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[摘要]针对目前国内外航空机载设备的发展现状，提出了未来国内外航空机载设备的动态发展趋势和特点，航空机载设备正在向微型化、机电一体化、组合化和智能化等几个方面发展。
[关键词]机载设备发展趋势微型化智能化
随着科学技术的发展，飞机总体对机载设备提出了更高的要求，这同时也促进了机载设备的发展。目前，从美国和西方国家的发展动态看，现代及在研机载设备呈现如下几个发展趋势。
1.从小型化向微型化发展
由于民用飞机和特种飞机都有减重的要求，在二十世纪九十年代初，许多国家都致力于研制体积更小，重量更轻的机载设备，以提高产品的竞争能力，当时我们称之为小型化。到九十年代末，由于微机电系统（MEMS）的问世，机载设备的研制已转向微型化发展。微机电系统（MEMS）是把硅或其他材料制成基本尺寸为几μm至几mm具有机电多种控制功能的独立系统，具有体积小，精度高，重量轻，性能稳定，可靠性高，能耗低，响应快，效率高，抗干扰能力强，功能多样化、集成化等特点，将广泛用于导航与制导系统、测量与控制系统、显示系统、通讯系统等。
为了加快机载设备微型化的发展，许多国家都在进行MEMS器件的研制。美国为了加快MEMS惯性传感器向精度、集成度更高的方向发展，截止到2004年3月，在美国国防部（DARPA）资助下，正在进行的MEMS方面研究的25个项目中惯性传感器方面就有6项，这些项目的概况如表1所示：
从表1 中可以看出，高精度、抗恶劣工作环境、多传感器一体化集成是MEMS惯性器件的研究热点和发展方向。
在机载设备微型化方面，例如大气数据计算机。目前许多新机装备的大气数据计算机都采用振动筒式压力传感器，这是一种性能比较好的传感器。采用静压和动压两个振动筒传感器，配上频率数字变换器和单片机便可以组成数字式大气数据计算机的硬件结构，它的体积大小主要由两个振动筒压力传感器的体积决定。其外壳可做成相当于振动筒高的圆柱体，其直径与现有航空仪表表壳类似，除了两个振动筒传感器的安装空间外，在余下的空隙间安装电子电路（谐振器、电源、FDC和单片机）。这样的数字式大气数据计算机比模拟式产品从重量、体积和耗电方面，已大大优化了。若采用国外己商品化的集成石英或硅谐振压力传感器代替振动筒式压力传感器，其体积和重量仅为振动筒式压力传感器的1/10，且性能相当，这将使产品的体积、重量和耗电进一步减小。如果再进一步将电子线路和谐振压力传感器集成在一起，既可成为微型大气数据计算机。
又如惯性导航系统。九十年代末期的小型化惯性导航系统，其外形是圆柱形，功耗24w；这种经过小型化的航空机载产品，其物理参数优于国内各类导弹上使用的捷联制导系统。1996年7月美国公布了Draper 实验室的研究成果：他们将3只微型摆式加速度计和3只微型梳状调谐陀螺组装在一起，包括互相垂直的三轴安装基准，也就是说构成一个完整的微型惯性测量部件，封装之后的尺寸与一只女式手表相似，耗电量小于1W。让我们做一个比较：
首先用小型化惯导系统与我们现役飞机上惯导的惯性测量部件的重量及功耗进行比较：
可见小型化后惯导的重量和功耗只是现役惯导的 1/5，小型化已有显著成效。小型惯导系统是在现有的主要惯性元件基础上进行小型化改进的结果，微型惯导的IMU是采用微机电系统工艺和材料进行全新的系统设计和加工工艺研制成功的。两种产品的体积、重量和功耗的比较如下：
由此可见机载设备微型化的潜力和前景是很令人兴奋的。
2.向高、精、尖机电一体化发展
机电一体化是机载设备小型化、微型化的必经之路，那些纯机械部件或纯电子线路的产品在许多领域已越来越缺乏竞争力，面对越来越苛刻的使用环境，越来越高的使用要求，它们逐渐被复合型的机电一体化产品所替代。在机载设备中最典型的代表就是惯性导航系统。
惯性导航系统内部既有精密的机械零部件，也有大规模集成电路，它具有的各种功能大部分都是由精密机械部件的加工精度和高速、准确的控制和计算来共同保证的，两者缺一不可。其中有些部件本身就无法简单地把它归类为机械还是电路，比如动力调谐陀螺，它的加工精度要求极高（微米级），工艺过程也十分复杂。目前我们国家仅有少数几家厂所拥有这种加工手段和测试能力，但废品率仍比较高。这种陀螺的工作过程则完全是由电路和指令控制的，它决定了陀螺的动态精度（当然也有干扰的随机影响），机械加工的精度决定了陀螺的静态误差，这两部分误差基本决定了陀螺的性能好坏。正是由于上述原因，我们把机电一体化也列为机载设备发展的特点之一。
3.通过组合发挥综合效能
现代战斗机机载设备的费用已占全机成本的40％以上，而且仍有上涨的趋势。如何在保证飞机总体性能的前提下，降低成本，将优势互补的、工作原理不同而用途近似的设备组合应用，能够获得事半功倍的效果。这其中最典型的例子就是惯性导航系统与全球卫星定位系统(INS/GPS）的组合。
惯导系统的优势在于它是自主式系统，不怕干扰，短时间段的数据误差极小，但它的误差却随时间积累；而GPS系统长期稳定性极好，却极易受干扰，因此其数据常出现跳动现象。INS/GPS组合系统以惯导数据的短时稳定性滤掉GPS中数据的跳跃，以GPS数据的长期稳定性补偿惯导数据的积累误差；当GPS接收机由于飞机机动动作而丢失锁定卫星时，惯导系统不仅可以继续为飞机提供各种飞行指引信息，同时还可以在机动动作完成后帮助GPS迅速重新锁定卫星。这种组合使惯导和GPS各自的输出特性得到了明显的改善，这是从功能上说。另一方面，由于惯导与GPS两系统的相互辅助，各自的短处由对方给予弥补，因此我们就无需为进一步降低惯导的积累误差，提高GPS抗干扰能力等问题再增加人力和物力投入。
近年来，INS/GPS组合技术已具有很高水平，目前采用一般精度等级惯性器件构成惯性系统与GPS组合所获得的效果是无论哪一个设备均无法达到的；换言之，采用组合技术达到了提高使用效能和降低成本的目的，因此它也成为机载设备发展的特点之一。
4.向智能化方向发展
出于减轻飞行员负担，提高动态响应能力和准确控制等目的，许多机载设备都在一定程度上进行了智能化，用计算机模拟人的一些功能，如专家系统，神经元网络等技术。
NASA德莱顿飞行研究中心在其F-15试验机上对一种在线的、自学习“智能”飞行控制系统（IFCS）的初始型进行试飞后，正在对系统进行改进。FCS试验型采用神经网络软件，它能通过观测被接收和处理的数据的模式来“学习”如何操纵飞机。阿森纳公司则在由赛斯纳公司改装了数字式飞行控制系统的“空中霸王”飞机上，对自动探测飞控系统关键传感器故障及故障后如何重构飞控系统的分析容错飞行控制系统方案进行了验证。欧洲战斗机将用由话音识别、油门和驾驶杆组成的VTAS控制系统代替目前使用的HOTAS双杆操纵系统。波音公司更是为JSF联合攻击机研制了头盔视听说综合系统。驾驶员能够用话音指令调用任何显示画面及内容，其智能化水平已达到相当高的水平。该系统可增强情况了解，减轻工作负荷，提高攻击机作战效能和生存能力。
随着现代科技的飞速发展，以“三微、一精”（微电子、微机电系统、微光电制造技术，精密、超精密加工技术）为代表的高科技将广泛应用于航空机载设备的研制领域，将有力的提高飞机的整体性能。随着主动控制技术、隐身技术、新材料技术、高推进装置等新型技术的开发，一批以高性能、高效率为主要标志的全新机载设备将成为新世纪的代表。
（作者单位：空军航空大学 长春）
[关键词]机载设备发展趋势微型化智能化
随着科学技术的发展，飞机总体对机载设备提出了更高的要求，这同时也促进了机载设备的发展。目前，从美国和西方国家的发展动态看，现代及在研机载设备呈现如下几个发展趋势。
1.从小型化向微型化发展
由于民用飞机和特种飞机都有减重的要求，在二十世纪九十年代初，许多国家都致力于研制体积更小，重量更轻的机载设备，以提高产品的竞争能力，当时我们称之为小型化。到九十年代末，由于微机电系统（MEMS）的问世，机载设备的研制已转向微型化发展。微机电系统（MEMS）是把硅或其他材料制成基本尺寸为几μm至几mm具有机电多种控制功能的独立系统，具有体积小，精度高，重量轻，性能稳定，可靠性高，能耗低，响应快，效率高，抗干扰能力强，功能多样化、集成化等特点，将广泛用于导航与制导系统、测量与控制系统、显示系统、通讯系统等。
为了加快机载设备微型化的发展，许多国家都在进行MEMS器件的研制。美国为了加快MEMS惯性传感器向精度、集成度更高的方向发展，截止到2004年3月，在美国国防部（DARPA）资助下，正在进行的MEMS方面研究的25个项目中惯性传感器方面就有6项，这些项目的概况如表1所示：
从表1 中可以看出，高精度、抗恶劣工作环境、多传感器一体化集成是MEMS惯性器件的研究热点和发展方向。
在机载设备微型化方面，例如大气数据计算机。目前许多新机装备的大气数据计算机都采用振动筒式压力传感器，这是一种性能比较好的传感器。采用静压和动压两个振动筒传感器，配上频率数字变换器和单片机便可以组成数字式大气数据计算机的硬件结构，它的体积大小主要由两个振动筒压力传感器的体积决定。其外壳可做成相当于振动筒高的圆柱体，其直径与现有航空仪表表壳类似，除了两个振动筒传感器的安装空间外，在余下的空隙间安装电子电路（谐振器、电源、FDC和单片机）。这样的数字式大气数据计算机比模拟式产品从重量、体积和耗电方面，已大大优化了。若采用国外己商品化的集成石英或硅谐振压力传感器代替振动筒式压力传感器，其体积和重量仅为振动筒式压力传感器的1/10，且性能相当，这将使产品的体积、重量和耗电进一步减小。如果再进一步将电子线路和谐振压力传感器集成在一起，既可成为微型大气数据计算机。
又如惯性导航系统。九十年代末期的小型化惯性导航系统，其外形是圆柱形，功耗24w；这种经过小型化的航空机载产品，其物理参数优于国内各类导弹上使用的捷联制导系统。1996年7月美国公布了Draper 实验室的研究成果：他们将3只微型摆式加速度计和3只微型梳状调谐陀螺组装在一起，包括互相垂直的三轴安装基准，也就是说构成一个完整的微型惯性测量部件，封装之后的尺寸与一只女式手表相似，耗电量小于1W。让我们做一个比较：
首先用小型化惯导系统与我们现役飞机上惯导的惯性测量部件的重量及功耗进行比较：
可见小型化后惯导的重量和功耗只是现役惯导的 1/5，小型化已有显著成效。小型惯导系统是在现有的主要惯性元件基础上进行小型化改进的结果，微型惯导的IMU是采用微机电系统工艺和材料进行全新的系统设计和加工工艺研制成功的。两种产品的体积、重量和功耗的比较如下：
由此可见机载设备微型化的潜力和前景是很令人兴奋的。
2.向高、精、尖机电一体化发展
机电一体化是机载设备小型化、微型化的必经之路，那些纯机械部件或纯电子线路的产品在许多领域已越来越缺乏竞争力，面对越来越苛刻的使用环境，越来越高的使用要求，它们逐渐被复合型的机电一体化产品所替代。在机载设备中最典型的代表就是惯性导航系统。
惯性导航系统内部既有精密的机械零部件，也有大规模集成电路，它具有的各种功能大部分都是由精密机械部件的加工精度和高速、准确的控制和计算来共同保证的，两者缺一不可。其中有些部件本身就无法简单地把它归类为机械还是电路，比如动力调谐陀螺，它的加工精度要求极高（微米级），工艺过程也十分复杂。目前我们国家仅有少数几家厂所拥有这种加工手段和测试能力，但废品率仍比较高。这种陀螺的工作过程则完全是由电路和指令控制的，它决定了陀螺的动态精度（当然也有干扰的随机影响），机械加工的精度决定了陀螺的静态误差，这两部分误差基本决定了陀螺的性能好坏。正是由于上述原因，我们把机电一体化也列为机载设备发展的特点之一。
3.通过组合发挥综合效能
现代战斗机机载设备的费用已占全机成本的40％以上，而且仍有上涨的趋势。如何在保证飞机总体性能的前提下，降低成本，将优势互补的、工作原理不同而用途近似的设备组合应用，能够获得事半功倍的效果。这其中最典型的例子就是惯性导航系统与全球卫星定位系统(INS/GPS）的组合。
惯导系统的优势在于它是自主式系统，不怕干扰，短时间段的数据误差极小，但它的误差却随时间积累；而GPS系统长期稳定性极好，却极易受干扰，因此其数据常出现跳动现象。INS/GPS组合系统以惯导数据的短时稳定性滤掉GPS中数据的跳跃，以GPS数据的长期稳定性补偿惯导数据的积累误差；当GPS接收机由于飞机机动动作而丢失锁定卫星时，惯导系统不仅可以继续为飞机提供各种飞行指引信息，同时还可以在机动动作完成后帮助GPS迅速重新锁定卫星。这种组合使惯导和GPS各自的输出特性得到了明显的改善，这是从功能上说。另一方面，由于惯导与GPS两系统的相互辅助，各自的短处由对方给予弥补，因此我们就无需为进一步降低惯导的积累误差，提高GPS抗干扰能力等问题再增加人力和物力投入。
近年来，INS/GPS组合技术已具有很高水平，目前采用一般精度等级惯性器件构成惯性系统与GPS组合所获得的效果是无论哪一个设备均无法达到的；换言之，采用组合技术达到了提高使用效能和降低成本的目的，因此它也成为机载设备发展的特点之一。
4.向智能化方向发展
出于减轻飞行员负担，提高动态响应能力和准确控制等目的，许多机载设备都在一定程度上进行了智能化，用计算机模拟人的一些功能，如专家系统，神经元网络等技术。
NASA德莱顿飞行研究中心在其F-15试验机上对一种在线的、自学习“智能”飞行控制系统（IFCS）的初始型进行试飞后，正在对系统进行改进。FCS试验型采用神经网络软件，它能通过观测被接收和处理的数据的模式来“学习”如何操纵飞机。阿森纳公司则在由赛斯纳公司改装了数字式飞行控制系统的“空中霸王”飞机上，对自动探测飞控系统关键传感器故障及故障后如何重构飞控系统的分析容错飞行控制系统方案进行了验证。欧洲战斗机将用由话音识别、油门和驾驶杆组成的VTAS控制系统代替目前使用的HOTAS双杆操纵系统。波音公司更是为JSF联合攻击机研制了头盔视听说综合系统。驾驶员能够用话音指令调用任何显示画面及内容，其智能化水平已达到相当高的水平。该系统可增强情况了解，减轻工作负荷，提高攻击机作战效能和生存能力。
随着现代科技的飞速发展，以“三微、一精”（微电子、微机电系统、微光电制造技术，精密、超精密加工技术）为代表的高科技将广泛应用于航空机载设备的研制领域，将有力的提高飞机的整体性能。随着主动控制技术、隐身技术、新材料技术、高推进装置等新型技术的开发，一批以高性能、高效率为主要标志的全新机载设备将成为新世纪的代表。
（作者单位：空军航空大学 长春）