什么是航空电子设备?

什么是航空电子设备?

航空电子设备是指飞机上所有电子系统的总和。一个基本的航空电子系统由通信、导航和显示管理等多个系统组成。航空电子设备有多种用途，从最简单的警用直升机探照灯到复杂的空中预警平台。

航空电子设备研究正以惊人的速度改变着航空航天技术。起初，航空电子设备只是飞机的一个附属系统。今天许多飞机的存在只是为了携带这些设备。军用飞机正日益成为集成各种强大而灵敏传感器的作战平台。

航空电子诞生于20世纪70年代。随着电子产业的一体化，航空电子市场蓬勃发展。推动航空电子技术发展的主要动力来自冷战时期的军事需求，而非民用领域。许多飞机已经成为飞行传感器平台，如何使传感器协同工作成为一个新问题。

航空电子设备在民用市场正在经历巨大的增长。飞控系统(电传飞控)以及恶劣空域条件带来的新的导航要求，也导致了研制成本的相应增加。随着越来越多的人使用飞机作为主要的交通工具，人们不断开发更复杂的控制技术，以确保飞机在有限的空域内的安全。同时，民用飞机自然要求所有的航电系统都要限制在座舱内，从而使得民用飞机在预算和研制上第一次影响到军事领域。

与航空电子设备相关的设计约束:

飞机上的任何设备都必须满足一系列严格的设计限制。飞机面临的电子环境是独特的，有时是非常复杂的。制造任何飞机都有许多昂贵、耗时、麻烦和困难的方面，适航认证就是其中之一。随着飞机和机组人员越来越依赖航空电子系统，这些系统的稳健性变得越来越重要。建立航空电子系统的一个必要因素是要求飞行控制系统在任何时候都不能出现故障。但是，飞机上的任何系统都有一定的鲁棒性要求。

• 集成:
  自航空电子工业发展之初，如何将其众多的电子系统紧密而有效地连接起来，利用各种信息一直是一个令人头疼的问题。一开始是如何在离散数据线上通信开关变量的简单问题，现在已经演变成如何协调在光学数据总线上传输的飞行控制数据的复杂问题。空前复杂的软件被用来满足越来越苛刻的航空标准。不管飞机有多小，一定程度的集成是必不可少的，比如电源。军用和民用等大型飞机项目通常需要数百名工程师来集成这些复杂的系统。
• 物理环境:
  不同的飞行环境有不同的系统用途。有些系统需要比其他系统更健壮。今天所有的航空电子系统都必须通过一定级别的环境测试。测试的形式多种多样，许多飞机制造商会预先定义如何进行测试。随着航空电子设备的广泛使用，各种适航认证(CAA或FAA)规定了这些设备必须满足的性能标准。在此基础上，制造商制定了这些设备必须满足的环境标准。这些标准规定了航空电子设备制造商必须遵守的飞机部件的测试方法和水平。示例包括盐水爆破、耐水性、霉菌生长和外部污渍的测试。制造商通过交叉引用这些标准来维持测试水平，通常会产生更通用的需求。这些要求不规定性能，而是描述设备的运行环境。
• 电磁兼容性:
  电磁兼容性(EMC)是一种评估电力电子系统相互作用的活动。在飞机世界中，电磁兼容会导致各种各样的问题。飞机及其设备通常使用特定标准和更广泛的测试范围。
• 振动:
  即使在最光滑的飞机上，振动也是一个严重的问题，对可靠性有重大影响。更不用说像直升机这样的湍流飞机了，振动已经成为设计中最主要的驱动力。
• 系统安全:
  飞机上的所有部件都要定期进行系统安全分析。在航空电子领域，这项工作由各国适航审定部门执行。在飞机设计中，安全设计一般表现为可靠性和耐久性，这对飞机的设计方法影响很大。任何应用于航空电子系统的软件都必须经过严格的安全审查。
• 质量:
  航空电子设备的采购在全球范围内被少数巨头垄断。通过提供盒装组件、所谓的现场可更换单元(lru)、包装、测试和配置管理，它几乎垄断了整个航空电子设备行业。质量控制是任何工业领域的重要组成部分。

航空电子相关的主要领域:

• 飞机电子系统:
  在任何飞机上，驾驶舱在航空电子系统中占据着最突出的位置。所有直接控制飞机安全飞行的系统都可以由飞行员直接控制。那些对飞机安全至关重要的系统也指向航空电子系统。通信系统可能是航空电子系统中的第一个，飞机和地面之间的通信能力从一开始就至关重要。远程通信的爆炸式增长意味着飞机必须携带大量的通信设备。其中一小部分提供与乘客安全有关的空中-地面通信系统。机载通信由共同地址系统和飞机交互通信提供。
• 导航系统:
  导航是指如何确定在地球表面上的位置和消防方向。在通信系统出现后不久，飞行能力就受到了这些条件的限制。从早期开始，导航传感器就被开发出来，以协助飞行员维护飞行安全。除了通信设备，其他无线电导航设备现在安装在飞机上。
• 显示系统:
  航空电子系统的独立出现紧随其后的是这些功能的整合。制造商一直在努力开发更可靠、更好的系统来显示关键的飞行信息。lcd或crt通常是传统仪表的替代品。液晶显示器足够可靠，使玻璃显示器成为关键的备份。但这只是表面因子。显示系统负责检查关键的感官和控制器数据，使飞机能够在恶劣环境中安全飞行。显示软件的开发要求与飞行控制软件相同，它们对飞行员同样重要。这些显示系统以多种方式确定高度和方位，并安全方便地将这些数据提供给机组人员。
• 飞行系统:
  多年来，直翼飞机和直升机已经以不同的方式实现了自动化。这些自动驾驶系统在大多数情况下减少了飞行防水器的工作量和可能出现的错误。第一个简单的自动驾驶仪是用来控制高度和方向的，它们对发动机推力和翼舵表面的控制有限。在直升机上，自动稳定器起着同样的作用。
• 防御系统:
  为了加强空中交通管制，大型运输机和稍小的运输机都使用了空中碰撞避免系统(TCAS)，该系统可以探测附近的其他飞机，并提供防止空中碰撞的指令。较小的飞机可能使用更简单的机载预警系统，该系统被动运行，不会主动询问其他飞机的应答器信号，也不会提供如何解决碰撞的建议。为了防止与地面相撞，飞机配备了地面接近警告系统(GPWS)等系统，通常包括一个雷达高度计。新系统使用GPS和地形和障碍物数据库为轻型飞机提供相同的功能。
• 天气预报:
  天气雷达和闪电探测器等天气系统对于夜间飞行或在飞行员无法看到前方天气情况的情况下执行命令非常重要。大雨或闪电可能意味着强对流和湍流，天气系统可以允许飞行员绕过这些地区。通过连接卫星数据，飞行员可以获得远远超出机载系统本身能力的雷达天气图像。现代显示系统可以将天气信息和移动地图、地形、交通等信息集成在一个屏幕上，这有利于飞行。
• 飞行系统:
  飞行管理系统出现于20世纪70年代，是在原有的自动导航和通信控制等电子系统技术的基础上发展起来的。随着技术的进步，飞行管理系统的重要性不断提高，成为飞机上最重要的人机交互界面。它集成了飞行控制计算机、导航和性能计算等功能。中央计算机加显示和飞行控制系统，这三个核心系统使飞机上的所有系统更容易维护，更容易飞行，更安全。发动机的监测和管理在飞机地面维修中早已取得了一定的进展。今天，这种监控管理终于扩展到飞机上的所有系统，并延长了这些系统和部件的寿命，同时降低了成本。整合健康与使用监控系统(HUMS)后，飞机管理计算机可以及时报告需要更换的部件。虽然航空电子设备制造商提供飞行管理系统，但目前飞机制造商更倾向于提供飞机管理和健康和使用监控系统。因为这个软件取决于它们装载在什么样的飞机上。
• 战斗系统:
  航空电子设备的发展方向已经转向驾驶舱后面。军用飞机要么用于发射武器，要么成为其他武器系统的战术基础。除飞机管理系统外，还将安装一个任务管理系统。精巧的军用传感器已经无处不在，甚至进入了军火黑市。警用飞机和电子侦察机现在携带更复杂的战术传感器。
• 军事通信系统:
  民用飞机通信系统为安全飞行提供骨干保障，军用通信系统则用于适应恶劣的战场环境。军用超高频(UHF)、高频(VHF)通信和使用ECCM方法的卫星通信，再加上密码学，共同在战场上形成一个安全的通信环境。
• 雷:
  机载雷达是主要的作战传感器之一。今天，它连同地面上的基站已经变得非常复杂。机载雷达最显著的变化之一是能够提供远距离的高度信息。这些雷达的范围从早期预警雷达(AEW)，反潜雷达(ASW)，一直到天气雷达和近地雷达。军用雷达有时被用来帮助高速喷气机低空飞行。虽然民用市场上的天气雷达偶尔也会用于这一目的，但它们受到严格限制。
• 声纳:
  声纳紧随雷达之后。许多军用直升机都配备了水视声呐，可以保护舰队免受潜艇和水面敌舰的攻击。水面支援飞机可以释放主动或被动声纳浮标，用于定位敌方潜艇。
• 光:
  无限远光电系统涵盖了广泛的设备，包括前视红外和被动红外设备(pid)。这些设备可以为机组人员提供红外图像。这些图像可以用于所有搜索和救援行动的更好的目标分辨率。
• 电力:
  电子支援措施(ESM)和防御辅助设备(DAS)通常用于收集有关威胁或潜在威胁的信息。它们最终被用来直接向敌机发射武器。有时用于确认威胁状态，甚至识别威胁。
• 网络:
  无论是军用、商用还是民用先进型号，电子系统都通过航空电子总线连接。这些网络在功能上与家用计算机网络相似，但在通信和电子协议上有很大不同。
  • 飞机数据网络(ADN)
  • 航空电子全双工交换以太网(AFDX)
• 警察和空中救护车:
  警用和空中救护飞机是一个重要的市场。军用飞机经常被用来帮助应对民间非暴力不合作。警用直升机几乎总是配备视频或热成像摄像机来跟踪嫌疑人。警用直升机配备了与警车相同的探照灯和扩音器。空中救护车或紧急直升机需要医疗设备，这些很少被认为是航空电子设备。然而，许多紧急和警用直升机在不稳定的环境中飞行，需要更多的传感器，其中一些直到最近还被认为是纯粹的军事设备。