波音公司早前提出的美國海軍下一代戰斗機概念。

隨著(zhù)美國四代機F-22以及F-35裝備部隊并陸續形成作戰能力，其他國家四代機正在加速研制?；诿绹I(lǐng)先一代的思維模式，在四代機全面裝備之時(shí)也就是下一代戰斗機研究啟動(dòng)之日，但是美國的五代機研制至今猶抱琵琶半遮面，始終未透露出其概念及輪廓。下一代戰斗機飛行器到底是什么樣，其定位、目標是什么，飛控系統將采用什么樣的體系架構，飛控作動(dòng)系統又將采用什么樣的設計理念及新技術(shù)，都值得我們去認真的思考并積極應對。

飛控系統的發(fā)展歷程及趨勢分析

飛行控制系統(以下簡(jiǎn)稱(chēng)：飛控系統或FCS)是將飛行控制指令從駕駛員或從其他信號源傳遞到相應力和力矩發(fā)生器所應用的部件組成的系統，通過(guò)氣動(dòng)舵面的偏轉實(shí)現對飛機的姿態(tài)、軌跡以及乘坐品質(zhì)、幾何形狀(氣動(dòng)外形)和結構模態(tài)等的控制。對軍用飛機來(lái)說(shuō)，飛行控制主要對飛機的姿態(tài)、軌跡以及幾何形狀進(jìn)行控制，對民用飛機來(lái)說(shuō)，除了正常的姿態(tài)、軌跡控制外還對乘坐品質(zhì)、結構模態(tài)提出較高的要求。

軍用有人駕駛飛機(包含直升機)的飛控系統一般分為人工飛行控制系統(MFCS)和自動(dòng)飛行控制系統(AFCS)。人工飛行控制系統又分為主飛行控制系統(PFCS)和輔助飛行控制系統(SFCS)。主飛行控制系統主要控制飛機的鴨翼、副翼、方向舵、升降舵(平尾)、直升機的主槳及尾槳，以及完成相似功能的其他飛行舵面的控制，輔助飛行控制系統主要控制飛機的襟翼、縫翼、減速板、擾流板等輔助飛行舵面。

飛控系統的發(fā)展是隨著(zhù)飛機性能的發(fā)展而發(fā)展的。其發(fā)展大致經(jīng)歷了從簡(jiǎn)單機械飛控(MCS)系統、可逆和不可逆助力控制系統(MCS)、增穩(SAS)及控制增穩(CAS)控制系統、電傳飛控系統，并向功率電傳(PBW)以及光傳飛控(FBL)、智能飛控等方向發(fā)展。

為了使飛機的綜合性能進(jìn)一步提升，同時(shí)隨著(zhù)信息技術(shù)的高速發(fā)展以及飛機面臨需求環(huán)境的復雜化，飛控系統更多的與飛機本身或其他系統交聯(lián)融合，進(jìn)一步向飛行控制、火力控制、推力控制等綜合飛控以及綜合飛行管理方向發(fā)展。另外，飛控系統自身的發(fā)展也逐步從集中控制向大系統綜合管理、小系統分布式控制方向發(fā)展，傳輸信號也由目前的電傳向功率電傳、光傳方向發(fā)展，系統控制方式也由有人干預的飛行控制方式逐步向有限自主控制、完全自主的智能控制方向發(fā)展。

飛控作動(dòng)系統的形成及發(fā)展歷程

上世紀80年代以后，隨著(zhù)系統技術(shù)、通信技術(shù)、計算技術(shù)、控制技術(shù)、功率電傳技術(shù)、智能技術(shù)發(fā)動(dòng)機適量噴管技術(shù)、飛發(fā)一體化控制技術(shù)等的進(jìn)一步成熟及飛機和飛控系統架構的快速發(fā)展(飛機復雜度大大提高，出現了飛行管理系統;飛控系統由集中控制向分布控制發(fā)展)、系統級供應商的出現，使得飛控作動(dòng)系統作為一個(gè)物理和功能完全獨立的分系統呼之即出并成為現實(shí)。同時(shí)隨著(zhù)飛機尤其是戰斗機飛行包線(xiàn)的逐漸擴大以及越來(lái)越復雜的飛行任務(wù)對飛機性能的要求逐步提高，以及電傳飛控系統的快速發(fā)展，其作為一個(gè)完整獨立的分系統在飛機飛控系統中的功能及作用日益突出。

所謂飛控作動(dòng)系統，狹義地講即驅動(dòng)控制飛機姿態(tài)及軌跡運動(dòng)舵面的裝置或系統，也就是我們平常所說(shuō)的舵回路(或舵面作動(dòng)系統)。即是為了改善舵機的性能以滿(mǎn)足飛控系統要求，將舵機的輸出信號反饋到輸入端形成負反饋回路或稱(chēng)伺服回路的伺服作動(dòng)系統。

隨著(zhù)短距/垂直起降飛機、變體(仿生)飛機等新飛機的發(fā)展及飛發(fā)一體化技術(shù)的日益結合緊密，飛控作動(dòng)系統的界面已逐步突破傳統的以飛機舵面為主的控制，逐步將與飛行控制相關(guān)的機翼變形控制、發(fā)動(dòng)機矢量控制、升力風(fēng)扇控制、傾轉機翼控制作動(dòng)等結合起來(lái)，飛控作動(dòng)系統突破了傳統的邊界及定義，由于這些新的控制作動(dòng)技術(shù)與原有的飛控作動(dòng)技術(shù)比較類(lèi)似，為同源技術(shù)的擴展，因此逐步形成了廣義上的飛控作動(dòng)系統或技術(shù)。

飛控作動(dòng)系統在未來(lái)五代機中的重要性

未來(lái)戰爭將是信息化條件下的高技術(shù)戰爭，信息化作戰平臺是信息化作戰系統發(fā)揮打擊威力的物質(zhì)基礎。新軍事變革和信息技術(shù)的飛速發(fā)展，對當前與未來(lái)作戰思想和作戰模式產(chǎn)生了廣泛而深遠的影響，未來(lái)五代機向智能化、精確化、隱身化、多功能化以及超高機動(dòng)性、敏捷性、更強續航、超速巡航、更高自主性方向發(fā)展。飛控系統也向自主控制、智能控制及分布式?jīng)Q策控制等方向快速發(fā)展，飛控作動(dòng)系統在未來(lái)五代機中的重要性愈加明顯。飛行控制不僅與飛機總體性能高度融合，還與發(fā)動(dòng)機控制及性能高度結合，使得飛機的飛行性能大大提升。飛控作動(dòng)系統不僅要求功重比大大提升，還需在空間重量比、響應性能、可靠性、預測與健康管理(PHM)、損傷自修復、高度自主決策等方面邁入一個(gè)新的高度。

飛控系統是服務(wù)于飛行器整體需求的，飛行器的發(fā)展及性能要求決定了飛行控制技術(shù)的發(fā)展方向，因此要研究未來(lái)飛控作動(dòng)系統技術(shù)的發(fā)展，首先要了解未來(lái)五代機的特點(diǎn)及其面臨的問(wèn)題。國外五代機主要是以美國為代表，獨自開(kāi)展需求分析、初步論證以及針對工業(yè)部門(mén)的信息征詢(xún)。

按照美國武器裝備發(fā)展的一般原則，裝備形成初始作戰能力(裝備部隊)之日即是新一代裝備提出理想之日，新一代裝備的需求論證分析等更要提前。因此早在2008年，美國空軍基于對長(cháng)期能力差距的擔憂(yōu)，提出研發(fā)下一代戰機的建議。2009年美國防部即指示美國空軍開(kāi)始五代機能力的初始研發(fā)工作。美國研制五代機的目標是彌補2030年可能形成的裝備能力空缺，提升國防部所關(guān)心的美國“高性能戰術(shù)飛機工業(yè)基礎”能力，確保在該領(lǐng)域的全球優(yōu)勢。美國防部計劃在2015年正式啟動(dòng)項目研發(fā)，可能在2016年確定原型機項目歸屬的概念研究項目競標。

根據對未來(lái)五代機使命任務(wù)的需求分析、初步的論證及通過(guò)工業(yè)部門(mén)的信息征詢(xún)。未來(lái)五代機的特征由以前的霧里看花、眾說(shuō)紛紜，到目前的若隱若現、各持己見(jiàn)，但美國軍方仍沒(méi)有給出一個(gè)像四代機具有4S特征的那樣明確的大家公認的說(shuō)法。我們只能站四代機的肩膀上，結合各方的說(shuō)法以及未來(lái)技術(shù)發(fā)展的趨勢，給五代機勾畫(huà)出初步的藍圖以及可能的一些特征：

a)無(wú)尾全翼身融合的超扁平外形設計;

b)超常規機動(dòng)及超聲速巡航，具有全球打擊能力;

c)超維度物聯(lián)網(wǎng)系統;

d)實(shí)現超域界控制;

e)采用高推重比的自適應(變循環(huán))發(fā)動(dòng)機;

f)其它的一些典型特征及可能采用的技術(shù)。

未來(lái)五代機飛控作動(dòng)系統技術(shù)

發(fā)展趨勢分析

從三代機發(fā)展到四代機，飛控作動(dòng)系統的發(fā)展經(jīng)歷了從功能獨立、體系架構一體化設計到功能物理皆獨立、系統體系架構逐步開(kāi)放的轉變，而且作動(dòng)系統余度進(jìn)一步減少(從四余度向三余度)。未來(lái)五代機飛控作動(dòng)系統的體系架構隨著(zhù)飛控系統自主分布式控制要求將進(jìn)一步開(kāi)放，飛控作動(dòng)系統的功能更加獨立，控制更加自主，其任務(wù)可靠性提高的情況下余度數還可能進(jìn)一步降低(可能為雙余度或單余度及其組合)。這就要求飛控作動(dòng)系統可以快速無(wú)縫的實(shí)現與飛控系統、飛行管理系統以及機上其它系統甚至地面監控系統的遠程通信、快速判斷處理及飛行任務(wù)規劃的重新組合。

由于五代機飛行速度的提高及飛行包線(xiàn)的進(jìn)一步擴展，同時(shí)加上采用的非常規布局方式，使得飛控作動(dòng)系統的穩定性、動(dòng)態(tài)響應及系統控制精度均提高。

未來(lái)五代機采用非常規布局，其航時(shí)、航程比現有四代機提高一倍多。飛控作動(dòng)系統作為飛機中重量、二次能耗所占空間比較大的系統，對飛機的性能影響很大。未來(lái)五代機在飛機舵面負載進(jìn)一步增加的同時(shí)，飛控作動(dòng)系統的重量約要降低，效率還有提升，為適應超薄機翼等帶來(lái)的影響，其所占空間比還要進(jìn)一步減小。

目前四代機飛控作動(dòng)系統具有一定的自我維護、測試及保障能力，自修復(狀態(tài)監控)、預測與健康管理功能更多的是利用上一級系統來(lái)實(shí)現。分布自主控制作為未來(lái)五代機的主要特征，使得飛控作動(dòng)系統的自主控制、自主管理能力大大加強，原來(lái)依賴(lài)于上一級系統的維護、測試、保障、自修復以及預測與健康管理等功能將依靠自身或地面遠程監控自主完成。

未來(lái)五代機飛控作動(dòng)系統

關(guān)鍵技術(shù)研究

開(kāi)放式系統架構是指通過(guò)采用商用標準和商用貨架產(chǎn)品，降低系統成本，提高可用性、可靠性和可持續發(fā)展性，以適應系統不斷增長(cháng)的任務(wù)能力的需求，滿(mǎn)足不同用戶(hù)的需要，方便對系統進(jìn)行升級。由于采用開(kāi)放式體系結構，在更換一些部件或增加一些新的部件時(shí)，不需要改動(dòng)系統其它部分的硬件和軟件。把功能分配在不同的模塊上，功能的增加和去除則通過(guò)改變軟件模塊來(lái)實(shí)現。功能間共享資源，具有容錯特性，提高了系統的可靠性。而且還很容易滿(mǎn)足不同型號的需求。

未來(lái)隨著(zhù)五代機對系統動(dòng)態(tài)響應、高精度、穩定性及可靠性、壽命、預測及健康管理要求的提高，系統呈現多變量復雜特性，其控制策略將由經(jīng)典控制理論向以狀態(tài)空間法為基礎的現代控制理論轉變。其控制策略技術(shù)在結合傳統經(jīng)典控制理論的基礎上，將更多的融合魯棒控制、自適應控制以及模糊和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )控制等控制理論。

作為飛控作動(dòng)系統的核心執行單元——伺服作動(dòng)器，其可靠性、重量、轉換效率對整個(gè)飛控作動(dòng)系統影響非常大。約占作動(dòng)系統重量的70%(以F-35飛機為例)。作動(dòng)器從上世紀40年代后出現的常規機液作動(dòng)、電液作動(dòng)發(fā)展到電作動(dòng)、電動(dòng)靜液作動(dòng)，整整經(jīng)歷了半個(gè)世紀多，其技術(shù)發(fā)展整體較為緩慢，但每一代飛機的發(fā)展都伴隨著(zhù)作動(dòng)技術(shù)的發(fā)展，或者說(shuō)作動(dòng)技術(shù)的發(fā)展也促使了每一代飛機技術(shù)的提升，未來(lái)五代機作動(dòng)技術(shù)的關(guān)鍵技術(shù)主要體現在以下方面：

a)高效及省功率設計技術(shù);

b)高壓長(cháng)壽命及無(wú)泄漏設計技術(shù);

c)一體化集成設計技術(shù);

d)高效大減速比傳動(dòng)設計技術(shù);

e)作動(dòng)器先進(jìn)材料應用技術(shù)。

未來(lái)五代機飛控作動(dòng)系統作為一個(gè)高度自主、智能的獨立系統，其對自身信息的感知大大增強，同時(shí)由于飛機向多電/全電化發(fā)展，使得作動(dòng)系統中的各類(lèi)感知元件(各類(lèi)高精度溫度、壓力、流量、位移、應力傳感器以及相應的復合傳感器等)、功率轉換元件(大功率驅動(dòng)模塊、適應高溫的陶瓷封裝集成電路、高可靠處理芯片、高功重比直流無(wú)刷電機、高壓高轉速變排量泵或馬達、高效機械傳動(dòng)副)、輔助功能元件(密封裝置、功能閥)等成為關(guān)鍵，要求其向小型化、輕量化、高效化、智能化、高可靠、即插即用等方向發(fā)展。

飛控作動(dòng)系統作為一個(gè)獨立的系統，其測試及實(shí)驗技術(shù)至關(guān)重要。目前國內還沒(méi)有將飛控作動(dòng)系統試驗作為一個(gè)完整獨立的試驗技術(shù)進(jìn)行研究，更多的是與飛控系統集成綜合實(shí)驗(飛控鐵鳥(niǎo)實(shí)驗)一起進(jìn)行，造成大量的問(wèn)題在系統綜合中暴露，工作反復，影響研制進(jìn)度。國外在四代機中已將飛控作動(dòng)系統作為一個(gè)獨立的系統進(jìn)行單獨測試及實(shí)驗，使得系統綜合更加簡(jiǎn)單。未來(lái)五代機中由于飛控作動(dòng)系統的功能和要求日益復雜，自身智能化程度更高，而且由于其更高的可靠性、測試性、安全性、預測與健康管理、特殊環(huán)境適應性要求，不但使得系統實(shí)驗的難度會(huì )大大增加，而且會(huì )大大增加系統中各關(guān)鍵部件的實(shí)驗，如液壓元件的抗污染實(shí)驗、機械傳動(dòng)部件的抗卡死實(shí)驗、預測與健康管理實(shí)驗。同時(shí)基于縮短研制周期和節省經(jīng)費的考慮，會(huì )結合復雜系統建模的要求增加各類(lèi)部件及系統仿真或半物理仿真實(shí)驗，縮短系統和部件物理實(shí)驗時(shí)間。

智能化及微型化是新一代及未來(lái)航空器發(fā)展的主要方向，歐美等國研究較早，制定了相關(guān)的研究計劃，其研制的產(chǎn)品已進(jìn)行了相關(guān)的試飛驗證。未來(lái)五代機中由于控制功能的日益復雜，對作動(dòng)系統的智能化程度要求越來(lái)越高，應加強對以智能材料、驅動(dòng)電路、結構原理為基礎的智能作動(dòng)系統進(jìn)行研究。

發(fā)展五代機飛控作動(dòng)系統技術(shù)的思考

國外已將飛控作動(dòng)系統作為一個(gè)獨立的系統，不論軍機還是民機在研制中都作為一個(gè)獨立工作包單獨選擇供應商，而且供應商已建立完整的系統研究、開(kāi)發(fā)、試驗及驗證、售后服務(wù)等全壽命周期的研制能力。目前國內從事單獨飛控作動(dòng)系統集成能力的企業(yè)很少，由于歷史原因，飛控作動(dòng)系統的設計及集成更多的是在總體單位，自上向下設計。而國外已在飛控作動(dòng)系統的聯(lián)合定義、需求分析以及系統技術(shù)推動(dòng)研究方面建立一套完整的體系。

目前國內受制于各種影響仍將其作動(dòng)系統中的一部分進(jìn)行研究，重視度不高，投入少，專(zhuān)門(mén)從事研究人員少，成了影響未來(lái)飛控作動(dòng)系統技術(shù)發(fā)展的關(guān)鍵環(huán)節。

飛控作動(dòng)系統作為飛機信息、能量轉化的關(guān)鍵系統，實(shí)現其功率分配及轉換的核心元器件的技術(shù)發(fā)展及影響至關(guān)重要。隨著(zhù)未來(lái)飛機飛行速度及機動(dòng)性的進(jìn)一步提高、飛行翼面的進(jìn)一步變薄使得飛控作動(dòng)系統的氣動(dòng)載荷進(jìn)一步加大、空間進(jìn)一步變小，對影響系統功率分配及轉換的核心元器件要求更加苛刻;而且高轉速、無(wú)泄漏、高效、高可靠性、高轉化比等要求的提高使得核心元器件技術(shù)難度進(jìn)一步增加，使其成了影響飛控作動(dòng)系統技術(shù)發(fā)展的短板技術(shù)，國外相關(guān)公司都投入巨資進(jìn)行單獨的開(kāi)發(fā)研究。

飛控作動(dòng)系統技術(shù)的核心是作動(dòng)技術(shù)，作動(dòng)技術(shù)作為飛機及發(fā)動(dòng)機大量使用的一項通用基礎技術(shù)，在國內和行業(yè)內還沒(méi)有一個(gè)完整的系統的實(shí)驗研究條件。已有的條件也是分布在大小不同的企業(yè)中，只能進(jìn)行局部點(diǎn)上的技術(shù)和實(shí)驗研究，無(wú)法開(kāi)展作動(dòng)技術(shù)全面的系統的規劃和研究，而且作動(dòng)技術(shù)里面包含大量的基礎技術(shù)、共性技術(shù)需要研究。因此在中航工業(yè)層面構建航空機載作動(dòng)技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗室顯得尤為必要，通過(guò)對機載作動(dòng)技術(shù)研究，不但根據型號牽引出背景技術(shù)進(jìn)行研究，還可以通過(guò)技術(shù)推動(dòng)使得機載作動(dòng)技術(shù)跨越發(fā)展。

隨著(zhù)美國F-22/35等四代機裝備的研制，國外已開(kāi)展了五代機技術(shù)的研究和開(kāi)發(fā)，作為五代機飛控系統的關(guān)鍵子系統及執行部件，應結合飛機及飛控系統的整體需求，加快進(jìn)行針對未來(lái)五代機的飛控作動(dòng)系統的研究開(kāi)發(fā)工作，為我國未來(lái)五代機的研制奠定良好的基礎。(王文山　曹圣兵)