飞行导引系统低速保护功能设计

摘 要 根据现代商用飞机对低速保护功能的要求，分析了飞行导引系统低速保护模式在商用飞机上的设计需求以及考虑实际飞行条件下的约束条件，对计算低速保护功能激活阈值的参数进行了合理选择，并给出关键参数的计算公式，同时基于高度和速度包线确定了低速保护模式的工作区间和激活条件，合理有效地设计了低速模式的工作条件。

关键词 飞行导引；低速保护；系统需求；约束条件；

中图分类号V249.122 文献标识码A 文章编号 1674-6708（2014）119-0079-02

0 引言

当代具有高度自动化控制系统的商用飞机都具有包线保护功能以减小飞行员在某些特殊飞行条件下的工作负担，特别是在某些低速飞行条件下的低速保护功能显得更为重要。同时在之前商业航班运行中也有相关由于没有低速保护和告警功能而引起的的民航事故。

美国运输安全委员会（NTSB）对以往几十年与飞行导引系统相关的空难事故调查提供给联邦航空局（FAA）多份安全建议报告。基于NTSA的报告联邦航空局民航条款制定咨询委员会下成立的飞行导引协调工作组随后提交报告，完成了对FAR25.1329的修正[1]。

1低速保护功能的系统需求

商用飞机飞行导引系统提供低速保护功能（USPD），而低速保护模式的触发条件和工作逻辑设计需求应该考虑多种因素，进而满足相关25部条款和相应咨询通报的要求。联邦航空规章25.1329中提出当飞行导引系统使用时，飞行导引系统必须提供一种手段以避免超出正常飞行的速度包线，如果飞机已经超出正常速度包线，必须提供一种手段阻止飞行导引提供导引使飞机进入不安全的速度。

考虑到对条款和咨询通报符合性的理解以及对低速保护功能目的的确定，可以认为低速保护是避免飞机进入失速，在失速告警前进行的一种告警功能。

1.1 低速保护功能的设计要求

对行导引系统中的速度保护功能设计标准可以通过以下方式实现。

飞行导引子功能之间的配合以及俯仰和推力控制的结合，速度保护的设计应该考虑速度保护应该怎样且何时结合自动驾驶仪、飞行指引和自动油门各自的功能起到速度保护的作用。应该考虑使用合适的阈值来激活和退出速度保护，而不能使这种进入和退出速度保护成为一种对飞行机组的干扰[2]。

1.2低速保护功能设计约束条件

在飞行导引系统接通于任何模式（进近模式可能除外）下，当推力不足以保持安全的操作速度，低速保护功能应该激活以避免产生不安全的速度偏离。

当飞机空速从最优进近速度减速至低速保护激活的空速时，飞行导引系统保持既定的垂直路径，此时飞行导引提供导引以保持低速激活时的空速，而此飞机会偏离既定垂直路径。飞行导引模式会改变且低速告警应该被激活以确保飞行员意识到飞机进入了低速区域。

2低速保护功能设计方法

2.1低速阈值参数的计算

低速保护功能的激活需要根据不同飞行构型下的飞行状态计算，其中机动速度（Vman）是计算阈值的重要参数。

Vman等机在1g飞行时1.2倍的失速速度（Vs），根据飞机的局部迎角值来计算。Vs是失速告警时的飞行速度。

在计算与低速保护系统激活阈值相关的参数时，需要失速速度和最小可飞行速度作为辅助的参数进行逻辑计算[3]。

但在触发低速保护模式的条件如果只使用Vman来触发USPD模式的激活，而Vman的计算是基机的攻角变化，需要考虑飞机在不同构型（重量、襟翼、起落架、重心等）下速度的情况，在飞机全包线使用Vman进行USPD的触发，特别是飞机处于高高度的情况。

2.2基于速度包线的低速保护功能设计

基于重量重心包线，绘制不同重量，不同构型的失速速度线；然后绘制不同阈值条件（0.55马赫和0.6马赫）的速度线；绘制1.2Vs速度线，从而确定可用的速度-高度范围，并依此观察阈值条件的可用裕量。经过定量分析与研究可以确定不同条件下低速保护模式的激活条件。如果低速保护模式设计在0.456以上，不会给8000ft以下的飞行带来任何影响；低空飞行时，维持升力所需攻角较小，Vman一般也不会过增加过快，符合低空速度带过高的实际飞行情况，因此，可在低空不需要对低速保护模式进行抑制[4]。

2.3 低速保护模式激活逻辑

商用飞机在高高度飞行时，如果空速在0.80Ma左右，触发了低速保护（由机抬头增大了飞机的攻角）也是符合逻辑的，即在高速时飞机也可能接近于失速，从飞机气动角度这是可以理解的，也应该被接受。因此不需要在高速时对飞行导引的低速保护功能进行抑制。

按照当前空速带上显示的单位为准进行计算以判断是否进入USPD模式，即当前显示IAS，就按照Vman-5kts作为激活触发阈值，如果当前显示马赫数，就按照Mman-0.01作为激活触发阈值。

判断的阈值计算方法是：

Vmothreshold=Vmokts+5kts

一旦触发低速保护，主飞行显示器上显示USPD，但没有音响告警，同时飞机速度基准自动设置为Vman；根据自动驾驶仪和自动油门接通状态，飞机采用低头俯冲加速和增大推力来增加空速，如果自动油门断开，则不会自动接通。

3结论

低速保护功能是现代商用客机飞行导引系统必须具备的功能，本文分析了低速保护功能的设计需求并根据商用飞机的实际飞行条件给出了约束条件。

基于需求和约束条件分析，通过选择合理的低速保护激活阈值计算参数，确定了低速保护模式的工作区间和激活条件，并由此得出了低速保护模式激活的激活逻辑，合理有效地设计了低速模式的工作条件。

参考文献

[1]Don Harris，Helen C，航空安全与认为因素热点问题研究，北京：中国民航出版社，2007.

[2]F.Van Grass Ohio University/FAA Flight Test Demonstration Results of the Local Area Augmentation System（LAAS）”，ION GPS-97，Kansas City，Missouri，16th 19th，September，1997，1623-1629.

[3]Lambregts A.A.Vertical Flight Path and Speed Control Autopilot Design Using Total Energy Principles [J].AIAA Paper，1983，83-2239.

[4]J.Roskam.，Airplane Flight Dynamics and Automatic Flight Control，Roskam Publishing Incorp.， 1979 （Part I & II）.