為何飛機上的電腦運算能力還不如一台iPhone

從20世紀70年代開始，跟隨著電子工業蓬勃發展，航電系統也在高速發展而且整合程度越來越高，也越來越複雜。但是，你知道嗎，即便這樣，飛機上的電腦運算能力還不如一台iPhone！

現代飛機的航電系統包括了很多子系統，例如通訊系統，導航系統，電傳飛控系統，發動機電控系統，氣象雷達，飛行任務管理系統，防撞系統等等。

在這麼多複雜的子系統中，其中最重要的一部分就是電傳飛控系統（fly-by-wire）。

1955年第一台裝備了電傳飛控系統的飛機——英國火神轟炸機首飛了

1972年NASA改裝了一台海軍的F-8十字軍艦載戰鬥機成為一台電傳飛控試驗機，因為機載電腦的運算能力低下且體積龐大，NASA把這台戰鬥機的所有戰鬥系統都拆了才把飛行電腦塞進去，而此機載電腦來自於阿波羅登月項目的登月艙。

此前，在不同的飛行高度和速度下，同樣的操作會產生非常不同的飛行姿態改變。而安裝了電傳飛控系統的飛機因為能夠將飛行員的操作與飛行控制舵面之間的機械連接斷開了，極大地降低了飛行自動化的難度，所以也保證了不管在什麼飛行狀態，飛行員一樣的操作就會產生一樣的飛行姿態改變，這同時也極大降低了飛行員的工作壓力。例如在盤旋的時候，機載電腦可以算出最優的尾翼舵面角度，乾淨的進入一個盤旋弧線，降低了飛行阻力。

在機載電腦中，也有保護程序，它可以保證飛機一直在飛行包線內飛行，而且正常狀態下會忽略飛行員極端的操作，例如剛剛起飛就向上拉到底，如果沒有這套保護程序，飛機便會失速墜毀。

其次配合氣象雷達，飛控可以算出氣流對飛行姿態的影響，用舵面操作來提前補償，降低甚至消除顛簸。

1969年，作為第一台裝備了電傳飛控的商用飛機協和首飛了

1987年，空客首飛了第一台裝備了電傳飛控的亞音速商用噴氣客機A320

因為電傳飛控無與倫比的優點，越來越多的飛機開始配置它。

除了電傳飛控以外，還有一個極其重要的電子系統：發動機電控，它最新的版本名字叫全許可權電子發動機控制FADEC（fullauthority digital engine control）。

FADEC會根據不同的飛行狀態和推力需求來調整發動機工況，比如噴油量和壓氣機定子角度以及部分型號可以在有些工況下對外殼吹冷卻氣降溫。這提高了發動機的壽命，降低了磨損。

此外FADEC可以儲存發動機數據，顯示它的健康狀況。

這其實是非常困難的，因為發動機磨損消耗最嚴重的地方在於高溫高壓區域，也就是燃燒室和高壓渦輪，而這個部位的高溫高壓給實時測量造成了很大困難，無法長時間可靠的測量數據。所以工程師會將一款發動機的各部位在地面測試台和控制測試台工作特性摸透，然後做個虛擬發動機在FADEC里和真發動機一起運行，然後用一些比較容易測量的數據例如軸轉數、進氣壓力、排氣溫度來修正虛擬發動機。對發動機的控制命令也同時給真發動機和虛擬發動機。而虛擬發動機的所有數據都是隨時隨意讀取的不需要測量。

上圖為一台商用航發和一台軍用航發的FADEC系統結構簡圖，大致功能一樣，接收從飛行員或者自動飛行系統來的命令調整推力，控制壓氣機定子角度（絕大多數可以超音速飛行用的發動機還可以通過收斂片調收斂擴張超音速尾噴的幾何結構），控制燃油系統，發動機工況顯示，以及點火。

值得一提的是下圖的發動機型號FADEC是通過燃油來冷卻的，因為高空燃油溫度比較低，可以有效為FADEC降溫，只要還有燃油就可以為其降溫，而當燃油耗盡，也就沒有必要再控制發動機了。

不僅航電系統功能這麼複雜，而且它的工況也同樣複雜，因此對系統穩定性健壯性要求極高。想像一下，靜不定氣動布局的戰鬥機在戰場上機動躲避導彈，突然飛控電腦宕機重啟了，或者載著幾百個人的客機剛從機場起飛，飛控宕機了，載著幾百條命和一兩百噸燃油以幾百公里每小時的速度向居民區撲了過去。

（靜不定：系統會天然放大擾動，而不是去平衡擾動。用手指頂著一根細長的棍子就是一個典型的天然不穩定系統，當棍子收到擾動如果手指不反應，那肯定會掉下去）

而戰鬥機的FADEC更是要健壯到扔到火力燒，然後拿出來放到冰里，再從樓上扔下去，接上線就能用，要經歷各種振動測試，而個人電腦在這種振動下5秒鐘都活不過。

其次航電系統還要經歷電磁兼容性測試，系統之間不能互相影響。

這些比航電運算性能都更為重要，安全性和健壯性首先要保證，運算性能夠用就行。

因此航電對於飛機的安全性至關重要，這也是為什麼當一個型號換了航電單元以後也就失去了適航證，需要再走一遍取證過程的原因。而重新走一遍取證過程，這需要巨量的資金和精力投入，所以在一個型號幾十年的生產過程中核心航電系統變化也很小。

同時，因為一個飛機型號在設計時很有可能選的航電系統是當時的成熟技術，而不是當時最新技術,所以拿當時的成熟技術再加幾十年，和幾十年後最新的手機電腦運算性能當然是差遠了。

而這又催生了一個生意，在這款飛機生產的後半程，可能很多航電系統供應商已經不生產了，而飛機生產又不能停，因此就有一些人在早期時囤積了很多套系統，等供應商停產以後再以極高價錢賣給飛機製造商。他們可是賺了不少錢。

原始的航電系統是每一個子系統輸出一個數據要個別分給所有需要這個數據的系統，例如靜壓力數據需要發空速計算單元和飛行高度計算單元等等。

而現代航電系統進行了模塊化改造使用LRU（LineReplaceable Unit）單元，每個單元會把數據輸出到數據匯流排中，再從數據匯流排中讀取自己需要數據。而在LRU在閑置時可以利用自己的運算能力來分擔別的LRU的運算任務。

下兩圖為傳統的航電架構的安東諾夫An225航電艙和現代LRU航電架構的空客A320航電艙，可見新架構的空間節省效果，和線纜簡化程度。

作者介紹：

盧西，像別的北京人一樣興趣廣泛，熱愛歷史，生物，和飛機。挖過化石，開飛機，跑馬拉松，健身，最近又喜歡上寫知乎和科普投稿。就讀於德國亞琛工大航空航天系航空動力方向，曾以訪問學者身份在美國喬治亞理工學院航空航天系統實驗室短期訪問。

因為作者並不是航電方向的，而航電每一個子系統又是一門高深的學問，如有遺漏偏頗，請大家評論補充、指正。謝謝！

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作者：盧西

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