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航空電子理論基礎(chǔ)知識(shí)
航空電子是指飛機(jī)上所有電子系統(tǒng)的總和。一個(gè)最基本的航空電子系統(tǒng)由通信、導(dǎo)航和顯示管理等多個(gè)系統(tǒng)構(gòu)成。下面是小編為大家分享航空電子理論基礎(chǔ)知識(shí)，歡迎大家閱讀瀏覽。
歷史
在上世紀(jì)70年代之前，航空電子(Avionics)這個(gè)詞還沒(méi)有出現(xiàn)。那時(shí)，航空儀表，無(wú)線電，雷達(dá)，燃油系統(tǒng)，引擎控制以及無(wú)線電導(dǎo)航都是單獨(dú)的，并且大部分時(shí)候?qū)儆跈C(jī)械系統(tǒng)。航空電子誕生于20世紀(jì)70年代。伴隨著電子工業(yè)走向一體化，航空電子市場(chǎng)蓬勃發(fā)展起來(lái)。在70年代早期，全世界90%以上的半導(dǎo)體產(chǎn)品應(yīng)用在軍用飛機(jī)上。到了90年代，這個(gè)比例已不足1%。從70年代末開(kāi)始，航空電子已逐漸成為飛機(jī)設(shè)計(jì)中一個(gè)部門(mén)。推動(dòng)航電技術(shù)發(fā)展的主要?jiǎng)恿?lái)源于冷戰(zhàn)時(shí)期的軍事需要而非民用領(lǐng)域。數(shù)量龐大的飛機(jī)變成了會(huì)飛的傳感器平臺(tái)，如何使如此眾多的傳感器協(xié)同工作也成為了一個(gè)新的難題。時(shí)至今日，航電已成為軍機(jī)研發(fā)預(yù)算中最大的部分。粗略地估計(jì)一下，F(xiàn)-15E、F-14有80%的預(yù)算花在了航電系統(tǒng)上。航空電子在民用市場(chǎng)也正在獲得巨大的成長(zhǎng)。飛行控制系統(tǒng)(線傳飛控)，苛刻空域條件帶來(lái)的新導(dǎo)航需求也促使開(kāi)發(fā)成本相應(yīng)上漲。隨著越來(lái)越多的人將飛機(jī)作為自己出行的首要交通工具，人們也不斷開(kāi)發(fā)出更為精細(xì)的控制技術(shù)來(lái)保證飛機(jī)在有限的空域環(huán)境下的安全性。同時(shí)，民機(jī)天然要求將所有的航電系統(tǒng)都限制在駕駛倉(cāng)內(nèi)，從而使民機(jī)在預(yù)算和開(kāi)發(fā)方面第一次影響到軍事領(lǐng)域。
設(shè)計(jì)約束
飛機(jī)上的任何設(shè)備都必須滿足一系列苛刻的設(shè)計(jì)約束。 飛機(jī)所面臨的電子環(huán)境是獨(dú)特的，有時(shí)甚至是高度復(fù)雜的。制造任何飛機(jī)都面臨許多昂貴，耗時(shí)，麻煩和困難的方面，而適航性認(rèn)證則是其中之一。隨著飛機(jī)及機(jī)組人員愈來(lái)愈依賴于航電系統(tǒng)，這些系統(tǒng)的健壯性便變得非常重要了。建造航空電子系統(tǒng)的一個(gè)必要因素就是要求飛行控制系統(tǒng)在任何時(shí)候都不能失效。然而，飛機(jī)上任何一種系統(tǒng)都對(duì)健壯性有一定程度的要求。
集成
從航空電子工業(yè)的發(fā)軔時(shí)期開(kāi)始，如何將及其眾多的電子系統(tǒng)連接起來(lái)，密切有效地使用各種信息就是一個(gè)令人頭疼的問(wèn)題。當(dāng)初如何在離散數(shù)據(jù)線上傳遞開(kāi)關(guān)變量的簡(jiǎn)單問(wèn)題，而今已演化為如何協(xié)調(diào)光線數(shù)據(jù)總線上傳遞的飛行控制數(shù)據(jù)的繁雜問(wèn)題�？涨皬�(fù)雜的軟件也被用以應(yīng)付空前苛刻的航空標(biāo)準(zhǔn)。 在今天，系統(tǒng)集成已成為飛機(jī)工程師們所面臨的最大問(wèn)題。不管一架飛機(jī)如何小，一定程度的集成也是必不可少的(例如電力供應(yīng))。大型飛機(jī)項(xiàng)目(像軍用及民用)經(jīng)常需要數(shù)百名工程師來(lái)集成這些復(fù)雜系統(tǒng)。
物理環(huán)境
飛行環(huán)境不同，系統(tǒng)用途各異。某些系統(tǒng)需要比其他更為健壯。今天所有的航空電子系統(tǒng)都需要通過(guò)特定水平的環(huán)境測(cè)試。所以魯棒性設(shè)計(jì)日益重要。測(cè)試的形式多種多樣，許多飛機(jī)生產(chǎn)商更會(huì)預(yù)先規(guī)定如何測(cè)試。隨著航電設(shè)備的廣泛應(yīng)用，各種適航認(rèn)證(如英國(guó)的CAA或美國(guó)的FAA)制定了這些設(shè)備必須滿足的性能標(biāo)準(zhǔn)。制造商們則在此基礎(chǔ)上制定了這些設(shè)備必須滿足的環(huán)境標(biāo)準(zhǔn)。這些標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了航電制造商所必須遵循的飛機(jī)零件測(cè)試方法及等級(jí)。例如鹽水噴射，防水性，模具成長(zhǎng)，以及外部污漬之類(lèi)的測(cè)試。 目前提供給制造商的這類(lèi)航電標(biāo)準(zhǔn)有BS 3G 100, MIL-STD-810, DEF STAN 00-35等等。在進(jìn)行每一項(xiàng)單獨(dú)測(cè)試前，我們首先得評(píng)估其是否適用。例如，鹽水噴射測(cè)試對(duì)裝在密封架內(nèi)的設(shè)備就沒(méi)有什么必要。制造商們通過(guò)交叉引用這些標(biāo)準(zhǔn)，維護(hù)測(cè)試等級(jí)，經(jīng)常會(huì)生成更為通用的需求。這些需求并不規(guī)定性能，而是對(duì)設(shè)備的操作環(huán)境的一種描述。
電磁兼容性
眾所周知，EEE, 電磁兼容性(EMC)是一項(xiàng)評(píng)估電力電子系統(tǒng)相互影響的活動(dòng)。在飛機(jī)世界里，電磁兼容性可導(dǎo)致各種各樣的問(wèn)題。飛機(jī)及其設(shè)備一般使用測(cè)試范圍更廣的特定標(biāo)準(zhǔn)，如DEF Stan 59-41, MIL-STD-464等。
振動(dòng)
即使是最平穩(wěn)的飛機(jī)(如民航干線飛機(jī))，振動(dòng)也是一個(gè)非常嚴(yán)重的問(wèn)題，對(duì)可靠性影響很大。更不用說(shuō)像直升機(jī)那樣顛簸的飛機(jī)，振動(dòng)已成為設(shè)計(jì)中最主要的驅(qū)動(dòng)因素。雖然有一些針對(duì)振動(dòng)問(wèn)題的飛機(jī)標(biāo)準(zhǔn)，但許多設(shè)計(jì)者們并沒(méi)有意識(shí)到它們。共振問(wèn)題對(duì)于每一架出廠飛機(jī)固然不同，更不用說(shuō)對(duì)不同型號(hào)的飛機(jī)了。
系統(tǒng)安全性
飛機(jī)上的所有零部件都要定期接收系統(tǒng)安全性分析。在航電領(lǐng)域，這項(xiàng)工作主要是由各個(gè)國(guó)家的適航認(rèn)證部門(mén)來(lái)執(zhí)行的。對(duì)于民機(jī)，總是由FAA或者EASA(JAA)來(lái)認(rèn)證其安全性。對(duì)于軍機(jī)，雖然也有一些世界標(biāo)準(zhǔn)，但大部分軍機(jī)買(mǎi)方認(rèn)證執(zhí)行的是當(dāng)?shù)貥?biāo)準(zhǔn)(如DEF Stan 00-56)。在飛機(jī)設(shè)計(jì)中，安全性設(shè)計(jì)一般表述為可靠性及耐用性，極大地影響著飛機(jī)設(shè)計(jì)方法。任何應(yīng)用于航電系統(tǒng)的軟件都要接受?chē)?yán)格的安全性審查。
質(zhì)量
航空電子設(shè)備的采購(gòu)在全球范圍內(nèi)已被少數(shù)幾大巨頭所壟斷。通過(guò)提供“盒裝部件”，即所謂的LRU(航線可更換組件)，打包，測(cè)試以及配置管理等活動(dòng)，他們幾乎壟斷了整個(gè)航空電子產(chǎn)業(yè)。 對(duì)于任何工業(yè)領(lǐng)域，質(zhì)量控制都是一個(gè)非常重要的部分。而在航空領(lǐng)域，航電產(chǎn)品供貨商則可能毀了整個(gè)方案(參看波音Chinook事件)。如今ISO 9001所頒布的質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)雖然已被主要工業(yè)所采用，而主要的飛機(jī)制造商對(duì)于他們所交付的文檔和硬件還有更為嚴(yán)格的標(biāo)準(zhǔn)。人們經(jīng)常說(shuō)飛機(jī)不是依靠燃油飛行，而是依靠文檔工作來(lái)飛行。因?yàn)槿魏我粋�(gè)LRU(一個(gè)無(wú)線電設(shè)備或儀器)都要產(chǎn)生大量的文檔。
主要領(lǐng)域
如同電子學(xué)一樣，航空電子學(xué)是個(gè)龐大的學(xué)科，對(duì)其簡(jiǎn)單分類(lèi)很不容易。下文試圖介紹一些感興趣的領(lǐng)域，由此你可以深入研究它們。
飛機(jī)電子系統(tǒng)
在任何飛機(jī)上，駕駛艙都處于航電系統(tǒng)中最顯著的位置。這也是最困難和最有爭(zhēng)議的問(wèn)題。所有可以直接控制飛機(jī)安全飛行的系統(tǒng)都可以由飛行員直接控制。那些對(duì)飛機(jī)安全性很關(guān)鍵的系統(tǒng)也都指向航電系統(tǒng)。
通信系統(tǒng)
也許是航電系統(tǒng)中最先出現(xiàn)的，飛機(jī)和地面的通信能力從一開(kāi)始就是至關(guān)重要的。遠(yuǎn)程通信爆發(fā)式的增長(zhǎng)意味著飛機(jī)(民機(jī)和軍機(jī))必須攜帶著一大堆的通信設(shè)備。其中一小部分提供了關(guān)乎乘客安全的空地通信系統(tǒng)。機(jī)載通信是由公共地址系統(tǒng)和飛機(jī)交互通信提供的。
導(dǎo)航系統(tǒng)
本文所關(guān)注的導(dǎo)航其含義為如何確定地球表明以上的位置和方向。在通信系統(tǒng)出現(xiàn)不久，飛行能力就受限于上述這些條件了。從早期開(kāi)始，為了飛行安全性，人們就開(kāi)發(fā)出導(dǎo)航傳感器來(lái)幫助飛行員。除了通信設(shè)備，飛機(jī)上現(xiàn)在又安裝了一大堆無(wú)線電導(dǎo)航設(shè)備。
顯示系統(tǒng)
航電系統(tǒng)的獨(dú)立出現(xiàn)是緊隨這些功能的集成工作之后的。很早之前，生產(chǎn)商們就努力開(kāi)發(fā)更可靠和更好的系統(tǒng)來(lái)顯示關(guān)鍵的飛行信息。真正的玻璃駕駛倉(cāng)是在最近5年才出現(xiàn)的。LCD或者CRT經(jīng)常會(huì)倒退回傳統(tǒng)的儀表。如今，LCD顯示的可靠性已足以讓“玻璃”顯示成為關(guān)鍵備份。但這只是表面因素。顯示系統(tǒng)負(fù)責(zé)檢查關(guān)鍵的傳感器數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)能讓飛機(jī)在嚴(yán)苛的環(huán)境里安全的飛行。顯示軟件是以飛行控制軟件同樣的要求開(kāi)發(fā)出來(lái)的，他們對(duì)飛行員同等重要。這些顯示系統(tǒng)以多種方式確定高度和方位，并安全方便地將這些數(shù)據(jù)提供給機(jī)組人員。
飛行控制系統(tǒng)
多年來(lái)，平直翼飛機(jī)和直升機(jī)的自動(dòng)控制飛行的方式是不同的。這些自動(dòng)駕駛系統(tǒng)在大部分時(shí)間里(比如巡航或直升機(jī)懸停時(shí))減少了飛行員的工作負(fù)荷和可能出現(xiàn)的失誤。第一個(gè)簡(jiǎn)單的自動(dòng)駕駛儀用于控制高度及方向，它可以有限地操控一些東西，如發(fā)動(dòng)機(jī)推力和機(jī)翼舵面。在直升機(jī)上，自動(dòng)穩(wěn)定儀起同樣的作用。直到最近，這些老系統(tǒng)仍自然而然地利用電子機(jī)械。
防撞系統(tǒng)
為了增強(qiáng)空中交通管制，大型運(yùn)輸機(jī)和略小些的使用空中防撞系統(tǒng) (Traffic Alert and Collision Avoidance System 交通警告及防撞系統(tǒng))，它可以檢測(cè)出附近的其他飛機(jī)，并提供防止空中相撞的指令。小飛機(jī)也許會(huì)使用簡(jiǎn)單一些的空中警告系統(tǒng)，如TPAS，他們以一種被動(dòng)方式工作，不會(huì)主動(dòng)詢問(wèn)其他飛機(jī)的異頻雷達(dá)收發(fā)器信號(hào)，也不提供解決沖撞的建議。為了防止和地面相撞，飛機(jī)上安裝了諸如近地警告系統(tǒng)(GPWS, Ground Proximity Warning System),這種系統(tǒng)通常含有一個(gè)雷達(dá)測(cè)高計(jì)。新的系統(tǒng)使用gps和地形和障礙物數(shù)據(jù)庫(kù)為輕型飛機(jī)提供同樣的功能。
氣象雷達(dá)
氣象系統(tǒng)如氣象雷達(dá)(典型如商用飛機(jī)上的ARINC 708)和閃電探測(cè)器對(duì)于夜間飛行或者指令指揮飛行非常重要，因?yàn)榇藭r(shí)飛行員無(wú)法看到前方的氣象條件。暴雨(雷達(dá)可感知)或閃電都意味著強(qiáng)烈的對(duì)流和湍流，而氣象系統(tǒng)則可以使飛行員繞過(guò)這些區(qū)域。在最近，駕駛艙氣象系統(tǒng)有了三項(xiàng)最重要的改革。首先，這些設(shè)備(尤其是閃電探測(cè)器如Stormscope或Strikefinder)已便宜了很多，甚至可以裝備在小型飛機(jī)上了。其次，除了傳統(tǒng)雷達(dá)和閃電探測(cè)器，通過(guò)連接衛(wèi)星數(shù)據(jù)，飛行員可以獲得遠(yuǎn)超過(guò)機(jī)載系統(tǒng)本身能力的雷達(dá)氣象圖像。最后，現(xiàn)代顯示系統(tǒng)可以將氣象信息和移動(dòng)地圖，地形，交通等信息集成在一個(gè)屏幕上，大大方便了飛行。
飛機(jī)管理系統(tǒng)
飛行管理系統(tǒng)出現(xiàn)在20世紀(jì)70年代，在原有的自動(dòng)導(dǎo)航及通信控制及其他電子系統(tǒng)的技術(shù)上發(fā)展起來(lái)的�？铝炙�(Collins)和霍尼韋爾(Honeywell)公司分別在其參與研發(fā)的麥道和波音飛機(jī)上率先引入集成的飛行管理系統(tǒng)。隨著技術(shù)的進(jìn)步，飛行管理系統(tǒng)的重要性不斷提高，成為飛機(jī)上最重要的人機(jī)交互接口。集成了飛飛行控制計(jì)算機(jī)，導(dǎo)航及性能計(jì)算等功能。中央計(jì)算機(jī)加上顯示和飛行控制系統(tǒng)，這三個(gè)核心系統(tǒng)使飛機(jī)上的所有系統(tǒng)(不僅僅是航電系統(tǒng))更易于維護(hù)，更易于飛行，更安全。引擎的監(jiān)控和管理很早就在飛機(jī)地面維護(hù)方面取得了一定進(jìn)展。如今這種監(jiān)控管理已經(jīng)最終延伸到飛機(jī)上的所有系統(tǒng)，并且延長(zhǎng)了這些系統(tǒng)和零部件的壽命(同時(shí)降低了成本)。集成了健康及使用狀況監(jiān)控系統(tǒng)(HUMS，Health and Usage Monitor Systems)后，飛機(jī)管理計(jì)算機(jī)就可以及時(shí)報(bào)告那些需要更換的零件。有了飛機(jī)管理計(jì)算機(jī)或者飛行管理系統(tǒng)，機(jī)組人員就再也用不著一張張地圖和復(fù)雜的公式了。再加上數(shù)字飛行公文包，機(jī)組人員可以管理到小至每一個(gè)鉚釘?shù)娜魏畏矫�。雖然航電設(shè)備制造商提供了飛行管理系統(tǒng)，不過(guò)目前還是傾向于由飛機(jī)制造商提供飛機(jī)管理和健康及使用狀況監(jiān)控系統(tǒng)。因?yàn)檫@些軟件依賴于它們裝載在何種飛機(jī)上。
戰(zhàn)術(shù)任務(wù)系統(tǒng)
航空電子的主要發(fā)展方向已轉(zhuǎn)向“駕駛艙背后”。軍用飛機(jī)或者是用來(lái)發(fā)射武器，或者是變成其他武器系統(tǒng)的眼睛和耳朵。緣于戰(zhàn)術(shù)需要，大堆的傳感器裝在軍用飛機(jī)上。更大的會(huì)飛的傳感器平臺(tái)(如E-3D, JSTARS, ASTOR, Nimrod MRA4, Merlin HM Mk 1)除了飛機(jī)管理系統(tǒng)，還會(huì)安裝任務(wù)管理系統(tǒng)。隨著精巧的軍用傳感器的廣泛應(yīng)用，它們已變得無(wú)所不在，甚至已流入軍黑市。警用飛機(jī)和電子偵察機(jī)如今則攜帶著更為精密的戰(zhàn)術(shù)傳感器。
軍用通信系統(tǒng)
民機(jī)通信系統(tǒng)為安全飛行提供了骨干支持，而軍用通信系統(tǒng)則主要用于適應(yīng)嚴(yán)酷的戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境。軍用極高頻(UHF), 甚高頻(VHF)(30-88Mz)通信和使用ECCM方法的衛(wèi)星通信，再加上密碼學(xué)，一起構(gòu)成了戰(zhàn)場(chǎng)上安全的通信環(huán)境。數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)，如Link 11, 16, 22和BOWMAN, JTRS, 甚至是TETRA提供了數(shù)據(jù)(如圖像，目標(biāo)信息等)傳輸方法。
雷達(dá)
空中雷達(dá)是主要的作戰(zhàn)傳感器之一。它和其地面基站一起，如今已發(fā)展得非常復(fù)雜。空中雷達(dá)最引人注目的一個(gè)變化就是可以在超遠(yuǎn)距離內(nèi)提供高度信息。這類(lèi)雷達(dá)從早期預(yù)警雷達(dá)(AEW)，反潛雷達(dá)(ASW)，一直到氣象雷達(dá)(ARINC 708)和近地雷達(dá)。軍用雷達(dá)有時(shí)用來(lái)幫助高速噴氣飛機(jī)低空飛行。雖然民用市場(chǎng)上的氣象雷達(dá)偶爾也作此用，但都有嚴(yán)格的限制。
聲納
聲納是緊隨著雷達(dá)出現(xiàn)的。好多軍用直升機(jī)上安裝了探水聲納，他們可以保護(hù)艦隊(duì)免遭來(lái)自潛艇和水面敵艦的攻擊。水上支援飛機(jī)可以釋放主動(dòng)或被動(dòng)式聲納浮標(biāo)，他們也用以確定敵方潛水艇的位置。
光電系統(tǒng)
光電系統(tǒng)覆蓋的設(shè)備范圍很廣，其中包括前視紅外系統(tǒng)(Forward Looking Infrared)和被動(dòng)式紅外設(shè)備 (Passive Infrared Device, PIDS)。這些設(shè)備都可以給機(jī)組提供紅外圖像。這些圖像可以獲得更好的目標(biāo)分辨率，從而用于一切搜救活動(dòng)。
電子預(yù)警
電子支援(ESM, Electronic Support Measure)以及防御支援(DAS, Defensive Aids)常用于搜集威脅物或潛在威脅物的信息。它們最終用于發(fā)射武器(有時(shí)是自動(dòng)發(fā)射)直接攻擊敵機(jī)。他們有時(shí)也用以確認(rèn)威脅物的狀態(tài)，甚至是辨識(shí)它們。
機(jī)載網(wǎng)絡(luò)
不管是軍用的，商用的，還是民用先進(jìn)機(jī)型的電子系統(tǒng)都是通過(guò)航空電子總線相互連接起來(lái)的。這些網(wǎng)絡(luò)在功能上和家用電腦網(wǎng)絡(luò)十分相似，然而在通訊和電子協(xié)議上區(qū)別很大。下面簡(jiǎn)要列出最常見(jiàn)的航空電子總線協(xié)議及其主要應(yīng)用：
Aircraft Data Network (ADN): 飛機(jī)數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)
AFDX: 商用飛機(jī)上 ARINC 664 的特定實(shí)現(xiàn)
ARINC 429: 商用飛機(jī)
ARINC 664: 參照上述ADN
ARINC 629: 商用飛機(jī)(波音 777)
ARINC 708: 商用飛機(jī)上的氣象雷達(dá)
ARINC 717: 商用飛機(jī)上的飛行數(shù)據(jù)記錄儀
MIL-STD-1553: 軍用飛機(jī)
警用及空中救護(hù)
警用及空中救護(hù)飛機(jī)(大部分屬直升機(jī))現(xiàn)在已成為一個(gè)重要的市場(chǎng)。軍機(jī)現(xiàn)在也常常用來(lái)幫助應(yīng)對(duì)民間的非暴力不合作事件。警用直升機(jī)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(jī)也安裝了探照燈和擴(kuò)音喇叭，這和警車(chē)上的用途是一樣的。很顯然，空中救護(hù)或急救直升機(jī)上需要醫(yī)療器械，而這些很少被當(dāng)作航空電子設(shè)備。然而，很多急救和警用直升機(jī)需要在一些令人不安的環(huán)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(rèn)為是純粹的軍機(jī)設(shè)備。
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