提起自动飞行系统,给人的第一感觉是“高大上”。的确,无论什么级别的飞机,自动飞行系统总是一个核心卖点。如今的自动飞行系统能完成从起飞到着陆的全过程自动化控制,涵盖了飞行控制、导航、动力管理、监视和飞行机组告警等各个技术领域。
第一套自动飞行系统
1910年,几乎与动力飞行时代并驾齐驱,自动飞行系统的发明开始启程。这一年,一家名为“斯佩里陀螺仪公司”的企业在美国华盛顿悄然成立。
4年之后的巴黎航展上,美国人劳伦斯?斯佩里驾驶一架柯蒂斯水上飞机,从塞纳河起飞,爬升到400英尺高度后,飞机掉回头来,飞向塞纳河两侧聚集着的观众。这时,驾驶舱后座上的机械师飞快地爬出来,跳上机翼,而前排正在操纵飞机的劳伦斯也从驾驶舱里伸出双手,两人共同向观众挥手致意,观众们彻底惊呆了——谁在驾驶这架飞机?
人们不知道的是,这架柯蒂斯飞机上装备的4个陀螺仪能感受飞机的姿态和航向,发送指令给飞行操纵面的伺服装置,自动纠正偏航、俯仰和滚转趋势,实现平稳飞行。而这个世界上第一套自动飞行控制系统,重量仅有18千克。
劳伦斯?斯佩里是美国发明家埃尔默?斯佩里的儿子。这套自动飞行系统正是他父亲创办的企业——斯佩里陀螺仪公司提供的。
1860年,埃尔默出生于美国辛辛那提州,从小就对机械装置十分着迷。与那个时代的许多发明家一样,埃尔默一心想发明永动机。正是这个看似荒谬的构想,却奠定了发明陀螺仪的技术基础。
美国海军最先将埃尔默研制的陀螺仪用于航海罗盘。此后,斯佩里陀螺仪公司生产的自控装置不仅成为欧美飞机、舰船、导弹、防空火炮和无人机自控设备的首选,还极大地促进了自动控制领域的理论研究和工程应用的持续突破。
时至今日,自动飞行系统早已今非昔比,埃尔默时代的陀螺仪和控制系统已被先进的激光传感器和电传操纵系统所取代,但自动飞行系统的发展思路却始终沿着埃尔默探索的方向前进。如今,人们仍旧面临着埃尔默曾经遇到的难题——自动化装置与使用人员的分工和互动问题。
两种不同的路径
埃尔默曾经设想了两种自动化技术进步的可能性:一是人始终处于控制环节中,即必须由人来响应自动化的数据选择和计算结果,由人来决策自动化的控制操作;第二种则恰恰相反,自动化的目的是最终实现全自动化,人将退出自动化的具体操作环节,人对自动化的操作结果不承担直接责任。
波音发展了第一种可能性,即在任何时候、任何情况下,飞行员都具有最高权限。波音的这一设计思想要求飞行员及时监控自动化系统,一旦发现系统表现不如意就果断介入。
在韩亚航空事故中,当韩国方面提出波音777自动油门在“待命”状态下没有合适的告警系统时,波音指出,自动油门处于“待命”方式是公司的传统设计,包括757、767、747-400、777和最新的787都是如此。在波音的设计理念中,飞行机组具有最高决定权,他们决定着油门的工作模式,包括启动“自动油门”、退出“待命”状态等等。
波音认为,这一设计传统保障了波音全系列飞机的5560万次安全着陆,此次事故发生的原因在于飞行机组的不当操作,波音无需改进现有系统,更不会因此改变波音飞行文化中长期传承的“人在回路中”的自动化设计原则。
而空客却选择了埃尔默的第二种设想。空客认为,对于商用飞机而言,要想保证飞行安全,帮助航空公司实现经济效益最大化,仅仅依赖飞行员的操作技能和思想觉悟是不够的,必须通过不断提高自动化系统的性能来实现。
空客公司的技术路线是:在计算机的全权保护下,无论飞行员如何操作飞机,即便发生错误操作,也不至于导致飞机坠毁。在正常情况下,飞行员无法超越计算机的控制能力。需要按个人意愿操控时,飞行员需要首先降低飞行控制计算机的控制权限。
通过飞行品质监控数据,航空安全审计方会分析飞行人员放弃计算机指令而按个人意愿操控的影响,评估由此造成的不良后果和潜在危险。换言之,空客不仅为飞行员建立了传统的标准操作程序,还为飞行员提供了一整套计算机操控飞机的优化数据。
基于这一套完整的计算机优化数据,空客把飞行管理与飞行导引功能直接关联起来,形成计算机一体化的自动飞行管理引导系统(FMGS)。如果飞行员选择自动飞行模式( 这是空客飞机的默认模式,也称为“管理”模式,是大多数航空公司规定的首选模式),就完全不需要介入其中的控制环节,这样就将飞行员从较高的操作技能要求中解放出来。
时至今日,这种自动化飞行体系的优越性也愈来愈突出。例如,从最小的A318到最大的A380,空客飞机实现了飞行驾驶资格通用化,极大地简化了对飞行员的培训工作。一个具有窄体A320、宽体A330和远程A340机型的航空公司,可以根据航线繁忙程度,灵活搭配不同机型,而不必担心飞行员人手不足,从而避免了旗下机型出现忙闲不均的尴尬局面。