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我和自动化学院的故事

“北京五号”无人驾驶飞机试飞史——宫汉增

2014-10-24  

“北京五号”无人驾驶飞机的设想,可追溯至1956年,当时全国正在着手制定科学发展的12年规划,在讨论研究12年规划时,北航当时的飞机设备系提出了搞无人飞机的设想。

1957年下半年开始酝酿无人飞机的技术方案,19583月在系教研室的会议上,讨论研究了初步方案,并且请第五研究院的同志参加讨论初步方案,并确定了AH-2(现运5)飞机作为无人驾驶飞机研究对象,因为AH-2飞机飞行速度不高(257公里\小时),稳定性很好,着陆安全、方便,并且可乘客6人,可以在飞机上作各种试验。

1958年629日召开了院动员大会,成立了无人驾驶飞机研究机构,下设四个小组(技术协调组、供应组、试飞组、工艺组),以及各分系统研究组,并且有民航局人员、飞行员和第五研究院无线电技术人员参加。

研制无人驾驶飞机的主要目的是:加速我国航空工业建设和赶超世界先进科学水平,科研、教学、生产劳动相结合,教师和学生均可以参加实际锻炼,提高教学质量,保证培养理论联系实际的技术干部。

1958年7月进行总体方案和分系统设计,很快集中了60余人,后又陆续增加到120人,形成教师、工人、学生三结合的队伍。逐步完善了“北京五号”从自动起飞到自动着陆全盘自动化的控制方案。其方案包括:自动7起飞;飞行的自动稳定和控制;远距离控制的遥控、遥测系统;下滑状态控制;着陆状态控制;着陆后的滑跑方向控制。

可以看出,在1958年我国航空工业当时的条件下,研制这样一个难度比较大的无人驾驶飞机是相当困难的。

“北京五号”的试飞工作

“北京五号”研究和试制工作进行到19587月便开始了安装自动驾驶仪、测试参数方面的试飞工作,由于研制无人驾驶飞机的最终目的是要实现真正的无人驾驶,因此飞机上的所有系统必须经过在无人参预下,自动并互相协调配合工作,以实现从起飞、飞行、着陆、滑跑停机的全盘自动化,如果机上任何一个系统设计不合理或有任何一个零件不可靠,必将影响无人驾驶的实现。因此试飞工作是“北京五号”研制过程中极为重要的一环。

“北京五号”试飞工作自19587月开始,直到19592月结束,历经7个月,终于实现了真正的无人驾驶飞行,胜利地完成了“北京五号”的研制任务。

整个试飞工作实在北京首都机场进行,“北京五号”飞机编号是848号,试飞工作大致划分为三个阶段:

第一阶段为:自19587月始到8月底;

第二阶段为:自19588月底到9月底;

第三阶段为:自195810月初到19592月。

现将各阶段的试飞情况概述如下:

(一)   第一阶段试飞工作

这一阶段的试飞工作是将改装适用于无人操作的自动驾驶仪安装到机上,并通过试飞调整各种参数,以使飞机在任何飞行条件下。都能稳定飞行。自动驾驶仪是无人驾驶系统的主要部分,只有通过它与其它系统相联,才能控制飞机实现某种飞行动作。发动机推力控制系统在机上的安装调试也是这一试飞阶段的重要工作之一。发动机的温度自动调节系统,虽然作了地面试验,但仍需要通过试飞来考验,其它如各种传感器(例如飞行高度和空速)的安装与试飞校验也很重要。上述三项设备的试飞调整工作进行得较为顺利,为进一步的试飞工作打下了基础。此外,还用直升机作空中悬停,测试无线电高度表的数据。

(二)  第二阶段的试飞工作

在第二阶段中继续进行试飞的项目是遥控系统、仪表着陆系统、自动起飞系统,以及在飞行员监测下进行得遥控着陆飞行。在试飞中曾出现一些在设计中没有发现的现象,由于设计人员亲临现场,对出现问题及时分析和修改设计,使试飞工作不断取得进展,提高了试飞效率。

1958年国庆前,完成了第二阶段试飞预订计划,接着便开始了进一步综合试飞工作。即将自动起飞、遥控飞行、自动对准下滑、遥控着陆灯飞行连接起来,这就意味着有更多的系统参预协调自动工作,产生一系列的系统衔接问题、动态问题和安全问题,使得试飞工作更加复杂。为安全起见试飞员和试飞人员仍在机上监视自动飞行,必要时切断系统与飞机的联系,改自动飞行为人工操纵。928日开始进行遥控着陆试飞,要求当飞机下降到离地面30米时,地面飞行员根据目测通过遥控指令来操纵飞机实现着陆。在多次试飞中,发现遥控是有可能的,但是成功的概率不高,还存在着安全问题。主要原因是:目测不准,系统存在时延,以及飞行员在开始阶段不适应。因此,当控制回路闭合后,加上人的环节闭合在大回路中,系统显得不稳定。为此须进一步改进系统及对飞行员加以专门训练。第二阶段试飞在国庆前夕圆满结束,指挥部决定,试飞人员返回学校休整。

(三)  第三阶段试飞工作

1958年国庆节后,院组织了一支试飞队伍继续来首都机场进行试飞工作,目的是实现起飞到着陆滑跑全盘自动化,实现真正的无人驾驶。“北京五号”的研制工作通过第一、二阶段的试飞,以取得很大的进展,但要实现真正的无人驾驶尚有一段距离,如稍有隐患,则飞机便有可能坠毁,因此对各系统的功能、精度和动态性能、系统间协调工作、应急措施、系统可靠性等问题,必须进行严格审定。发现问题一定要彻底解决。对于功能不全的系统和需要增补的功能,要对系统进行修改设计和研制。试飞的安全问题随着试飞着陆而变得更加严峻,当时由于从民航借调的试飞飞行员辞去了飞行员工作,空军在国庆前派来了三位飞行员(其中除一位因工作需要调回外,其他两位飞行员,即便在试飞工作中数次出现险情,仍坚持到最后),他们为完成第三阶段试飞起了重大作用。每次试飞回来他们与试飞人员一起分析讨论,并确定下一次试飞课题。发生事故后,大家一起分析原因寻找解决方案,互相鼓励,使试飞工作不至畏缩不前,知难而进,正是有了这种不怕困难得精神,是“北京五号”的试飞工作获得完全成功。

第三阶段试飞工作主要有:

1.  起飞滑跑方向的保持问题;

2.  起飞后飞机倾斜运动的控制;

3.   遥控系统的指令正确性、系统的时延、作用距离等;

4.   遥测系统的调试、校正;

5.   下滑航向对准动态控制问题;

6.   自动着陆控制问题(包括无线电高度表的调试、试飞);

7.   着陆后滑跑航向控制问题;

8.   复飞后系统重新设置问题;

9.   系统的综合试飞;

10.  系统的可靠性试飞。

        上述十项问题能否解决,是实现无人驾驶飞机的关键。在试飞中曾出现起飞滑跑时有较严重的侧向偏移;起飞离地时有倾斜发生遥控指令有串通道现象;下滑时,航向轨迹严重震荡;纵向控制过程中飞行速度过低;航向轨迹亦出现震荡现象。此外,在自动着陆过程中,出现早失速坠地,导致起落架受冲击而错位;以及着地后飞机打转,使副翼翼尖擦地而损伤的现象。在飞机着陆后滑跑是,航向保持问题极为重要,但在设计时未考虑到。系统重新设置问题,在无人驾驶时也很重要,因为一旦飞机复飞后,系统如不能复位,便不可能重新着陆、在安全和可靠性方面,试飞中曾出现电缆失火燃烧及电线插头因焊接剂腐蚀而断裂。上述现象的出现在一定程度上影响研制工作得进展。

在第三阶段试飞过程中,围绕上述问题进行分析研究和修改系统设计(甚至设计新的系统),进而试飞验证和调试,经过三个月努力,整个系统逐步趋于正常,参加研制和试飞人员信心不断提高。

 

(四)  真正的无人驾驶试飞

“北京五号”经过设计阶段和三个试飞阶段后,系统的方案、功能已逐步完善和成熟,性能也变得良好和稳定。试飞表明:从起飞到着陆滑跑已不必有人参预,飞行员在机上只起监控作用,“北京五号”的研制任务到此以接近全部完成,取得了宝贵的资料、数据和经验,也培养锻炼了教师和学生。

“北京五号”是否需要进行真正的无人驾驶试飞,在当时是热烈讨论的题目。一种意见是如果放“单飞”(即机上没有飞行员监控)时出了故障,将造成机毁和将近几百万元的设备损失。尤其是在首都机场上空进行这样的飞行,更要慎重对待。另一种意见是如果不放“单飞”,则表示“北京五号”的研制任务完成得不彻底。在外场工作的同志,对“北京五号”的技术状态是很清楚的,放“单飞”是有一定把握的。但也担心出意外。

1959年1月,经上级领导批准“北京五号”可以在首都上空进行真正的无人驾驶飞行工作。我院,系领导和试飞组决心认真执行这一有意义的任务,作到保证不出意外,并胜利完成任务。在向上级领导汇报“北京五号”研制成果并正式“单飞”之前,于1959131日上午9时,在内部进行一次单飞试飞。

第一次单飞试飞,如期在首都机场进行,试飞课目是在机上无人的情况下进行自动起飞,遥控飞行表演(不同高度和速度8字形飞行),自动对准跑道下滑飞行,进入跑道后自动着陆,在跑道上控制滑跑方向以及制动。试飞工作得到民航局领导、首都机场领导和各部门的配合,机场派出一架Aero-45轻型飞机追踪“北京五号”,这一次试飞很顺利,完全按预定试飞项目进行,Aero-45机飞行员不断从空中报告“北京五号”飞行正常。最后“北京五号”平稳降落在机场上。

第二次单飞试飞定在195924日在首都机场举行,参加观看这次试飞的领导同志有已故的空军司令员刘亚楼上将等,但是不巧在试飞前的一次准备飞行起落中,发现自动下滑及着陆过程中情况异常,但领导同志都以来到机场,正式试飞却不能按时进行。刘司令员了解到情况后鼓励说“不要怕,如果摔了飞机再调一架飞机来。”由于故障不能在短时间内排除,只能宣布改期举行,否则在无人情况下,带这种隐患起飞后,如不能正常降落,后果是非常严重的。事后,检查原因是:由于下滑接收机电源线断,导致接触不良,以及无线电小高度表有不匹配现象,经过调试、排除故障后,于195928日进行第二次单飞汇报飞行,参看试飞的同志有三百余人,其中包括中央各部门负责同志,如空军司令员刘亚楼上将,张爱萍上将等,我院武光院长陪同领导观看,飞行顺利进行,当“北京五号“安全着陆时,在场参观的同志都很高兴,接着总设计师文源泉同志向来宾介绍了”北京五号“的研制情况,来宾参观了飞机及机内设备。

1959年215日进行了第三次单飞汇报飞行,仍有很多中央部门负责同志观看,如空军副司令员曹里怀等领导同志。这一次飞行也很顺利。虽然飞行中出现了一些不太正常的情况(但不属于故障),由于地面操纵人员根据遥测显示冷静地做了处理,使飞行继续正常进行。

“北京五号“的试飞成功,是与整个研制过程中各种决策的正确分不开的,此外还与分阶段、分系统进行严格而有条理的试飞分不开,如果没有科学态度和克服困难的精神和工作干劲密切结合,向”北京五号“这样复杂而技术性强的任务,是不可能在如此短的时间内圆满完成的。当然,如果没有国内很多单位如无源、空军、海军和民航局首都机场等得积极支持,”北京五号的任务也是难于完成的。

1959年春节试飞工作告一段落,试飞人员返校,历经一年的“北京五号”研制工作终于胜利完成,它将是我国第一台全自动化的无人驾驶飞机,也是我国航空史上的一次壮举。

参加北京五号试飞主要人员

总体组:文传源、冯毓江、张林昌、王占林

气动组:张挂联、赵震炎、张炳喧、官汉增

数据测试组:余德兴、张显卿

自动驾驶仪组:林士谔、张明廉、刘宪周、宁文如

发动机自动组:孙虎章

仪表组:黄俊钦、刘惠彬、张洪钺、梁志刚

自动起飞组:冯毓江、姚克章

遥控组:范仁周

遥测组:林德茂、陈真、徐宛华

下滑组:丁子明、刘志万

自动着陆组:以光衢、宋子善、毛士亿、余英杰、罗筱山

电气组:牟孝军

行政组:徐学贤、丁富英

第一二阶段试飞工作负责人

总负责人:文传源

技术负责人:文传源、黄俊钦、张林昌

行政负责人:许学贤

第三阶段试飞工作负责人

总负责人:许学贤

技术负责人:宋子善

行政负责人:许学贤(兼)

 

 

(摘自《北航校友通讯》 1999年版)

上一条:参加无人驾驶飞机传感器研制工作的回顾——孙德辉

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