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航空電子

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Cessna501民用機的機頭航電艙
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F-105B戰機的航電分解
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A380的全數位座艙航電
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日本F-2戰機的航電儀表
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航空電子(英語:Avionics),簡稱航電,是指飛機上所有電子系統的總和。一個最基本的航空電子系統由通信導航英語Air navigation顯示管理等多個系統構成。航空電子設備種類眾多,針對不同用途,這些設備從最簡單的警用直升機上的探照燈到複雜如空中預警平台無所不包。

航空電子研究正以驚人的速度改變着航空航天技術。起初,航空電子設備只是一架飛機的附屬系統;而如今,許多飛機存在的唯一目的即為搭載這些設備。軍用飛機正日益成為一種集成了各種強大而敏感的傳感器的戰鬥平台。

歷史

在1970年代之前,航空電子(Avionics)這個詞還沒有出現,那時航空儀表、無線電、雷達、燃油系統、引擎控制以及無線電導航都是獨立的,並且大部分時候屬於機械系統。

航空電子誕生於1970年代。伴隨着電子工業走向一體化,航空電子市場蓬勃發展起來。在70年代早期,全世界90%以上的半導體產品應用在軍用飛機上。到了1990年代,這個比例已不足1%。從1970年代末開始,航空電子已逐漸成為飛機設計中一個獨立部門。

推動航電技術發展的主要動力來源於冷戰時期的軍事需要而非民用領域。數量龐大的飛機變成了會飛的傳感器平台,如何使如此眾多的傳感器協同工作也成為了一個新的難題。時至今日,航電已成為軍機研發預算中最大的部分。粗略地估計一下,F-15EF-14有80%的預算花在了航電系統上。

航空電子在民用市場也正在獲得巨大的成長。飛行控制系統(線傳飛控),苛刻空域條件帶來的新導航需求也促使開發成本相應上漲。隨着越來越多的人將飛機作為自己出行的首要交通工具,人們也不斷開發出更為精細的控制技術來保證飛機在有限的空域環境下的安全性。同時,民機天然要求將所有的航電系統都限制在駕駛倉內,從而使民機在預算和開發方面第一次影響到軍事領域。

設計約束

飛機上的任何設備都必須滿足一系列苛刻的設計約束。飛機所面臨的電子環境是獨特的,有時甚至是高度複雜的。

製造任何飛機都面臨許多昂貴,耗時,麻煩和困難的方面,而適航性認證則是其中之一。隨着飛機及機組人員愈來愈依賴於航電系統,這些系統的健壯性便變得非常重要了。建造航空電子系統的一個必要因素就是要求飛行控制系統在任何時候都不能失效。然而,飛機上任何一種系統都對健壯性有一定程度的要求。

集成

從航空電子工業的發軔時期開始,如何將及其眾多的電子系統連接起來,密切有效地使用各種信息就是一個令人頭疼的問題。當初如何在離散數據線上傳遞開關變量的簡單問題,而今已演化為如何協調光線數據總線上傳遞的飛行控制數據的繁雜問題。空前複雜的軟件也被用以應付空前苛刻的航空標準。 在今天,系統集成已成為飛機工程師們所面臨的最大問題。不管一架飛機如何小,一定程度的集成也是必不可少的(例如電力供應)。大型飛機項目(像軍用及民用)經常需要數百名工程師來集成這些複雜系統。

物理環境

飛行環境不同,系統用途各異。某些系統需要比其他更為健壯。今天所有的航空電子系統都需要通過特定水平的環境測試。所以魯棒性設計日益重要。

測試的形式多種多樣,許多飛機生產商更會預先規定如何測試。隨着航電設備的廣泛應用,各種適航認證(如英國的CAA或美國的FAA)制定了這些設備必須滿足的性能標準。製造商們則在此基礎上制定了這些設備必須滿足的環境標準。

這些標準規定了航電製造商所必須遵循的飛機零件測試方法及等級。例如鹽水噴射,防水性,模具成長,以及外部污漬之類的測試。

目前提供給製造商的這類航電標準有BS 3G 100、MIL-STD-810、DEF STAN 00-35等。在進行每一項單獨測試前,我們首先得評估其是否適用。例如,鹽水噴射測試對裝在密封架內的設備就沒有什麼必要。製造商們通過交叉引用這些標準,維護測試等級,經常會生成更為通用的需求。這些需求並不規定性能,而是對設備的操作環境的一種描述。

電磁兼容性

眾所周知,電磁兼容性(EMC)是一項評估電力電子系統相互影響的活動。在飛機世界裏,電磁兼容性可導致各種各樣的問題。飛機及其設備一般使用測試範圍更廣的特定標準,如DEF Stan 59-41、MIL-STD-464等。

振動

即使是最平穩的飛機(如民航幹線飛機),振動也是一個非常嚴重的問題,對可靠性影響很大。更不用說像直升機那樣顛簸的飛機,振動已成為設計中最主要的驅動因素。雖然有一些針對振動問題的飛機標準,但許多設計者們並沒有意識到它們。共振問題對於每一架出廠飛機固然不同,更不用說對不同型號的飛機了。

系統安全性

飛機上的所有零部件都要定期接收系統安全性分析。在航電領域,這項工作主要是由各個國家的適航認證部門來執行的。對於民機,總是由FAA或者EASA(JAA)來認證其安全性。對於軍機,雖然也有一些世界標準,但大部分軍機買方認證執行的是當地標準(如DEF Stan 00-56)。是嗎?

在飛機設計中,安全性設計一般表述為可靠性及耐用性,極大地影響着飛機設計方法。任何應用於航電系統的軟件都要接受嚴格的安全性審查。

品質

航空電子設備的採購在全球範圍內已被少數幾大巨頭所壟斷。通過提供「盒裝部件」,即所謂的現場可更換單元(LRU),打包,測試以及配置管理等活動,他們幾乎壟斷了整個航空電子產業。 對於任何工業領域,品質控制都是一個非常重要的部分。而在航空領域,航電產品供貨商則可能毀了整個方案(參看波音Chinook事件)。如今ISO 9001所頒佈的品質標準雖然已被主要工業所採用,而主要的飛機製造商對於他們所交付的文檔和硬件還有更為嚴格的標準。人們經常說飛機不是依靠燃油飛行,而是依靠文檔工作來飛行。因為任何一個LRU(一個無線電設備或儀器)都要產生大量的文檔。

主要領域

如同電子學一樣,航空電子學是個龐大的學科,對其簡單分類很不容易。下文試圖介紹一些感興趣的領域,由此你可以深入研究它們。

飛機電子系統

在任何飛機上,駕駛艙都處於航電系統中最顯著的位置。這也是最困難和最有爭議的問題。所有可以直接控制飛機安全飛行的系統都可以由飛行員直接控制。那些對飛機安全性很關鍵的系統也都指向航電系統。通系統

也許是航電系統中最先出現的,飛機和地面的通信能力從一開始就是至關重要的。遠程通信爆發式的增長意味着飛機(民機和軍機)必須攜帶着一大堆的通信設備。其中一小部分提供了關乎乘客安全的空地通信系統。機載通信是由公共地址英語Public Address系統和飛機交互通信提供的。

導航系統

本文所關注的導航其含義為如何確定地球表面以上的位置和滅火方向。

在通信系統出現不久,飛行能力就受限於上述這些條件了。從早期開始,為了飛行安全性,人們就開發出導航傳感器來幫助飛行員。除了通信設備,飛機上現在又安裝了一大堆無線電導航設備。

顯系統

航電系統的獨立出現是緊隨這些功能的集成工作之後的。很早之前,生產商們就努力開發更可靠和更好的系統來顯示關鍵的飛行信息。真正的玻璃駕駛倉是在最近5年才出現的。LCD或者CRT經常會倒退回傳統的儀表。

如今,LCD顯示的可靠性已足以讓「玻璃」顯示成為關鍵備份。但這只是表面因素。顯示系統負責檢查關鍵的傳感無法控制器數據,這些數據能讓飛機在嚴苛的環境裏安全的飛行。顯示軟件是以飛行控制軟件同樣的要求開發出來的,他們對飛行員同等重要。這些顯示系統以多種方式確定高度和方位,並安全方便地將這些數據提供給機組人員。

飛系統

多年來,平直翼飛機和直升機的自動控制飛行的方式是不同的。這些自動駕駛系統在大部分時間裏(比如巡航或直升機懸停時)減少了飛行防水員的工作負荷和可能出現的失誤。第一個簡單的自動駕駛儀用於控制高度及方向,它可以有限地操控一些東西,如發動機推力和機翼舵面。在直升機上,自動穩定儀起同樣的作用。直到最近,這些老系統仍自然而然地利用電子機械。

防系統

為了增強空中交通管制,大型運輸機和略小些的使用空中防撞系統(TCAS),它可以檢測出附近的其他飛機,並提供防止空中相撞的指令。小飛機也許會使用簡單一些的空中警告系統,如TPAS,他們以一種被動方式工作,不會主動詢問其他飛機的異頻雷達收發器信號,也不提供解決衝撞的建議。

為了防止和地面相撞,飛機上安裝了諸如近地警告系統(GPWS),這種系統通常含有一個雷達測高計。新的系統使用GPS和地形和障礙物數據庫為輕型飛機提供同樣的功能。

氣達

天氣預報

氣象系統如氣象雷達(典型如商用飛機上的ARINC 708英語ARINC 708)和閃電探測器英語Lightning detector對於夜間飛行或者指令指揮飛行英語Instrument meteorological conditions非常重要,因為此時飛行員無法看到前方的氣象條件。暴雨(雷達可飛機簡便廁所感知)或閃電都意味着強烈的對流和湍流,而氣象系統則可以使飛行員繞過這些區域。

在最近,駕駛艙氣象系統有了三項最重要的改革。首先,這些設備(尤其是閃電探測器如Stormscope或Strikefinder)已便宜了很多,甚至可以裝備在小型飛機上了。其次,除了傳統雷達和閃電探測器,通過連接衛星數據,飛行員可以獲得遠超過機載系統本身能力的雷達氣象圖像。最後,現代顯示系統可以將氣象信息和移動地圖,地形,交通等信息集成在一個屏幕上,大大方便了飛行。

飛系統

飛行管理系統出現在20世紀70年代,在原有的自動導航及通信控制及其他電子系統的技術上發展起來的。柯林斯(Collins)和霍尼韋爾(Honeywell)公司分別在其參與研發的麥道和波音飛機上率先引入集成的飛行管理系統。隨着技術的進步,飛行管理系統的重要性不斷提高,成為飛機上最重要的人機交互接口。集成了飛飛行控制計算機,導航及性能計算等功能。中央計算機加上顯示和飛行控制系統,這三個核心系統使飛機上的所有系統(不僅僅是航電系統)更易於維護,更易於飛行,更安全。

引擎的監控和管理很早就在飛機地面維護方面取得了一定進展。如今這種監控管理已經最終延伸到飛機上的所有系統,並且延長了這些系統和零部件的壽命(同時降低了成本)。集成了健康及使用狀況監控系統(HUMS,Health and Usage Monitor Systems)後,飛機管理計算機就可以及時報告那些需要更換的零件。

有了飛機管理計算機或者飛行管理系統,機東排灣組人員就再也用不着一張張地圖和複雜的公式了。再加上數字飛行公文包,機組人員可以管理到小至每一個鉚釘的任何方面。

雖然航電設備製造商提供了飛行管理系統,不過目前還是傾向於由飛機製造商提供飛機管理和健康及使用狀況監控系統。因為這些軟件依賴於它們裝載在何種飛機上。

戰系統

航空電子的主要發展方向已轉向「駕駛艙背後」。軍用飛機或者是用來發射武器,或者是變成其他武器系統的眼睛和耳朵。緣於戰術需要,大堆的傳感器裝在軍用飛機上。更大的會飛的傳感器平台(如E-3D、JSTARS、ASTOR、、Nimrod MRA4、Merlin HM Mk 1)除了飛機管理系統,還會安裝任務管理系統。

隨着精巧的軍用傳感器的廣泛應用,它們已變得無所不在,甚至已流入軍火黑市。警用飛機和電子偵察機如今則攜帶着更為精密的戰術傳感器。

軍用通信系統

民機通信系統為安全飛行提供了骨幹支持,而軍用通信系統則主要用於適應嚴酷的戰場環境。軍用極高頻(UHF)、甚高頻(VHF)(30-88Mz)通信和使用ECCM英語ECCM方法的衛星通信,再加上密碼學,一起構成了戰場上安全的通信環境。數據鏈系統如Link 11英語Link 1116英語Link 1622英語Link 22BOWMAN英語Bowman_(communications_system)JTRS英語JTRS,甚至TETRA,這提供了數據(如圖像,目標信息等)傳輸方法。

空中雷達是主要的作戰傳感器之一。它和其地面基站一起,如今已發展得非常複雜。空中雷達最引人注目的一個變化就是可以在超遠距離內提供高度信息。這類雷達從早期預警雷達(AEW),反潛雷達(ASW),一直到氣象雷達(ARINC 708)和近地雷達。

軍用雷達有時用來幫助高速噴氣飛機低空飛行。雖然民用市場上的氣象雷達偶爾也作此用,但都有嚴格的限制。

音樂

聲納是緊隨着雷達出現的。好多軍用直升機上安裝了探水聲納,他們可以保護艦隊免遭來自潛艇和水面敵艦的攻擊。水上支援飛機可以釋放主動或被動式聲納浮標,他們也用以確定敵方潛水艇的位置。

無限網光電系統覆蓋的設備範圍很廣,其中包括前視紅外系統(Forward Looking Infrared英語Forward Looking Infrared)和被動式紅外設備 (Passive Infrared Device,PIDS)。這些設備都可以給機組提供紅外圖像。這些圖像可以獲得更好的目標解像度,從而用於一切搜救活動。

綠光戰警電子支援(ESM,Electronic Support Measure)以及防禦支援(DAS,Defensive Aids)常用於搜集威脅物或潛在威脅物的信息。它們最終用於發射武器(有時是自動發射)直接攻擊敵機。他們有時也用以確認威脅物的狀態,甚至是辨識它們。

機絡

不管是軍用的,商用的,還是民用先進機型的電子系統都是通過航空電子總線相互連接起來的。這些網絡在功能上和家用電腦網絡十分相似,然而在通訊和電子協議上區別很大。下面簡要列出最常見的航空電子總線協議及其主要應用:

警用及空中救護

警用及空中救護飛機(大部分屬直升機)現在已成為一個重要的市場。軍機現在也常常用來幫助應對民間的非暴力不合作事件。警用直升機幾乎都安裝了視頻或紅外熱成像儀,這樣就可以追蹤嫌疑犯或任何他們感興趣的東西。警用直升機也安裝了探照燈和擴音喇叭,這和警車上的用途是一樣的。

很顯然,空中救護或急救直升機上需要醫療器械,而這些很少被當作航空電子設備。然而,很多急救和警用直升機需要在一些令人不安的環境中飛行,這就需要更多的傳感器,其中一些直到最近還被認為是純粹的軍機設備。

參見

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航空電子
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