飛機(jī)操縱系統(tǒng)

張義光　雷　俊　王軍華

假如你是一名航空愛(ài)好者,你一定不會(huì)忘記飛行表演那激動(dòng)人心的精彩瞬間:一架架戰(zhàn)鷹進(jìn)而猶如離弦之箭怒刺蒼穹,時(shí)而又如妙齡少女翩翩起舞;時(shí)而猶如雄鷹展翅搏擊長(zhǎng)空,時(shí)而又如雄鷹捕食直撲大地……

面對(duì)如此精彩的飛行表演,我們?cè)谟芍缘刭潎@藍(lán)天驕子高超的飛行技術(shù)和征服藍(lán)天的大無(wú)畏精神的同時(shí),是否意識(shí)到這也是由于飛機(jī)具有良好的氣動(dòng)布局和可靠的操縱系統(tǒng)的結(jié)果。

操縱系統(tǒng)在飛機(jī)飛行中起著至關(guān)重要的作用,如果沒(méi)有操縱系統(tǒng),飛機(jī)將不受人的控制,當(dāng)然也就無(wú)法完成各種飛行動(dòng)作。事實(shí)上,所有飛機(jī)(無(wú)論是有人駕駛飛機(jī)還是無(wú)人駕駛飛機(jī))都具有完整、有效和可靠的操縱系統(tǒng),其功用就是用來(lái)傳遞操縱指令,偏轉(zhuǎn)舵面,使飛機(jī)改變或保持一定的飛行狀態(tài)。

飛機(jī)的操縱系統(tǒng)隨著飛機(jī)的發(fā)明而誕生,并經(jīng)歷了一個(gè)從簡(jiǎn)單到復(fù)雜的不斷完善過(guò)程。從其發(fā)展來(lái)看,飛機(jī)的操縱系統(tǒng)經(jīng)歷了幾個(gè)發(fā)展階段。

簡(jiǎn)單機(jī)械操縱系統(tǒng)

早期的飛機(jī)由于尺寸比較小,飛行速度也不快,其操縱系統(tǒng)相對(duì)比較簡(jiǎn)單,一般采用鋼索、扇形齒輪傳動(dòng),即所謂的軟式操縱(如圖1所示)。軟式操縱系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、尺寸小、重量輕的特點(diǎn),但同時(shí)也存在著易變形,操縱靈敏度差的不足。為此在軟式操縱的基礎(chǔ)上又發(fā)展了硬式操縱(如圖2所示),即將軟式操縱系統(tǒng)中的鋼索、扇形輪,用拉桿、搖臂代替,減小了操縱的延遲時(shí)間,提高了操縱的靈敏度、精確度和可靠性。

無(wú)論是軟式操縱還是硬式操縱,各舵面上氣動(dòng)力形成的鉸鏈力矩,都完全靠飛行員施加于駕駛桿和腳蹬上的操縱力加以平衡,這樣的操縱系統(tǒng)統(tǒng)稱為簡(jiǎn)單機(jī)械操縱系統(tǒng)(如圖3所示)。為了減輕飛行員的負(fù)擔(dān),自第一次世界大戰(zhàn)開(kāi)始,許多飛機(jī)在升降舵上設(shè)計(jì)了調(diào)整片,即在舵面后緣附加一塊操縱面,飛行員通過(guò)它向舵面偏轉(zhuǎn)的反方向偏轉(zhuǎn)一定的角度,利用它產(chǎn)生的氣動(dòng)力矩來(lái)平衡舵面上的氣動(dòng)鉸鏈力矩,從而使駕駛桿上所需的操縱力減小或消除,以減輕飛行員在穩(wěn)定飛行時(shí)的負(fù)擔(dān)。調(diào)整片最旱出現(xiàn)在升降舵上,后來(lái)被廣泛用于副翼和方向舵上。

可助力操縱系統(tǒng)階段

隨著航空工業(yè)的發(fā)展,飛機(jī)的尺寸和重量不斷增大,飛行速度不斷提高,舵面上形成的鉸鏈力矩也越來(lái)越大,所需的操縱力也隨之增大,飛行員直接通過(guò)鋼索或連桿去操縱舵面變得十分困難。于是在40年代末出現(xiàn)了助力操縱系統(tǒng)(如圖4所示)。即在操縱系統(tǒng)中并聯(lián)一個(gè)助力器,氣動(dòng)力由助力器和飛行員共同承受,從而使桿力大大減小。

早期的助力操縱系統(tǒng)大多采用有回力式的助力器,即所謂的可逆助力操縱系統(tǒng),并且只在升降舵上使用。舵面鉸鏈力矩通過(guò)助力系統(tǒng)按一定的比例傳回駕駛桿,形成飛行員感受到的桿力。

不可逆助力操縱系統(tǒng)階段

隨著飛機(jī)飛行速度的進(jìn)一步增大,特別是飛行速度達(dá)到超音速以后,由于飛行速度和高度變化范圍很大,作用在舵面上的氣動(dòng)力大小及其壓力中心位置變化很大,舵面上的氣動(dòng)力無(wú)論以什么比例傳到駕駛桿上都不合適,有時(shí)甚至?xí)纬蓷U力反向,造成飛行員難以操縱,從而使飛機(jī)的飛行品質(zhì)下降。那么,怎樣來(lái)解決這一問(wèn)題呢?

第二次世界大戰(zhàn)后不久,助力操縱系統(tǒng)就采用了無(wú)回力式助力系統(tǒng),也稱全助力操縱系統(tǒng)(如圖5所示),即駕駛桿不再與舵面發(fā)生直接的機(jī)械聯(lián)系,舵面鉸鏈力矩也就不能傳回駕駛桿。但這樣又出現(xiàn)了新的問(wèn)題:由于采用無(wú)回力助力器,使飛行員在操縱飛機(jī)的過(guò)程中失去了力的感覺(jué),這就使得飛行員不能根據(jù)操縱力的變化準(zhǔn)確地把握操縱量,準(zhǔn)確地操縱飛機(jī)也就變得更加困難。

為了解決這個(gè)問(wèn)題,在無(wú)回力助力系統(tǒng)中增加了載荷感覺(jué)機(jī)構(gòu),即桿力模擬裝置,以提供力的感覺(jué)。用這一裝置模擬桿力,使飛行員能夠按照正常習(xí)慣對(duì)飛機(jī)實(shí)施操縱,桿力也大小適中,不至于大速度桿力過(guò)大、小速度桿力太小,讓飛行員感到無(wú)所適從。

隨著飛機(jī)的不斷發(fā)展,副翼和方向舵操縱也采用了助力器。為了進(jìn)一步提高操縱性,許多飛機(jī)還在平尾操縱系統(tǒng)中增設(shè)了力臂調(diào)節(jié)器,在副翼和方向舵操縱系統(tǒng)上采用了非線性操縱機(jī)構(gòu)。

在平尾操縱系統(tǒng)中增設(shè)力臂調(diào)節(jié)器的原因是,由于現(xiàn)代飛機(jī)的飛行速度和高度范圍都比較大,單位過(guò)載平尾偏角的變化比較復(fù)雜:在低空大表速飛行時(shí),操縱容易過(guò)于靈敏;而在高空小表速飛行時(shí),操縱又會(huì)過(guò)于遲鈍、沉重。但是根據(jù)飛行員的操縱習(xí)慣,操縱系統(tǒng)則應(yīng)該滿足這樣的要求,即無(wú)論在什么條件下飛行,使飛機(jī)作同樣的機(jī)動(dòng)動(dòng)作所需用的操縱量應(yīng)大致相同。為了解決這一問(wèn)題,就在平尾操縱系統(tǒng)中設(shè)置了一個(gè)根據(jù)飛行高度和表速自動(dòng)改變操縱傳動(dòng)比的力臂調(diào)節(jié)器。

在副翼和方向舵操縱系統(tǒng)采用非線性機(jī)構(gòu),是因?yàn)楣潭▊鲃?dòng)比的操縱系統(tǒng)不能滿足高速飛機(jī)對(duì)操縱系統(tǒng)的要求,在亞音速大表速飛行時(shí),操縱面效率比較高,操縱飛機(jī)所用的舵偏角比較小;而在小表速或超音速飛行時(shí),操縱面效率比較低,操縱飛機(jī)所用的舵偏角往往比較大。如果此時(shí)采用線性操縱系統(tǒng),即桿位移、腳蹬位移與副翼、方向舵偏角之間的傳動(dòng)比為固定值,那么就會(huì)造成飛機(jī)在大表速飛行時(shí)操縱過(guò)于靈敏,飛行員操縱容易過(guò)量;而在小表速或超音速飛行時(shí),由于所需舵偏角過(guò)大,所以又會(huì)造成操縱遲鈍。采用按駕駛桿或腳蹬偏離中立位置的行程,來(lái)改變傳動(dòng)比的非線性機(jī)構(gòu)就解決了這一問(wèn)題,從而改善了操縱系統(tǒng)的操縱性能。

對(duì)于無(wú)回力助力操縱系統(tǒng),飛行員感受到的桿力、腳蹬力,是來(lái)自桿力(腳蹬力)模擬器,而不是舵面鉸鏈力矩。為了減輕飛行員的負(fù)擔(dān),在必要的時(shí)候,如在較長(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)定狀態(tài)飛行時(shí),可卸除這個(gè)力,通常的作法是在飛機(jī)的操縱系統(tǒng)中裝一個(gè)調(diào)整片效用機(jī)構(gòu)(簡(jiǎn)稱調(diào)效機(jī)構(gòu)),這樣便可減輕飛行員的負(fù)擔(dān)。

增穩(wěn)系統(tǒng)階段

隨著飛行速度和飛行高度的增加,飛機(jī)的空氣動(dòng)力特性變化很大,飛機(jī)的穩(wěn)定性和操縱品質(zhì)會(huì)受到很大的影響。如高速飛機(jī)在高空超音速飛行時(shí),由于縱向短周期阻尼比不足,使得飛機(jī)在高空超音速飛行時(shí)出現(xiàn)自動(dòng)“點(diǎn)頭”的現(xiàn)象。如果沒(méi)有自動(dòng)控制系統(tǒng)的協(xié)助,高速飛機(jī)在高空飛行時(shí),因穩(wěn)定性變差,飛機(jī)還很容易產(chǎn)生俯仰振蕩和側(cè)向振蕩(飛行員稱之為飄擺),使飛行員操縱飛機(jī)相當(dāng)困難。為了減輕飛行員的負(fù)擔(dān),提高飛機(jī)的飛行品質(zhì),后來(lái)的飛機(jī)就在操縱系統(tǒng)中安裝了自動(dòng)增穩(wěn)裝置,使操縱系統(tǒng)又從無(wú)回力助力系統(tǒng)發(fā)展到了增穩(wěn)系統(tǒng)(如圖6所示)。該系統(tǒng)可通過(guò)修正飛機(jī)的氣動(dòng)力響應(yīng)特性來(lái)提高飛機(jī)穩(wěn)定性,改善飛行員對(duì)飛機(jī)的操縱。增穩(wěn)系統(tǒng)由傳感器、校正網(wǎng)絡(luò)、放大器、舵機(jī)和飛機(jī)機(jī)體組成,是一個(gè)具有一定增益的反饋系統(tǒng),可大大提高飛機(jī)的飛行穩(wěn)定性。它與機(jī)械操縱相互獨(dú)立,既能自動(dòng)操縱飛機(jī),又不妨礙飛行員的操縱。

控制增穩(wěn)系統(tǒng)階段

飛機(jī)加裝了增穩(wěn)系統(tǒng)以后,在提高飛機(jī)穩(wěn)定性的同時(shí),在一定程度上使飛機(jī)的操縱性有所下降,即削弱了飛機(jī)的機(jī)動(dòng)能力。為了克服這一缺點(diǎn),在60年代又出現(xiàn)了控制增穩(wěn)系統(tǒng)(如圖7所示),即在增穩(wěn)系統(tǒng)的基礎(chǔ)上引入增控通道來(lái)提高飛機(jī)的操縱性,使飛機(jī)的飛行品質(zhì)得到改善。和增穩(wěn)系統(tǒng)相比,控制增穩(wěn)系統(tǒng)在提高抗干擾能力、增強(qiáng)飛機(jī)穩(wěn)定性方面與增穩(wěn)系統(tǒng)一致,而在操縱性方面則大大優(yōu)于增穩(wěn)系統(tǒng),幾乎同時(shí)滿足了飛機(jī)對(duì)穩(wěn)定性和操縱性的要求?？刂圃龇€(wěn)系統(tǒng)就是在飛機(jī)增穩(wěn)系統(tǒng)的基礎(chǔ)上增加了指令模型及其附件(如桿力傳感器)構(gòu)成的。在控制增穩(wěn)系統(tǒng)中,飛行員的操縱可分兩路輸出使舵面偏轉(zhuǎn)。一路是通過(guò)不可逆助力操縱系統(tǒng),即機(jī)械通道使舵面偏轉(zhuǎn);另一路由桿力傳感器的輸出信號(hào)經(jīng)指令模型形成操縱特性所要求的信號(hào),通過(guò)放大器、舵機(jī)和助力器使舵面偏轉(zhuǎn)。桿力傳感器和指令模型所組成的反饋通道能增大系統(tǒng)傳遞系數(shù),可選擇較高的反饋增益,功能多于增穩(wěn)系統(tǒng)。它在改善飛機(jī)操縱性、穩(wěn)定性方面,比增穩(wěn)系統(tǒng)有顯著提高,有利于提高飛機(jī)攻擊時(shí)的跟蹤和瞄準(zhǔn)精度。

準(zhǔn)電傳操縱系統(tǒng)階段

帶控制增穩(wěn)系統(tǒng)的飛機(jī)的穩(wěn)定性和操縱性比帶增穩(wěn)系統(tǒng)的飛機(jī)要好,也比帶無(wú)回力助力操縱系統(tǒng)的飛機(jī)要好。但是,由于控制增穩(wěn)系統(tǒng)是在不可逆助力操縱系統(tǒng)的基礎(chǔ)上通過(guò)復(fù)合搖臂引入增穩(wěn)回路和電氣增控通道形成的,這就使得控制增穩(wěn)系統(tǒng)也存在著諸多問(wèn)題:首先,由于保留了機(jī)械通道,使系統(tǒng)不僅結(jié)構(gòu)復(fù)雜,而且結(jié)構(gòu)重量和所占空間也較大;其次,由于復(fù)合搖臂至助力器分油活門(mén)之間的機(jī)械系統(tǒng)存在著慣性、摩擦,以及分油活門(mén)的摩擦力和液壓動(dòng)力的綜合作用,會(huì)導(dǎo)致力反傳;第三,由于舵機(jī)和助力器的輸出速度不一致,會(huì)導(dǎo)致功率反傳,引起駕駛桿的助力器輸入端的瞬時(shí)碰撞振蕩等。同時(shí),出于安全性的考慮,控制增穩(wěn)系統(tǒng)的權(quán)限不是很大,一般不超過(guò)舵面最大偏角的30%。電氣通道的增益不能很大,這就使得控制增穩(wěn)系統(tǒng)本質(zhì)上還是屬于機(jī)械操縱系統(tǒng)的范疇。后來(lái),設(shè)計(jì)者在控制增穩(wěn)系統(tǒng)中增加了一個(gè)離合器,使機(jī)械系統(tǒng)在不使用時(shí)斷開(kāi)而發(fā)展成了準(zhǔn)電傳操縱系統(tǒng)(如圖8所示)。在準(zhǔn)電傳操縱系統(tǒng)的電氣操縱系統(tǒng)中引入了飛行狀態(tài)參數(shù)控制信號(hào),同時(shí)仍保留了機(jī)械備份操縱系統(tǒng),以確保飛行的安全可靠性。

電傳操縱系統(tǒng)階段

將準(zhǔn)電傳操縱系統(tǒng)中的機(jī)械通道完全去掉,把全部權(quán)限交給控制增穩(wěn)操縱系統(tǒng)的、帶飛機(jī)狀態(tài)反饋的電氣操縱系統(tǒng),就是純電傳操縱系統(tǒng)(如圖9所示)。60年代中期,隨著計(jì)算機(jī)、微處理機(jī)的發(fā)展和現(xiàn)代控制理論以及余度技術(shù)的日趨成熟,制造可靠性高的電傳操縱系統(tǒng)就有了可能性。

所謂余度技術(shù),就是用幾套可靠性不夠高的系統(tǒng)執(zhí)行同一指令、完成同一工作任務(wù),構(gòu)成多重系統(tǒng),也稱余度系統(tǒng)。在余度系統(tǒng)中,各個(gè)部分都具有故障監(jiān)控和信號(hào)表決能力,一旦系統(tǒng)或系統(tǒng)中的一部分出現(xiàn)故障,系統(tǒng)本身具有故障隔離和自動(dòng)切除故障信號(hào)的能力。當(dāng)系統(tǒng)中出現(xiàn)一個(gè)或數(shù)個(gè)故障時(shí),系統(tǒng)則具有重新組織余下完好部分執(zhí)行指令、完成任務(wù)的能力。目前電傳操縱系統(tǒng)大多采用具有雙故障/工作能力的四余度系統(tǒng)。

F-16戰(zhàn)斗機(jī)是世界上現(xiàn)役飛機(jī)中第一種具有電傳操縱系統(tǒng)的飛機(jī),它采用的是四余度模擬式電傳操縱系統(tǒng)。該系統(tǒng)具有以下特點(diǎn):在飛機(jī)的縱向放寬了靜穩(wěn)定度,提高了飛機(jī)的機(jī)動(dòng)性;在飛機(jī)的三軸方向上同時(shí)實(shí)施控制增穩(wěn),提供了精確控制和極好的操縱品質(zhì);具有雙故障/工作的故障等級(jí),安全性和完成任務(wù)的成功概率很高;能自動(dòng)限制迎角、過(guò)載,飛行員可以“無(wú)顧忌”地發(fā)揮飛機(jī)的最大能力,而不必?fù)?dān)心因疏忽或操縱失誤造成失速;機(jī)內(nèi)具有自檢能力,能使為保證操縱系統(tǒng)處于良好的飛行準(zhǔn)備狀態(tài)的停飛維護(hù)時(shí)間大大縮短。

電傳操縱系統(tǒng)可分為模擬式電傳操縱系統(tǒng)和數(shù)字式電傳操縱系統(tǒng)兩種,現(xiàn)在大多數(shù)帶電傳操縱系統(tǒng)的飛機(jī)采用的是模擬式系統(tǒng)。數(shù)字式電傳操縱系統(tǒng)與摸擬式的相比,具有更高的靈活性,容易實(shí)現(xiàn)多種邏輯運(yùn)算和電子綜合化,尤其是容易與自動(dòng)駕駛儀、火控系統(tǒng)、導(dǎo)航系統(tǒng)、推力控制等交聯(lián),從而使飛機(jī)的飛行性能和攻擊精度獲得明顯的提高,這也使數(shù)字式電傳操縱系統(tǒng)成為電傳操縱系統(tǒng)的主要發(fā)展方向的原因。目前美國(guó)的F-18戰(zhàn)斗機(jī)、英國(guó)的“美洲虎”戰(zhàn)斗機(jī)以及空中客車(chē)公司的A320都采用了數(shù)字式電傳操縱系統(tǒng)。

電傳操縱系統(tǒng)除了采用余度技術(shù)而獲得了較高的可靠性外,還具有許多優(yōu)點(diǎn):首先由于使用導(dǎo)線代替了機(jī)械傳動(dòng)的傳動(dòng)桿、鋼索等,使得系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)重量減輕,節(jié)約了空間,安裝容易,維護(hù)方便,設(shè)計(jì)飛機(jī)時(shí)布局也更加靈活;其次是消除了機(jī)械操縱系統(tǒng)的摩擦、滯后等現(xiàn)象,使飛機(jī)操縱性得到改善,并且杜絕了機(jī)械操縱系統(tǒng)易受彎曲、熱膨脹等飛機(jī)結(jié)構(gòu)變形的影響;再次就是電傳操縱系統(tǒng)為飛行員提供了微調(diào)控制能力,使操縱精度大大提高;電傳操縱系統(tǒng)簡(jiǎn)化了操縱系統(tǒng)與自動(dòng)器的組合,使自動(dòng)化飛行很容易實(shí)現(xiàn)。

光傳操縱系統(tǒng)階段

由于單通道的電傳系統(tǒng)可靠性不高,所以在設(shè)計(jì)上必須采用余度技術(shù),這就使系統(tǒng)的成本增加了很多。而且,電傳操縱系統(tǒng)在使用過(guò)程中還容易受到雷擊、電磁脈沖波和核輻射的干擾?，F(xiàn)代飛機(jī)越來(lái)越多地采用復(fù)合材料,也使得系統(tǒng)中的電子元件失去金屬蒙皮的屏蔽保護(hù),抗電磁干擾和抗核輻射的問(wèn)題就顯得更為突出。用光纖代替電纜作傳輸元件,用光信號(hào)代替電信號(hào),就不存在上述問(wèn)題,并可以提高系統(tǒng)的生存力。再者光纖系統(tǒng)還具有傳輸容量大、重量輕、能耗低等優(yōu)點(diǎn)。由于光纖技術(shù)和數(shù)字式電傳操縱系統(tǒng)的發(fā)展,而引發(fā)出了一種全新的操縱系統(tǒng)——光傳操縱系統(tǒng),簡(jiǎn)稱FBL(Fly-by-Light)。從功能來(lái)說(shuō),光傳操縱系統(tǒng)就是應(yīng)用光纖技術(shù)實(shí)現(xiàn)信號(hào)傳遞的操縱系統(tǒng)。這種系統(tǒng)目前還存在強(qiáng)度、成本問(wèn)題,地面環(huán)境試驗(yàn)問(wèn)題以及光纖維和飛機(jī)結(jié)構(gòu)組合等問(wèn)題。目前,美國(guó)將在A7-D、B-47飛機(jī)的電傳操縱系統(tǒng)中,把四余度的電傳操縱系統(tǒng)中的一個(gè)通道,換成光導(dǎo)傳輸進(jìn)行試驗(yàn)。相信隨著科學(xué)的發(fā)展、技術(shù)的進(jìn)步,這些問(wèn)題會(huì)在不遠(yuǎn)的將來(lái)得到很好解決,光傳操縱系統(tǒng)也將成為未來(lái)飛機(jī)操縱系統(tǒng)的主流。

當(dāng)然,隨著現(xiàn)代高新科學(xué)技術(shù)的不斷向前發(fā)展,未來(lái)飛機(jī)的操縱系統(tǒng)也許會(huì)超出我們現(xiàn)在的理解和概念,特別是納米技術(shù)的進(jìn)步,必將為未來(lái)飛機(jī)操縱系統(tǒng)的發(fā)展開(kāi)拓更為廣闊的前景。

責(zé)任編輯:空友 ■