的气动布局,从而获得优良的机动性能。但另一方面,这类飞机升力的综合作用点在机身前部。按照前面的分析:抬头,攻角增大,升力增大,加速抬头……这是一个正反馈的过程,如果不加控制,飞机状态很快就会“发散”掉。
所以,对于静不稳定的飞机,飞控系统的反应必须足够迅速,这在很大程度上依赖于计算机运算速度的提升。否则不仅达不到先进的性能,还可能造成严重的事故。
小朋友们再想象一个场景:如果你家的水龙头离热水器很远,一开始流出的是冷水,于是你把龙头往热的方向调,由于水管太长(系统的延迟过大)你暂时还感觉不到温度升高,于是你又往热了调……终于温度合适了,不过很快又变得过烫,于是你又往冷了调,还是很烫,再往冷了调……突然又变得很凉,然后又往热了调……这样一个反应迟钝的系统是很难实现精确控制的。
下面这段视频就是一个类似的场景,由于飞行员的操作指令和飞机响应之间的延迟,造成了“飞行员诱发振荡”事故:

百万无一失
前面我们大致介绍了飞控系统是如何工作的。在此基础上,另一个非常重要的问题是:飞控系统如何保证可靠性?毕竟不靠谱的飞机谁也不敢坐呀!
有这么一张表分别从出行次数、出行时间和出行距离三个方面对各种交通工具的安全性进行了统计。
可以看到平均而言,飞机每飞行10亿公里(相当于绕赤道飞行两万五千圈)才会造成0.05个死亡案例,按距离而言是最安全的交通工具,比铁路还高一个量级。民航客机适航认证的安全性要求是:10-7/飞行小时,表示发生灾难性事故的概率为每千万飞行小时一次。
那么如何才能达到这样严格的标准呢?
有一个成语叫“功亏一篑”,形容由于一个环节出错导致整件事情失败。前面介绍了飞控系统可以简单看成“前端传感器+中端计算机+后端作动器”三个主要环节。假设每个环节的可靠性是90%,那么整条控制链能正常工作的概率=每个环节都正常工作的概率=0.9×0.9×0.9≈70%。
这么看来,要想提升系统的可靠性,就只能去提升每个环节的可靠性……吗?
还有一个成语叫“狡兔三窟”,必须要把三窟全部堵住才能攻破狡兔的安全系统。这叫做冗余系统设计,是飞控系统提升可靠性的“核心科技”。
我们也仿照狡兔来设计一个“三余度飞控系统”。假如每个余度的可靠性是70%,只有三个余度全部故障才会导致系统崩溃。所以反过来说,系统的可靠性=1-0.3×0.3×0.3≈97%。
还有一个成语叫“三个臭裨将顶过一个诸葛亮”,冗余系统设计就是通过牺牲“基本可靠性”(一个臭裨将出差错的可能性很大),换取“任务可靠性”(虽然有部分裨将会出错,但组装成诸葛亮后,打仗的胜率还是会提升)。刚才我们就用9个90分的零件,组装出了一台97分的机器。
但是臭裨匠多了之后,如何组织他们又成了一个难题。比如万一混入了傻子或者坏人怎么办?这就是“拜占庭将军”问题,李老师过去也做过专题分析,感兴趣的同学可以自行补课,这里就不再展开了。
最后再介绍两个提升飞控系统可靠性的工程方法:热备份和非相似余度。
假如你要去拉货,带了三根绳子,一根绷断了可以换一根继续拉。这就是一个三余度的“冷备份系统”。
但前面讲过,飞控系统对延迟的要求非常严格。这就好像把人吊在空中,等一根绳子断了再去换另一根显然来不及。合理的做法是:同时绑上三根绳子,其中任意一根都能单独承受住一个人的体重。这样发生一次故障和两次故障都不会影响系统的安全性。这就是一个三余度的“热备份系统”。
但是还有一个隐患,如果这三根绳子是同一个工厂生产的,可能会存在某种共性弱点,比如在某个温度下会变脆弱。这样到时候三根绳子会同时绷断,冗余设计就变得没有意义。这叫做“相似余度系统”。
所以,更保险的做法是选三根抗拉性能相同但材质不同的绳子。民航客机的飞控系统采用的就是这种“非相似余度设计”,同一个功能会分别通过不同的软硬件来实现,从而进一步提高系统的可靠性。
保障每架飞机都能自由安全地翱翔蓝天是一项重要的工作,这项工作主要是由飞行控制系统来完成。本文介绍了现代飞控系统中的一些基本的概念和原理,这些工程技术的背后都离不开科学知识的支撑。期待感兴趣的小朋友好好学习,未来加入到祖国的航空事业中来。
作者简介:FCperson,航空工程师、两个孩子的爸爸,业余时间关注用理工思维生活育儿,有一个随缘更新的公众号“周工讲理”
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