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光傳操縱系統

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光傳操縱系統,是指在飛行器的航空電子系統和飛行控制系統中採用光纖作為信號傳輸的媒介。

  光傳操縱系統是指在飛行器的航空電子系統和飛行控制系統中採用光纖作為信號傳輸的媒介。

  光傳操縱系統

1 光傳操縱系統 -什麼是光傳操縱系統

  光傳操縱系統是以光代替電作為傳輸載體,以光導纖維作為物理傳輸媒質,在計算機之間或計算機與遠距離終端(如舵機等)之間傳遞指令和反饋信息的飛行控制系統。光傳操縱系統是在電傳操縱系統上發展起來的,也是後者的發展趨勢。電傳操縱系統的致命弱點是易受雷電和電磁干擾及核輻射的影響。現代飛機性能不斷提高,電子設備日趨複雜,這必然導致電纜用量的增加以及線路布局的複雜化,從而加大了線路之間的干擾,使電傳操縱系統不能正常工作。解決這一問題的根本辦法就是採用光傳操縱系統。 採用光纖作為傳輸介質,以光信號的形式傳輸,使得光傳操縱系統具有很多優點。首先,它具有抗電磁干擾、抗電磁脈衝輻射和防雷電等特點,且光纖本身不輻射能量,這就提高了可靠性和安全性。其次,光纜可減輕控制系統的重量、縮小體積,從而大大改進飛機的穩定性和可操縱性。再次,光纖的故障隔離性好,當一個通道發生故障時不會影響其他通道。光傳操縱系統的研究始於上個世紀70年代。1975年,美國空軍試驗中心在A-7D飛機上利用光纖作為傳輸線。1979年,洛克希德公司在一架噴氣滑翔機上試驗了光傳操縱系統,取得成功。目前光傳操縱系統的研究重點是開發各類光感測器、光處理器等。

2 光傳操縱系統 -光傳操作系統的好處

1) 在強電磁干擾下飛行

  電磁干擾通常可分為外部干擾(來自飛機外部的不期望的各種導航、通訊設施和所有人為或天然的電磁干擾源)和內部干擾(由機身內部的通訊、導航、感測器變送系統和能源系統等引起的輻射或傳導雜訊)。由於現代數字電子技術、多電(more electric)飛機作動系統和現代空戰中電子干擾戰術的應用,以及全球範圍內高強輻射源的劇增,使得飛機安全飛行環境的電磁干擾和核輻射的問題更為突出。同時越來越多地採用複合材料將導致系統中的電子元器件失去傳統飛機金屬蒙皮的屏蔽保護,即使是具有良好屏蔽的複合材料蒙皮,其對外部環境的干擾亦僅可提供不超過70dB的衰減。目前解決這一問題的根本途徑就是採用纖維光學系統,由於依賴於光進行工作,因此具有固有的抗電磁干擾能力,可使對飛機的電磁干擾衰減若干個數量級。此外,由於光纖內傳播的光能幾乎不向外輻射,因此不會造成同一光纜中各光纖之間的串擾及故障擴散。

2) 減輕機載設備重量

  飛機的重量與飛機的機動性和整體性能緊密相關,進一步減輕機載設備的重量是十分有益的。以光纖一對一地替換FBW系統中的電導線,所需光纖的總重僅為原電導線總重的1/20,在運輸機(如MD-12)上,僅此一項即可減重500kg左右,如果再將除操縱系統之外的其它系統的信號傳輸線(電纜)以光纜代替,並考慮到由於光纖的使用大大減少了FBW系統所必需的屏蔽設施,飛機的整體重量還可大大減輕。即使在戰鬥機上,藉助光纖的多路傳輸(如頻分復用、波分復用或光載波復用/解復用)技術,在1根光纖中可傳輸多路不同的信號,因此可以大大減少所需光纖的總量,例如F/A-18的每一個作動筒平均有15路分立的信號線,改用FBL技術后只需1根光纖即可實現15路電導線所完成的信號傳輸功能。

3) 數據傳輸速率高和傳輸容量大

  對於大多數飛控系統來說,1Mbps的導線式應答匯流排傳輸速率是足夠的,但先進的UMS和VMS系統對於傳輸速率的要求高達5~20Mbps,只有滿足美國標SAE AS-1773A的光纖數據匯流排才可勝任。由於光傳輸的高速率,可以採用分時的方法在一根光纖中傳遞多路信號,同時也為應用頻分和波分等復用技術提高數據傳輸容量提供了很大的潛力。如字長為20位時,一路光纖傳輸10000路信號的頻寬可達100Hz.。

4) 改善系統的動態特性

  隨著飛機電子系統的日益集成化和複雜化,電傳操縱系統已不能滿足進一步改善系統性能的要求,而光傳系統高速率、大容量的特點為提高系統頻寬提供了相當的潛力,同時,FBL系統的減重亦可改善軍用機的機動性。此外,光纖與神經網路技術的結合為有效地實施最優控制設計提供了可能。

5) 提高飛機的總體性能及燃油經濟性

  無論是商用飛機還是軍用飛機,其總體性能的改善與飛機整體的減重總是緊密相關的,FBL系統重量輕這一特點將可直接增加飛機的有效荷載和續航能力,或減少燃油消耗。

6) 降低驗證費用,改善成本-效益指標

  驗證航空電子設備和飛行控制系統的複雜程度及所需費用急劇增加,用於MD-11(裝備有傳統的FBW操縱系統)上的EME整機驗證費用約達1200萬美元。由於光纖固有的抗電磁干擾特性,對於光纖介面和光纜傳輸系統則僅需要進行部件級的EME驗證實驗,而無需再進行昂貴的整機EME驗證。此外,由於光纖匯流排頻寬高,因此可以在飛行控制系統驗證中提供更迅速的方法辨識飛機的飛行動力學和穩定性參數,大大減少飛機控制律的研製開發周期,進而減少驗證費用。研究表明,FBL與FBW的結合使飛機的可靠性、可維護性和易損性均得到10%~14%不同程度的改善,而FBL與神經網路技術的結合可實現控制系統故障的實時辨識,有效地減少維護費用。 下表所示為A-7飛機的飛控系統採用光纖替代銅導線后的性能對比, 從中可以從一個方面看出採用光纖后的優點。

A-7飛機採用光纖和導線的比較

  

A-7飛機採用光纖和導線的比較 銅導線光纖比較所用根數
30213減少289根 
電(光) 纜連接器總重(kg)14.45 1.2減至原來 1/12 
總長度(m)576.07 68.27 減少88%
終端試驗費用($ )1280240 
電(光) 纜連接器費用($ )350790
總費用($ )16301030減少 600$
科普貼,受教了。。。

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