民用客機(jī)乘坐品質(zhì)控制技術(shù)分析

摘 要：現(xiàn)代民用客機(jī)普遍采用電傳操縱系統(tǒng)，通常具有多項(xiàng)主動(dòng)控制功能，包括乘坐品質(zhì)控制和陣風(fēng)載荷減緩等。乘坐品質(zhì)控制主要用于改善飛機(jī)的乘坐品質(zhì)，而陣風(fēng)載荷減緩則主要在于減輕飛機(jī)的載荷。首先，對(duì)比乘坐品質(zhì)控制和陣風(fēng)載荷減緩這兩種主動(dòng)控制技術(shù)，從縱向和側(cè)向兩個(gè)方向展開(kāi)，分析它們的控制目標(biāo)和基本機(jī)理，探究其中的共同點(diǎn)和不同點(diǎn)；其次，列舉成熟使用這些主動(dòng)控制技術(shù)的商業(yè)運(yùn)營(yíng)客機(jī)；最后，提出窄體民用客機(jī)乘坐品質(zhì)控制方面的一些問(wèn)題。

關(guān)鍵詞：飛機(jī) 電傳 主動(dòng)控制技術(shù) 乘坐品質(zhì)控制 陣風(fēng)載荷減緩

中圖分類號(hào)：V27 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-098X（2015）08（b）-0130-02

民用客機(jī)在空中飛行時(shí)，通常會(huì)遭遇到各種類型的大氣擾動(dòng)，從而出現(xiàn)上下顛簸、左右搖擺的不期望運(yùn)動(dòng)。氣流變化引起的力和力矩變化會(huì)給飛機(jī)帶來(lái)附加的、不希望的過(guò)載，使其乘坐品質(zhì)明顯地降低，機(jī)翼結(jié)構(gòu)疲勞損傷加劇。為抑制大氣干擾造成的不利影響，引入了乘坐品質(zhì)控制和陣風(fēng)載荷減緩兩種技術(shù)。

顧名思義，乘坐品質(zhì)控制（Riding Control，RC）在于提高飛機(jī)在風(fēng)擾下的乘坐舒適性；而陣風(fēng)載荷減緩（Gust Load Alleviation，GLA）在于減小飛機(jī)受風(fēng)擾時(shí)的承受載荷。

該文分別從縱向和側(cè)向分析了乘坐品質(zhì)控制和陣風(fēng)載荷減緩這兩項(xiàng)技術(shù)的控制目標(biāo)和控制機(jī)理，提出了乘坐品質(zhì)控制研究的一些需要關(guān)注問(wèn)題。研究結(jié)果可供民用客機(jī)主動(dòng)控制技術(shù)研究時(shí)參考。

1 乘坐品質(zhì)控制和陣風(fēng)載荷減緩技術(shù)對(duì)比

1.1 縱向

對(duì)于縱向而言，乘坐品質(zhì)控制與陣風(fēng)載荷減緩的對(duì)比。（見(jiàn)表1）

它們的基本原理是一樣的，都是通過(guò)操縱額外的主動(dòng)控制舵面偏轉(zhuǎn)，來(lái)控制飛機(jī)的過(guò)載。乘坐品質(zhì)控制通過(guò)主動(dòng)控制技術(shù)來(lái)減小沿飛機(jī)機(jī)身分布的附加過(guò)載，從而提高機(jī)上乘員在大氣擾動(dòng)下的舒適性；而陣風(fēng)載荷減緩則利用主動(dòng)控制技術(shù)來(lái)減小大氣擾動(dòng)引起的沿飛機(jī)翼展分布的附加過(guò)載，從而減小機(jī)翼彎矩并減小結(jié)構(gòu)載荷。

針對(duì)正、負(fù)過(guò)載兩種情況，乘坐品質(zhì)控制均可削弱飛機(jī)的過(guò)載響應(yīng)，并提高乘坐舒適性，但是在負(fù)過(guò)載情況下反而會(huì)增大翼根彎矩。解釋如下：主動(dòng)控制舵面通常是副翼（如Airbus320飛機(jī)），當(dāng)法向過(guò)載小于1時(shí)，此時(shí)為負(fù)過(guò)載情況，要求副翼下偏產(chǎn)生升力來(lái)增加法向過(guò)載，那么單側(cè)機(jī)翼升力作用點(diǎn)外移，力臂增大，雖然整體升力仍可能小于配平升力，但力臂增大的作用更強(qiáng)，因此機(jī)翼翼根彎矩有所增加。對(duì)于陣風(fēng)載荷減緩，由于正過(guò)載造成了機(jī)翼翼根彎矩的增加，而負(fù)過(guò)載未引起翼根彎矩的增加，因此其只針對(duì)正過(guò)載情況（如Airbus320飛機(jī)的縱向陣風(fēng)載荷減緩功能只處理上升突風(fēng)情況），那么它可減小正過(guò)載時(shí)的翼根彎矩和改善此時(shí)的乘坐品質(zhì)。

另外，上述二種控制的目標(biāo)和關(guān)注點(diǎn)是不同的：乘坐品質(zhì)控制是以減小飛機(jī)沿機(jī)身不同處的過(guò)載為控制目標(biāo)，即關(guān)注乘員的受載感受，主要用于減小風(fēng)擾條件下的機(jī)上所有乘員受到的過(guò)載；陣風(fēng)載荷減緩則是以降低飛機(jī)機(jī)翼，特別是翼根處的載荷為控制目標(biāo)，即從減小機(jī)翼結(jié)構(gòu)受載的角度出發(fā)，主要用于減小風(fēng)擾時(shí)的機(jī)翼彎曲力矩。

綜上，乘坐品質(zhì)控制可全面提高飛機(jī)的乘坐舒適性，但會(huì)增大負(fù)過(guò)載時(shí)的翼根彎矩，控制設(shè)計(jì)與應(yīng)用相對(duì)復(fù)雜，使用成本相對(duì)較高；陣風(fēng)載荷減緩技術(shù)可減小翼根彎矩，部分提高飛機(jī)的乘坐舒適性，且控制設(shè)計(jì)與應(yīng)用簡(jiǎn)單，使用成本較低。因此，現(xiàn)役成熟民用客機(jī)在縱向多采用了陣風(fēng)載荷減緩飛行控制技術(shù)。

1.2 側(cè)向

對(duì)于側(cè)向而言，主動(dòng)控制舵面通常是方向舵（如Boeing777飛機(jī)），當(dāng)遭遇右側(cè)風(fēng)（即負(fù)過(guò)載情況），為減小尾部正向角加速度引起的負(fù)過(guò)載和垂尾載荷，都要求方向舵左偏；正過(guò)載情況類似。

由此可以推斷，乘坐品質(zhì)控制和陣風(fēng)載荷減緩對(duì)于正、負(fù)過(guò)載情況的處理（方向舵偏轉(zhuǎn)指令）都是一致的。兩者的功能特點(diǎn)也類似——減小結(jié)構(gòu)載荷和改善乘坐品質(zhì)，只是控制目標(biāo)和關(guān)注點(diǎn)不同：乘坐品質(zhì)控制側(cè)重于改善乘坐品質(zhì)，而陣風(fēng)載荷減緩側(cè)重于減小結(jié)構(gòu)載荷。

現(xiàn)役成熟民用客機(jī)在側(cè)向普遍采用了陣風(fēng)載荷減緩飛行控制技術(shù)，這主要可能是在飛機(jī)設(shè)計(jì)時(shí)更多地考慮其經(jīng)濟(jì)性，以減小整機(jī)結(jié)構(gòu)重量為主要目標(biāo)。當(dāng)然，該技術(shù)也在一定程度上改善了飛機(jī)的側(cè)向乘坐品質(zhì)。

1.3 應(yīng)用實(shí)例

如表2所示，兩大民用航空制造巨頭——空中客車公司和波音公司已成熟地將陣風(fēng)載荷減緩技術(shù)分別應(yīng)用于Airbus320系列和Boeing777系列飛機(jī)，前者采用了縱向陣風(fēng)載荷減緩系統(tǒng)[1]，后者除具有縱向陣風(fēng)減緩控制功能外，還設(shè)計(jì)有側(cè)向突風(fēng)阻尼器[2-3]。文獻(xiàn)[4]提及空中客車公司的最新運(yùn)營(yíng)機(jī)型Airbus380也實(shí)現(xiàn)了陣風(fēng)載荷減緩技術(shù)的應(yīng)用，但具體的控制原理不詳，在此不作介紹。波音公司最新投入運(yùn)營(yíng)的Boeing787中型飛機(jī)既有垂直陣風(fēng)抑制功能（Vertical Gust Suppression）又有側(cè)向陣風(fēng)抑制功能（Lateral Gust Suppression）[5-6]，它通過(guò)大量布置的傳感器、加速度計(jì)等檢測(cè)紊流干擾下的響應(yīng)來(lái)驅(qū)使升降舵、副翼和方向舵等操縱面偏轉(zhuǎn)，足以抵抗中等紊流的干擾（見(jiàn)圖1），使乘客獲得能與Boeing747和Airbus380等大型飛機(jī)相媲美、甚至超越這些大型飛機(jī)的飛行體驗(yàn)。

國(guó)外的先進(jìn)民用客機(jī)制造商相當(dāng)重視這一主動(dòng)控制技術(shù)的應(yīng)用。盡管乘坐品質(zhì)控制和陣風(fēng)載荷減緩的目的不一樣，但是，它們的技術(shù)原理和功能有所類似，都可消除飛機(jī)由于大氣擾動(dòng)所引起的附加過(guò)載，所以兩者是密不可分的。在一些研究和應(yīng)用中，將乘坐品質(zhì)控制歸屬于陣風(fēng)載荷減緩的功能之內(nèi)，或者說(shuō)飛機(jī)同時(shí)具有這二項(xiàng)功能，如Airbus320/380、Boeing777/787飛機(jī)的陣風(fēng)載荷減緩系統(tǒng)也具有改善乘坐舒適性的作用。

2 乘坐品質(zhì)控制研究問(wèn)題

民用客機(jī)在高空巡航飛行時(shí)常常會(huì)遭遇到異常的大氣擾動(dòng)，產(chǎn)生不希望的過(guò)載變化，由此降低駕駛員和乘客的乘坐舒適性。因此，需要研究解決民用客機(jī)的乘坐品質(zhì)控制問(wèn)題。

首先，飛機(jī)是一個(gè)龐大的結(jié)構(gòu)體，具有一定的彈性，其在空中飛行時(shí)受外載荷的作用要產(chǎn)生一定的變形，開(kāi)展窄體客機(jī)的乘坐品質(zhì)控制設(shè)計(jì)研究時(shí)采用剛性模型還是彈性模型是必須首先研究確定的。

其次，根據(jù)已有研究資料，窄體客機(jī)在風(fēng)擾時(shí)的過(guò)載響應(yīng)特性、乘坐品質(zhì)尚不明確，是否必須采用乘坐品質(zhì)控制技術(shù)也是一個(gè)亟待論證的問(wèn)題。

再次，窄體客機(jī)在縱向和側(cè)向分別采用何種控制方案是需要深入研究解決的又一個(gè)問(wèn)題。

最后，現(xiàn)有參考資料表明，Airbus320飛機(jī)由于其擾流板和僅上偏的副翼只具有卸載升力的作用，只能處理上升突風(fēng)引起的法向過(guò)載增加問(wèn)題，因此窄體客機(jī)縱向乘坐品質(zhì)控制功能采用什么控制面來(lái)應(yīng)對(duì)能夠產(chǎn)生上升、下降載荷的垂直紊流，也是需要解決的一個(gè)問(wèn)題。

3 結(jié)論

通過(guò)以上的對(duì)比分析，可以得出以下結(jié)論。

（1）乘坐品質(zhì)控制側(cè)重于改善飛機(jī)的乘坐品質(zhì)；

（2）陣風(fēng)載荷減緩側(cè)重于減小飛機(jī)的結(jié)構(gòu)載荷；

（3）民用客機(jī)乘坐品質(zhì)控制研究中需要解決飛機(jī)的運(yùn)動(dòng)模型、應(yīng)用必要性以及控制設(shè)計(jì)原理等問(wèn)題。

參考文獻(xiàn)

[1]Ford T.Continuing wing production[J].Aircraft Engineering and Aerospace Technology.1998，70（1）：1-14.

[2]Bryant W.F.，Nadkarni A.A.， Salo P.Method and apparatus for reducing unwanted sideways motion in the aft cabin and roll-yaw upsets of an airplane due to atmospheric turbulence and wind gusts[P].USA：EP95203268A，1997.

[3]Yeh Y.C.Triple-triple reduant 777 primary flight computer[C]// 1996.

[4]趙晶慧，余圣暉.民機(jī)陣風(fēng)減緩技術(shù)分析[J].國(guó)際航空，2011：66-68.

[5]Dodt T.Introducing the 787- effect on major investigations and interesting tidbits[Z].ISASI， 2011.

[6]邱岳恒，章衛(wèi)國(guó)，趙鵬軒，等.側(cè)向陣風(fēng)作用下乘坐品質(zhì)控制律設(shè)計(jì)[J].飛行力學(xué)，2013，31（5）：420-424.