作为航空业最关键的技术之一，飞行控制系统在过去100多年来发生了翻天覆地的变化，从最简单的机械手动到电传操纵系统，到更为智能化的自主飞行系统，飞行控制系统承载了大家对航空业未来的想象。
1903年，美国莱特兄弟成功试飞了世界上最早的飞机“飞行者1号”，这架飞机安装了两个推进螺旋桨和单台链式传动发动机，还带来了升降舵在前、方向舵在后的鸭式布局操控方式，就是这样的初代“飞控系统”，实现了人类历史上首次有动力的固定翼飞行器飞行。
到了1908年4月，法国飞行员路易•布雷里奥(Louis Blériot) 首次在布雷里奥八世(Blériot VIII) 单翼机上使用了Esnault-Pelterie的操控形式，成为飞行员现代飞行控制技术的雏形。这种技术在1909年7月推出的Blériot XI机型上得到进一步规范完善，并作为后续几十年的飞行教学标准，如1944年推出的教学书籍《Stick and Rudder》就采用了这一技术规范。
随着技术标准的确立，飞机操控的主要布局方式也确定下来。在这些控制装置的不同技术发展阶段，产生了相应的飞控系统分类。
早期的机械传动系统
在现代飞行控制技术规范确定后的相当长一段时间内，飞机的操控主要由简单的钢索、滑轮、连杆和曲柄等机械部件来实现，即机械式操纵系统。这种系统在实际操控过程中，需要飞行员将施加在驾驶舱操纵装置上的力直接传递到气动舵面，然后舵面上的气动铰链力矩再通过机械连杆让驾驶员获得力和位移的反馈，从而实现对飞机姿态和飞行轨迹的控制。
后来飞机的技术不断发展，不但尺寸越来越大，飞行速度等性能表现也越来越强。尤其当飞机的飞行速度逐渐进入跨音速区域时，飞机各个翼面上受到的力急剧上升，单靠人力已经很难使飞机翼面运动，于是机械传动系统开始变得复杂，如用伺服机构来提供空气动力辅助，增加液压助力器以减少操控所需的力度，这种“进化”后的机械传动系统出现在老式喷气式运输机和一些高性能飞机上，如Antonov An-225和Lockheed SR-71。
划时代的电传操纵系统
机械传动系统本身始终存在重量大，反应不够灵敏和传动滞后等缺点，而且如果被破坏的情况下，还会导致整个飞机系统无法正常工作。
这时候的技术研究者将注意力转向采用闭环反馈原理的自动控制技术，在对一系列单项技术和组合技术的研究、开发和验证后，从上世纪五十年代起，电传操纵(Fly-by-wire, FBW) 的全新飞行控制理念逐渐由试验到应用完善。
所谓电传操纵，就是机械通道完全被电传通道替代，利用传感器测得变化并发出信号，再由计算机接收到信号后进行处理和计算，并发出指令驱动液压制动器或者飞行控制面，全程以电子信号来完成之前的机械传动过程。
电传的出现解决了机械传动存在的种种问题，飞机所有指令数据可以统一汇总交由计算机进行计算，飞行员再也不用直接操纵飞机的各个舵面，而是将控制指令输入到飞控计算机上，飞控计算机经过计算之后，再对各个舵面发出动作指令。极大简化了操控，而且节省了机械传动所需要机械设备占用的空间和重量，解放了设计。
电传系统也实现了计算机直接干预飞机操控的硬件条件，而且已经开始参与操控，整个飞行操控过程更智能和高效。
当然，这种技术有相当长一段时间是与机械传动技术并行发展的，早在20世纪30年代，前苏联的图波列夫 ANT-20就采用了电子信号控制技术，后来随着技术不断成熟，逐步应用到更多的飞机上。
1988年空客率先推出了第一款使用数字电传操纵飞行控制系统的亚音速民航客机A320。凭借这一关键技术，A320大幅度提高了飞行安全水平，降低机组培训难度，并且拥有更舒适的操纵体验，一经推出就在全球市场上取得了巨大成功，在以波音为主的民航客机市场上，成为了与波音势均力敌的对手。
受到空客的冲击后，波音从757及767系列开始逐步采用了电传操纵系统，最新型号的波音宽体中型客机787系列全面采用了电传操纵系统，让自动飞行、主飞行控制、高升力得到了全面的整合。该机型还引入了REU (Remote Electronic Unit, 远程电子控制装置）的理念，通过将REU的位置尽可能靠近作动器 PCU来减少导线的用量，达到减轻飞机重量的目的。在冗余技术上，787虽然用了与777类似的两对扰流板和水平安定面，但却采用了电冗余的形式，这种冗余形式可在电传操纵系统失效后，提供一定的控制能力，在等待系统重启过程中维持飞机姿态。
基于电传操纵系统的“自动飞行”
目前的大型民航飞机操控系统已经完成了由机械控制到电传控制的过渡，电传操纵系统也已经成为新研通航飞机的标配。在电传操纵系统将飞行员的操控指令完全变为电子信号传输后，越来越多的自动化功能被叠加进了飞行操纵过程中。
飞机的飞行控制、推力控制和火力控制逐渐达到综合控制要求时，飞行操控变得越来越自动化，形成了主动控制技术等更先进的操控方式，例如放宽静稳定性(RSS) 控制技术，主动涡流控制(AVC) 技术等。
飞控系统的包线保护功能是飞机安全飞行的重要功能，也是目前被广泛应用的自动化功能之一。通过对飞机的空速、俯仰、坡度、垂直速度、迎角和高度等根据飞机性能设置限制，如果超出安全范围或者飞行员不小心输入了危险的指令，飞控系统将自动对飞机进行调整。
目前，电传操纵系统主导下的飞机在巡航阶段已经普遍使用自动驾驶，在空客最新公布出来的实验项目ATTOL(Autonomous Taxi, Take-Off and Landing,自主滑行及起降) 中，起降阶段及滑行阶段也可以由飞机自主完成。
来自eVTOL的新挑战：轻量化、经济性、适航
近年来飞控系统还要面对近年兴起的eVTOL (eletrical Vertical Take-off and Landing,电动垂直起降) 机型带来的新挑战，不但需要建立一套基于电传操纵的飞控系统，还需要解决eVTOL机型旋翼和固定翼在同一套系统下的操纵技术性难题（具体可以参考往期文章eVTOL的SVO：重新定义飞机操纵），以及平衡好eVTOL市场化过程中对飞控系统产生的轻量化、经济性、适航等现实需求。
由于目前的电传操纵系统主要应用于民航客机上，处于几十吨这个级别，但是eVTOL的机型多为一两吨的最大起飞重量，在整机重量、体积小得多的情况下，再加上旋翼类飞机是静不稳定的，必须得在本就小巧的机身上加配飞控计算机和IMU等传感器，就对飞控系统的体积和重量提出了更苛刻的要求。
另外，eVTOL与传统民航客机有着明显不同的使用场景，作为一种新型的中短途空中交通工具，更侧重于在城市客运 (UAM)、区域客运(RAM)、货运、个人飞行器、紧急医疗服务等非长距离场景的应用，甚至要进入以汽车为主的出行市场。因此在追求高效率的同时，还需要做到可以面向大众市场的低成本。与民航客机动辄几百万美金的飞控系统预算不同，eVTOL的飞控系统提供商需要想方设法让自己的产品和服务能够匹配eVTOL的成本结构。小型的电子零部件甚至车规级部件的使用、更先进的仿真系统、MBD（Model Based Design）等新技术及工具的引进使得更低成本的飞控系统（相比民航级别产品）成为可能。
最大的挑战还是来自飞行安全和监管政策带来的适航性挑战。所有的航空器能进入民用市场的一大先决条件，就是需要全面符合民航法规的要求，作为新型飞行器也不例外。这一要求迫使eVTOL主机厂必须选择可适航的高可靠性的飞控系统，这意味着飞控系统需要满足如下图所示的可靠性要求。
由于单系统的飞控的可靠性有限，最多可以做到灾难性事故率小于10-5，为了进一步提高系统的可靠性，就需要通过增加冗余构建多余度的飞控系统，并在不同飞控计算机之间建立投票机制。此外，建立异构的多余飞控计算机可以进一步降低整套系统的故障率。虽然多余度飞控系统在民航客机上已经非常常见，但是可以在eVTOL上使用的多余度飞控系统，尤其是货架产品在市面上还是比较稀缺。
未来的飞控系统
现代的飞控系统在电传操纵的基础上已扩展了飞行管理，导航，制导，系统健康监测等相关功能，也已经建立了一定程度的自动化。随着飞控功能的不断完善，飞机逐步构建感知、决策和控制的闭环，我们相信未来飞机将可以不再依赖飞行员进行综合判断和综合处置，实现完全自主飞行。
这种自主飞行已经具备了技术基础：通过融合多种传感器增强飞机的环境感知能力，综合运用AI、大数据等新兴技术对已感知的环境进行智能决策分析，并利用电传操纵系统建立的良好控制基础，最终让整套飞行操控系统具备无人驾驶的自主飞行能力。
未来的eVTOL的自主飞行应该不再需要配备机上飞行员，只需要地面上操作人员进行简单的监管，安全性将得到进一步提高，运营效率也比当下有大幅度的提升。
边界智控具有丰富的大型eVTOL飞控和民用综合航电系统研发经验，团队曾在欧洲和国内实现多款大型eVTOL机型的飞控系统开发并主导完成飞行测试。公司成立以来，团队持续壮大，各种不同背景的顶尖人才持续加入，既包括有着安全关键系统开发经验的霍尼韦尔、商飞等技术专家，也包括eVTOL领域的顶尖海外公司的优秀人才。目前，我们正在全力开发面向适航的分布式的多余度飞控系统，货架产品将在半年内推出。希望通过我们的产品和技术为广大eVTOL厂商实现全面赋能，共同致力于UAM行业的快速发展。
参考文献：
Mike Ingram.“Fly-by-Wire - Required or FOMO?”2021
Duane McRuer and Dunstan Graham. A Flight Control Century: Triumphs of the Systems Approach. Journal of Guidance, Control and Dynamics 2003 Vol. 27, No. 2, pp. 161-173.
A. Garg, Rezawana Islam Linda, Tonoy Chowdhury. Evolution of Aircraft Flight Control System and Fly-By-Light Flight Control System.2013
Airbus concludes ATTOL with fully autonomous flight tests. Airbus official website. 2021
