飞行管理系统

第16章飞行管理系统16.1飞行管理系统概述伴随飞机性能的不停提高,规定飞行控制系统实现的功能越来越多，系统变得越来越复杂,从而迫使系统系统设计师们在可用的技术条件、任务和顾客规定,飞机可用空间和动力,飞机的气动力特性及规范规定等诸原因的限制下，把许多分系统综合起来,实行有效的统一控制和管理。于是便出现了新一代数字化、智能化、综合化的电子系统－飞行管理系统（FMS—FlightManagementSystem）。在1981年12月，飞行管理系统初次安装在B767型飞机上。此后生产的大中型飞机广泛采用飞行管理系统.16.2飞行管理系统的构成和功能16.2.1飞行管理系统的构成飞行管理系统由几种独立的系统构成。经典的飞行管理系统一般由四个分系统构成，如图16—1，包括：（1）处理分系统－飞行管理计算机系统（FMCS)，是整个系统的关键;（2）执行分系统－自动飞行指导系统和自动油门，见自动飞行控制系统;（3）显示分系统－电子飞行仪表系统（EFIS）,见仪表系统；（4）传感器分系统－惯性基准系统(IRS）、数字大气数据计算机（DADC）和无线电导航设备。驾驶舱重要控制组件是自动飞行指导系统的方式控制面板(AFDSMCP）、两部控制显示组件（CDU）、两部电子飞行仪表系统（EFIS）控制面板。重要显示装置是CDU、电子姿态指导仪（EADI）、电子水平状态指示器(EHSI)和推力方式显示.各部分都是一种独立的系统，既可以单独使用，又可以有多种组合形式。飞行管理系统一词的概念是将这些独立的部分构成一种综合系统，它可提供持续的自动导航、指导和性能管理。图16—1飞行管理系统16.2.2飞行管理系统的功能FMS的重要功能包括导航／制导、自动飞行控制、性能管理和征询／报警功能。FMS实现了全自动导航，大大减轻了驾驶员的工作承担.此外，飞机可以在FMS的控制下，以最佳的飞行途径、最佳的飞行剖面和最省油的飞行方式完毕从起飞直到进近着陆的整个飞行过程。FMS在各飞行阶段的性能管理功能：（1）起飞前通过FMS的控制显示组件人工向FMC输入飞行计划、飞机全重和外界温度.假如飞行计划已经存入FMC的导航数据库，则可直接调入.飞行计划包括起飞机场、沿途航路点和目的机场的经纬度、高度等。（2）起飞根据驾驶员输入的飞机全重和外界温度，FMC计算最佳起飞目的推力。(3）爬升根据驾驶员的选择，FMC计算最佳爬升剖面。FMC还根据状况向驾驶员提供阶梯爬升和爬升地点的提议，供驾驶员选择，以深入节省燃油。（4）巡航FMC根据航线长短、航路状况等原因，选择最佳巡航高度和速度.结合导航设施,确定起飞机场至目的机场的大圆航线，以缩短飞行距离。（5)下降FMC根据驾驶员输入或存储的导航数据确定飞机下降的顶点。在下降阶段,FMC确定下降速度，最大程度运用飞机的势能，节省燃油.（6）进近FMS以优化速度引导飞机抵达跑道入口和着陆点。16.2。3飞行管理计算机系统由飞行管理计算机（FMC)和控制显示组件（CDU）构成.16。2。3.1飞行管理计算机FMC是系统的心脏，进行导航和性能计算并提供控制和指导指令。它由三台微处理机、电源组件和电池组件构成。三台微处理器互相独立并各自带有存储器，分别称为导航、性能和输入／输出处理机。飞行管理计算机的存储器内除了存有多种操作程序外,还存有大量数据。这些数据是人工或自动飞行所必须的。按照数据的种类，分别寄存于导航数据库和性能数据库中。FMC使用飞行组输入的飞行计划信息、飞机系统数据和FMC导航数据库和性能数据库的数据计算飞机目前位置以及获得最佳飞行剖面所需的俯仰、横滚和推力指令。FMC将这些指令送往自动油门、自动驾驶和飞行指导仪。地图和航路信息被送往飞行员各自的电子水平状态指示器。驾驶员使用电子飞行仪表系统控制面板选择导航显示所需的信息。使用方式控制面板选择自动油门、自动驾驶和飞行指导工作方式。1）FMC失去电源FMC工作需要持续的电源。电源中断少于10秒钟时：水平导航和垂直导航脱开；FMC保留所有输入的数据；电源恢复时，FMC恢复正常工作在地面失去电源达10秒或更长时，电源恢复后，必须重新输入所有的飞行前途序和输入值。如在空中失去电源超过10秒,则水平导航和垂直导航脱开;FMC保留所有输入的数据，且电源恢复时更改的航段页面显示SELECTACTIVEWPT/LEG（选择有效航路点/航段)信息。接通水平导航前，必须指示FMC怎样回到航路。选择所需的有效航路点并以直飞或切入航道方式飞到该航路点。2）FMC失效假如飞机上安装一部FMC，当FMC失效，FMC警戒指示灯亮。装有菜单（MENU）页面的CDU，显示菜单页面以选择其他可用的子系统。两部电子水平状态指示器都显示“VTK”。水平导航和垂直导航脱开。25至30秒后，两个水平状态指示器地图都会显示失效信息。假如安装两部FMC，例如FMC源选择电门在正常位时右FMC失效，FMC警戒指示灯和FMC信息指示灯亮。两个草稿行内均显示SINGLEFMCOPERATION（一部FMC工作）信息.如使用自动驾驶B通道,水平导航和垂直导航会脱开（如选择自动驾驶A通道可重新接通）。25—30秒后，右电子水平状态指示器地图会显示失效信息。将FMC源选择电门放在双左位（BOTHONL)，右电子水平状态指示器显示恢复。如出现以上指示时右电子水平状态指示器上无“VTK”显示，表明左右FMC数据不一致。将FMC源选择电门放在双左位（BOTHONL）使两部FMC重新同步工作。两个草稿行内显示DUALFMCOPRESTORED（两部FMC工作恢复）信息时，可将电门扳回正常位。16.2.3.2控制显示组件控制显示组件是机组和飞行管理计算机之间的接口，是进行人－机交流的部件，如图16-2。飞行组可用任意一部CDU向FMC输入数据，但应防止同步在两台CDU上进行输入。两部CDU上显示相似的FMC数据和计算信息,但每位飞行员可独立控制各自CDU的实际显示。装有备用导航系统CDU（AN/CDU）的飞机上，每部CDU可使用内部的计算机以备用方式工作。AN/CDU的能力类似于惯性导航系统并可独立于FMC并联工作或在FMC失效时可作为备份。AN/CDU仅提供水平导航能力。AN/CDU一般仅根据惯性基准系统的位置导航。自保持螺钉自保持螺钉发光的按键面板通告器执行键通告器图16-2控制显示组件16。3FMS导航功能飞行管理计算机使用导航系统的数据精确计算飞机的位置。16。3.1导航功能飞行管理系统的导航功能用来完毕飞机横向剖面的飞行管理，引导飞机按预定航线飞达目的地。包括自动选择导航台和自动调谐；从起飞机场开始，根据要飞抵的目的地选择航线；确定离目的地或某个要飞越航路点的距离;预定抵达时间、速度等。飞行管理系统依赖导航设备为导航功能提供飞机目前位置的原始测量数据.导航方式诸多，例如自主式导航、推测导航、无线电导航等，这些方式都可为飞行管理系统所采用。但飞行管理系统重要采用无线电导航。16.3。2导航数据库导航数据库是为飞机从起飞到着陆整个过程都具有自动导航能力而设计的，它寄存了整个区域的导航信息。FMC包括两组导航数据，每组的有效期为28天。数据库通过数据装载机装入飞机的FMC。各组数据与导航图正常的修订周期相似。FMC使用有效的那一组数据进行导航计算。导航数据库的内容定期更新并在目前数据失效前传送到FMC中。重要信息包括：导航台－导航台标识、位置、频率、海拔高度、标识和类型。机场－机场位置、跑道长度、跑道方位、机场标高和导航设备信息等。航路－航路数据包括航路类型、高度、航向、航段距离和航路点阐明等。企业航路（5）原则仪表离场（SIDS)（6）原则终端进场航路（STARS）(7）程序转弯和等待（8）等待航线(9）复飞（10）进近程序(11）进近和离场转变（12)终端登机门16。3.3导航性能（1）实际导航性能（ANP）实际导航性能（ANP）是FMC对自身定位水平的估计。实际导航性能以95%的精确性估计最大位置误差。也就是说，FMC95%确定飞机的实际位置在以FMC位置为中心以实际导航性能值为半径的圆圈内。实际导航性能值越小，FMC位置预算的精确性越高。（2）规定导航性能(RNP）FMC给起飞、航路飞行、越洋飞行、航站飞行和进近阶段提供默认的规定导航性能值。如需要，飞行组可输入一种特殊的规定导航性能值。已建立并公布世界范围内各区域的特定规定导航性能值。实际导航性能不得低于规定导航性能。16。4FMS性能管理性能管理重要是指在飞行全程，计算按某种性能指标或某几种性能指标的组合到达最优而确定的垂直预选航迹.这些指标包括:燃油最省、成本最小、时间最短等。详细的方式如时间最短爬升、最大爬升梯度爬升、远程巡航、最低成本续航等。详细内容参见《飞行性能工程》。16。4.1性能数据库性能数据库是性能管理的基础。为了完毕性能优化计算，例如在巡航阶段，要懂得飞机的升力特性、极曲线、发动推力和燃油消耗率之间的关系等，此外还需要懂得飞机制导数据。因此性能数据库的内容一般包括：1）飞机部分(1)机翼面积(2）发动机台数（3）飞行包线（4）升力特性曲线（5）飞机极曲线（6）飞机多种重量2）发动机部分（1）燃油消耗特性曲线（2）推力特性曲线（3）飞行各阶段性能数据(4）飞行控制模态数据16。4。2推力管理自动油门根据飞行组在方式控制面板的输入或自动的FMC指令工作。对B737－300在CDU的N1（发动机低压转子转速）限制页可选择基准推力.垂直导航方式接通时，FMC自动指令油门.16.4.2。1预选基准推力计算FMC为下列各方式计算预选基准推力:（1）起飞（2）减功率起飞（3)假设温度起飞（4)爬升(5）减推力爬升（6）巡航（7）持续（8）复飞。推力基准方式根据对应飞行阶段自动转换。选择的推力基准方式显示在推力方式显示。在具有自动减推力功能的飞机上，飞行组可输入减推力参数。指定飞机从起飞推力过渡到爬升推力的高度。该高度可在起飞机场上方400英尺到平均海平面高度15000英尺范围之内。默认值为起飞机场上方1500英尺。16.4.2.2减推力起飞减推力起飞可减少EGT并延长发动机使用寿命.只要性能限制和减噪音程序容许，任何时候都可使用。(1）减功率法可在起飞基准页面或N1限制页选择固定的减功率。《飞机飞行手册》提供了这些减功率的性能数据。选择减功率起飞时，推力设置参数被视为起飞限制值；因此，除非紧急状况，否则不得深入前推推力手柄。（2）假设温度法用假设温度法可深入减小减功率起飞的功率。假设温度减推力起飞是通过使用高于实际温度的假设温度获得不不小于全额定推力的起飞推力。在起飞页面1或2或N1限制页面或起飞基准页面2输入选择温度可获得所需的起飞推力。同意的最大减推力是低于额定功率25％。当存在影响刹车的状况，如跑道上有半融雪、雪或冰或存在潜在风切变，不得使用假设温度减推力。假设温度减推力设置不应视为一种限制值。可以取消假设温度减推力。如碰到需要增长推力的状况,飞行组可以人工使用全推力。16.4。2。3减推力爬升可在CDU的N1限制页面选择两个固定爬升减推力值。CLB1(爬升1）使用减少3%的爬升限制(推力约减10％)。CLB2(爬升2)使用减少6％的爬升限制（推力约减20％)。到15000英尺，爬升减推力值逐渐增至爬升全推力。巡航时，推力基准自动变为巡航推力.可在N1限制页人工选择推力基准。使用假设温度减推力起飞或减功率起飞会影响爬升减推力值的自动选择。爬升使用减推力可减少发动机维护成本,但增长总航程燃油。16。4.3燃油监控如发动机起动后燃油流量数据变为无效,则CDU显示VERIFYGWANDFUEL（证明全重和燃油）,燃油值被虚线替代。虽然燃油数据丧失，垂直导航仍继续工作。FMC使用上一次有效的燃油量进行性能预测。驾驶员应将预测的燃油重量输入性能起始页，并在剩余的航段中对燃油重量定期更新以保持全重值最新.FMC监控机上总量燃油.如FMC估计抵达目的地时燃油总量低于磅（900公斤），CDU出现INSUFFICIENTFUEL(燃油局限性)信息。如抵达目的地时剩余燃油低于性能起始页面输入的备份油量，显示USINGRSVFUEL（使用备份燃油)信息。FMC根据爬升、巡航和下降过程中起落架和襟翼收上条件计算燃油估计值.任何起落架和/或襟翼放出的延长飞行都需增长燃油且不会在FMC燃油估计值页面对的显示.16。5FMS制导制导是飞机沿预选轨迹飞行时受到扰动或导航不确定性引起偏离预选轨迹后作出的一种决策。制导过程：计算航迹偏角,产生操纵指令，送到飞行控制系统的自动驾驶仪、飞行指导、和自动油门系统;由其内部的飞行控制和自动油门计算机产生实际的操作面控制指令和自动油门推力指令，操纵飞机保持在预选的飞行剖面上，以实现对飞机的飞行途径的自动控制。制导又分为侧向指导（又称水平或横向制导）和垂直制导。16。5.1垂直制导垂直制导是按照一定的控制律对垂直面内实际航迹相对预选航迹偏差进行控制。对于垂直导航，计算项目包括耗油量数据、最佳速度和提议的高度.使用巡航高度和穿越高度限制计算垂直导航指令。以所需抵达时间（RTA）方式工作时，计算的内容包括所需速度、起飞时间和航路进程信息。垂直制导接通后，飞行管理计算机提供速度和升降率指令,控制飞机沿预选的纵向途径飞行。16。5.2水平制导水平制导是按照一定的控制律对水平面内实际航迹相对预选航迹偏差进行控制。由于航线飞行分为：大圆航线飞行和等角航线飞行.沿大圆航线飞行，完毕飞行任务的通过的地面距离最短，是一种最常用的航线飞行方式；等角航线是指航线角不变的航线.因此根据控制规律不一样，水平制导也分为大圆航线飞行制导和等角航线飞行制导。当水平制导接通，飞行管理计算机提供航向控制指令，控制飞机沿预选航路飞行.16。5。3制导模块与其他模块的关系制导模块与其他模块的关系如图16—3。图16—3制导模块与其他模块的关系16.5.4制导有关控制模态制导任务的完毕需要有飞行控制系统必要的控制模态的支撑。例如Sperry企业的飞行控制系统SP－177共有27个模态，分为纵向和侧向模态。1）纵向重要包括:(1）俯仰角控制(保持）模态（2）速度跟踪模态－使用升降舵控制速度（3）速度跟踪加速模态－用于升降舵控制速度的加速（4）高度截获模态－实现过载限制和高度平滑过渡（5）高度保持模态－用于给定高度的保持,如巡航状态,当高度误差与升降速度不不小于一定的值后就切入此模态。（6）自动油门杆速度控制模态－用于油门杆控制速度的速度跟踪2）侧向重要模态包括：(1）协调转弯控制模态(2）姿态保持模态（3）航向保持模态(4）轨迹控制模态－用于控制侧向偏离（5）VOR台截获模态－用于截获VOR导航台（6）VOR台保持航线模态－根据VOR台信息进行航线保持（7）VOR过台模态－用于飞机通过VOR台时的控制16.5.5四维制导在三维轨迹的基础上增长时间基准进行制导,将飞行时间作为控制的目的之一即形成四维制导。假如预定航线（三维轨迹）不得变化时,用变化飞行速度来实现四维制导。飞行速度的变化受飞机性能的制约。当航路构造不受约束时,四维制导可由变化飞行轨迹和变化飞行速度两个原因来实现。16.6FMS征询／报警飞行员可以通过控制显示组件获得许多有用的征询信息，例如与飞行剖面有关的信息、与性能有关的信息、系统故障等信息。此外，飞行管理系统具有向飞行员自动报警的能力,例如自动发出风切变、近地警告等告警信息。16.7B737—300飞行管理系统使用简介11。7.1概述接通电源后,飞行管理系统处在飞行前阶段。一种阶段完毕后,飞行管理系统自动转换到下一种阶段.16。7。1.1飞行前在飞行前阶段向CDU输入飞行计划和舱单资料。飞行计划规定了从起飞机场到目的地机场的飞行航路并预设水平导航。飞行计划和舱单资料提供性能信息以预设垂直导航。1）飞行前输入的数据规定输入的飞行前信息包括：（1）起始位置(2)飞行航路(3）性能数据（4）起飞数据可选择输入的飞行前数据包括：(1）导航数据库(2）原则仪表离场（3)原则终端进场（4）所需抵达时间数据(5）巡航风（6）减推力起飞和爬升限制2）飞行前页面如图16-4.图16—4飞行前页面次序正常的飞行前页面次序是根据每个CDU页的页面提醒进行的。FMC开始工作时的正常页面是识别页。飞行前输入流程图按如下次序排列:（1）识别页(2）位置起始页(3）航路页（4）离场页（无自动提醒）（5)性能起始页（6）N1限制页（7）起飞基准页在每个飞行前页面输入和检查必要的数据后，按压最右下方的行选键选择下一页.完毕FMC飞行前途序规定将数据输入到所有必须输入数据的位置，将每个规定的或可选择的数据项目输入详细的飞行前页面，以保证获得最精确的性能。完毕所有规定的飞行前输入后，起飞基准页的飞行前状态提醒不再显示。16。7。1.2起飞爬升1）概述起飞阶段从选择起飞/复飞开始，直到减推力高度（一般在此选择爬升推力）。爬升阶段从减推力高度开始,直到爬升顶点.在爬升顶点，飞机抵达性能起始页所输的巡航高度。选择爬升推力时，起飞阶段自动转换到爬升阶段。爬升阶段持续到爬升顶点,从此处开始巡航阶段.在这些阶段中，一般使用如下各页面：（1）起飞基准页－对离场跑道作最终变化（2）离场页－对原则仪表离场作最终变化(3)爬升页－修改爬升参数和监控飞机爬升性能（4）航段页－修改航路并监控航路进程(5）进程页－监控飞行全进程（6）N1限制页－选择备用爬升推力限制（7）离场/进场索引页－在返航时选择进近程序.2）起飞阶段对离场跑道和原则仪表离场作最终变化时，必须对应修改起飞基准和离场页使其一致。按压起飞/复飞电门时,根据对的的起飞参数,FMC指令选择的起飞推力.在起飞滑跑过程中，自动油门指令推力，FMC指令加速到+15和+25海里/小时之间。高度400英尺可接通水平导航并提供航段飞行的横滚指示。收襟翼后可接通垂直导航以控制爬升剖面.3）爬升阶段垂直导航指令加速到：（1）250海里/小时;（2)航路点速度限制或与起飞机场有关的速度限制,以两者中限制更严格者为准。在减爬升推力点，在具有自动减推力功能的飞机上,FMC指令减小推力至选择的爬升推力.穿越10,000英尺时，垂直导航指令加速至经济爬升速度,并保持到至进入巡航阶段。如航路点速度限制低于目的速度,速度限制优先。爬升过程中，垂直导航遵守航段页航路点高度和速度限制.临时改平到飞越高度限制时，飞机保持目前的指令速度。估计爬升速度剖面将违反航路点高度限制时，FMC显示CDU草稿行信息UNABLENEXTALTITUDE（无法到达下一高度）。此时必须人工选择一种不一样的速度剖面以提供更陡的爬升角度。如选择了爬升1或爬升2减功率，在爬升的最初阶段保持这个减功率.高度15,000英尺时增长到最大爬升推力。16。7。1。3巡航巡航阶段从爬升顶点开始，直到下降顶点.飞机抵达爬升顶点时，巡航阶段自动开始.巡航中,FMC的重要页面有：(1）航段页(2）进程页（3）巡航页使用航段页管理航路限制并修改航路。进程页显示飞行进程信息。所需抵达时间的规定也同步显示在进程页.巡航页显示垂直导航有关信息。其他页面包括：（1）位置基准页－证明FMC位置；（2）位置漂移页－容许从不一样位置基准中选择承认的一种；(3）航路数据页－显示航段页每个航路点的进程数据，显示巡航航路点的风向/风速;(4)基准导航数据页－显示有关航路点、助航设备、机场或跑道的信息；（5）水平偏置页－容许选择航路偏置；（6）定位点信息页－显示有关航路点的信息，并可用来增长新的航路点和定位点；(7）选择所需航路点页－容许从重名航路点中选择所需的航路点；（8）导航状态页－显示可用的助航设备信息。在爬升顶点由爬升过渡到巡航和在下降顶点由巡航过渡到下降时，页面自动转变.16.7。1.4下降和进近1)概述下降阶段从下降顶点开始，到下降终点结束。下降阶段的计划在巡航阶段开始。进近阶段从下降终点开始，持续到接地或复飞。飞行中的各个阶段，备降场都可用且能在任何时候更新.在下降顶点由巡航过渡到下降时，自动转换至下降/进近方式页。2）下降下降中，可在航段和进程页管理水平导航进程。垂直导航下降管理重要在下降页完毕。也可在下降预报页输入预报风向/风速以协助完善下降计划。在巡航中，下降页用于监控、修改或选择下降航径。下降方式包括经济航径、经济速度、人工航径和人工速度方式。默认的垂直导航下降方式是经济航径。航径方式下降时，飞机遵守飞行计划中的高度和速度限制沿垂直航径飞行。速度方式下降时，飞机以固定的速度飞行并遵守飞行计划中的高度和速度限制。3）进近进近过程中，水平导航和垂直导航引导一般过渡到无线电导航提供的进近引导。FMC继续计算和显示目前位置，并能在不使用无线电导航时为某些进近类型提供水平导航和垂直导航进近引导.在其他的进近引导有效之前，使用航段和进程页管理飞行。用于进近的其他页面有：(1）进近基准页－选择进近基准速度VREF；(2）进场页－选择所需的进场和进近程序；（3)等待页－管理等待航线，可以在任何飞行阶段使用。在进场页可选择目的地机场的进近、原则终端进场航路和进场过渡程序,还可以检查选择的非目的地机场的有关信息。16。7.1。5飞行完毕着陆后，在飞行完毕阶段清除有效飞行计划和舱单数据