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计算机

时间 : 2022年10月5日分类 :工程百科

[拼音]：jisuanji

[外文]：computer

计算机是现代航空航天工程中最重要的技术工具之一。从民用航空的订座系统到载人飞船的地面指挥中心，从比较简单的机载大气数据计算机到高度复杂而可靠的航天飞机导航控制系统，无不依赖于计算机。计算机已经渗透到现代航空航天工程的各个领域。按照应用的场合，用于航空航天工程的计算机可以分为两大类：地面计算机和飞行器计算机。地面计算机多采用通用计算机，它又可分为巨型机、大型机、中型机、小型机和微型机。微型机发展极快，在性能上已赶上或超过了某些小型机，并开始出现赶上超级小型机的趋势。对于飞行器计算机则有一些特殊的要求（体积、重量、功耗、环境和功能等），故多采用专用计算机，但70年代后期以来，新的飞行器计算机已开始采用通用微处理机作为它的中央处理机。

地面计算机

计算机在航空航天地面系统中用途很广，如民航订票业务、地面仿真试验、航天器测控、飞行器设计和制造等方面。

民用航空旅客订座系统

从50年代开始就出现了用计算机来处理订票业务，已发展成为完善的可编程序旅客订座系统。这种系统通过高速通信网把世界各大城市售票点与计算机中心联结起来，形成计算机网，开展远距离联程预订客座等业务。这种系统一般都接有上千个终端装置，如显示终端、打印机、售票机等。有关班机座席情况、旅客资料和班期时刻等上百种数据都存贮在庞大的存贮器内，根据要求迅速地在显示终端显示出有关数据，以回答各种询问。

地面仿真试验

高性能计算机是地面仿真试验的主要设备，这种试验为新飞行器的研制开辟了一条新的途径。地面仿真试验可以部分或全部代替飞行器的某些地面模拟试验，也可以部分代替飞机的试飞。这种试验要求建立物理过程的精确数学模型，具有一定的通用性。它可以节省研制费用，缩短研制周期，减少飞机试飞中的事故（见飞行仿真器、控制系统仿真技术）。

航天器测控

航天测控和数据采集网对航天器实施跟踪、测量和控制，是航天器正常工作的基本保障。这项工作实时性强、信息量大、可靠性高，必须依靠大型高速计算机。航天控制中心一般配置多台、大型高速计算机及其完善的软件系统。这些计算机系统可以实时处理航天器测轨和遥测数据，获取航天器轨道、姿态和各分系统工作的参数，为监视和控制航天器的工作提供信息。当航天器出现故障时，计算机系统可以协助查找故障原因，并提供处理故障的可能方法。

飞行器设计和制造

在飞行器设计和制造过程中，需要解决有关空气动力学、飞行力学、结构力学、材料力学、制造工艺学等方面的大量复杂问题，必须借助计算机进行解算。随着大型数控绘图机和通用绘图软件的出现，计算机辅助设计和制造已经成为飞行器设计和制造的重要手段。采用人机对话的工作方式，从计算机可以直接输出设计图纸、加工制造所需要的信息，显著缩短研制周期、提高产品质量和降低成本。图1为中国巨型计算机。

飞行器计算机

60年代以来微电子技术和计算机技术迅速发展，特别是70年代微处理机问世以来，数字计算机在飞行器上获得日益广泛的应用。

飞行器计算机的特殊要求

对飞行器计算机有一些特殊的要求，其中主要有：

（1）能承受恶劣的环境条件：如很宽的工作温度范围（飞机上为-60～+60°C，导弹上达-55～+125°C），高达40g的冲击过载，以及振动、潮湿、盐雾、电磁干扰、空间粒子辐射和核辐射等，为此一般需要采用经过严格筛选的军用电子器件。蓝宝石基底的CMOS器件有较高的抗辐射能力，在导弹和航天器计算机中应用较多。

（2）体积小、重量轻和功耗低：这些要求在导弹和卫星上尤为突出。现代飞行器计算机多以大规模或超大规模集成电路微处理机为核心，并已开始采用单片微计算机和二次集成计算机。CMOS器件功耗低、可靠性高，是飞行器计算机的理想器件。

（3）可靠性高：现代飞行器价格昂贵，在飞行中一般无法维修，计算机一旦失灵，会造成严重后果。例如，在采用电传操纵系统的随控布局飞机中，飞行控制计算机完全失效会导致机毁人亡。航天器（如卫星）常在空间工作数年以至更长的时间，这就要求计算机连续工作数万小时不出故障。为了满足极高的可靠性要求，除了严格挑选元、器件之外，还须采用特殊的方法，即余度技术和自检与故障监控技术，采用多个处理机以构成能在一定程度上容忍出错的容错计算机系统。这种计算机能自动检测和诊断故障，自行改组计算机的结构，以便继续工作，故障排除后还能自动恢复。

（4）实时性强：与一般对象比较，飞行器飞行速度快，飞行环境和飞行姿态也瞬息多变，对空作战飞机和导弹的攻击目标也是高速的飞行器，因而飞行器计算机应能进行实时运算。它的数据采样时间间隔一般仅为几毫秒至几十毫秒，计算周期等于采样间隔时间或它的数倍。随着飞行器性能的提高，计算内容不断增加，也要求计算机以更高的速度进行计算。

飞行器计算机体系结构

飞行器上的计算机系统有三种基本结构型式：

（1）独立的单功能计算机：60年代的飞机计算机大多是这种结构型式，即各机载分系统采用独立的、功能单一的计算机，如导航计算机、飞行控制计算机、火力控制计算机、大气数据计算机等。它们大部分是模拟计算机，60年代后期开始采用数字计算机。

（2）集中式计算机系统：如60～70年代的卫星和空间探测器多采用这种结构型式。采用单机或双机冗余的系统集中地或部分集中地完成多种任务。如1975年发射的“海盗”号探测器，在着陆舱中使用了双机冗余的制导与程序控制计算机，集中执行制导与控制、命令处理、能源管理和登上行星后的程序控制等任务。它还使用另一台计算机进行数据采集与处理。

（3）集中分散式分布计算机系统：数字式航空电子信息系统有一台主处理机和一台监控处理机，它们通过多路传输数据总线对整个系统进行总任务调度、出错管理并完成部分其他功能。若干台远距处理机(机载分系统)通过总线的远距终端与主处理机和监控处理机联系（见航空综合系统）。这种系统的研究成果已用在许多方面。现代航天器上也出现了类似的综合系统，也采用集中分散式的分布计算机系统。

飞行器计算机的应用

计算机在飞行器上有十分广泛的用途，如飞机上用计算机进行导航计算、大气数据计算、飞行控制、火力控制、发动机控制、雷达信号处理、电子侦察、电子干扰、通信、性能管理和综合显示等；航天器上用计算机完成轨道控制、姿态控制和天线指向控制，遥控指令译码、指令存贮和分配，遥测、遥感和探测的数据预处理和数据压缩，以及实验仪器的程序控制和实验数据的处理与存贮等；导弹上用计算机实现制导（包括图像匹配制导）、起飞前的测试计算和瞄准计算以及起飞后的实时测试计算和无线电通信管理等。民航客机使用计算机的典型例子如波音757、波音767和A-310，这几种飞机都装备有飞行管理系统，而飞行管理计算机是系统的核心，用于调度系统工作，并兼有性能管理、导航、导引等功能。它通过多路传输数据总线与传感器分系统、飞行控制分系统和控制显示分系统相交联。这种计算机采用适于机载实时计算的 16位SDP-175处理机为中央处理机，外存贮器的容量约500K字节，内部随机存贮器的容量为32K字节。图2为导弹上使用多机计算机系统的典型实例。巡航导弹的位置修正系统是一个图像匹配导航系统，利用雷达系统所获取的地形图像与事先存贮的参考地图作相关处理，以确定导弹的瞬时位置，用于对惯性制导系统进行位置修正。图像相关匹配时，数据量大，要求计算速度极高。如“潘兴”2中程弹道导弹上采用的ASPRO相关处理机，每秒钟能完成1亿次加法，能处理1000亿个2位的图像元素。行星探测器使用计算机的实例如“旅行者”号探测器，它采用了 3套双机冗余的计算机系统：遥控命令与控制系统、姿态控制与稳定系统以及科学仪器控制与数据处理系统。航天飞机采用由5台高性能计算机组成的系统，其中一台用于监督整个系统的工作，另4台采用带有表决器的余度技术，构成非常可靠的计算机系统，以保证安全地完成复杂的载人航天飞行。

发展趋势

60年代后期以来，微电子技术飞跃发展。70年代至80年代初，生产微计算机的主要厂商几乎每两年就推出一种新的微机产品，配套的外围芯片也随之迅速问世。微处理机自70年代初期进入市场以来，已由4位机、8位机、16位机发展到 32位机。这种工艺上的进展为飞行器计算机系统的发展奠定了良好的基础。飞行器计算机的现代趋势是：

（1）采用通用的微处理机和外围芯片。

（2）飞行器计算机系统硬件和软件模块化。

（3）出现多种适于实时系统编程的高级语言，如Ada语言等，可提高软件的通用性。

（4）解决复杂程序编制、调试和管理问题的软件工程。

（5）把容错计算机集成在一个芯片上，进一步提高系统可靠性。

（6）智能计算机(或称知识型计算机)的出现，将为航空航天事业的发展提供更好的条件。

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