讓飛機(jī)自己飛

沈海軍

操縱系統(tǒng)在飛機(jī)的飛行中起著至關(guān)重要的作用，沒有操縱系統(tǒng)，飛機(jī)將不受人為控制，當(dāng)然也就無法完成各種飛行動(dòng)作。事實(shí)上，無論是有人駕駛飛機(jī)，還是無人駕駛飛機(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)。

很多影視作品中都有這樣的鏡頭：機(jī)長操縱飛機(jī)起飛到一定高度后，開啟自動(dòng)駕駛儀，接著便在駕駛艙內(nèi)悠閑地品著咖啡，和副機(jī)長聊天……看到這里，讀者肯定會(huì)問，當(dāng)飛行員也太悠閑了吧？既然飛機(jī)的自動(dòng)駕駛系統(tǒng)那么神奇，還要飛行員干嘛？

這里，就讓我們來一起追溯飛機(jī)操縱與自動(dòng)駕駛的發(fā)展歷程，并在其中尋找上述問題的答案。

航空史上，在萊特兄弟之前，德國工程師和滑翔飛行家李林塔爾的名字無疑是最偉大的;他是首位通過“擺動(dòng)身體”實(shí)現(xiàn)飛行操控的人。李林塔爾在航空史上被譽(yù)為“滑翔機(jī)之父”，其最大貢獻(xiàn)就是最早成功研制了滑翔機(jī)。

試飛中，李林塔爾用雙臂將自己支撐在滑翔機(jī)內(nèi)，順著山坡一路狂奔;滑翔機(jī)起飛后，他的臀部和腿懸掛在滑翔機(jī)外，以便能向任何方向擺動(dòng)身體，從而保持飛機(jī)的穩(wěn)定性并調(diào)整飛行姿態(tài)。1895年，李林塔爾甚至專門研制了一種用來操縱后升降舵的背帶，用于提高身體擺動(dòng)的效率，方便改變滑翔機(jī)的重心，操縱飛機(jī)的升降。

在一次試飛中，李林塔爾不幸遇難，但他的飛行經(jīng)驗(yàn)直接促成了萊特兄弟的成功。1903年，萊特兄弟的“飛行者”1號(hào)一飛沖天，開啟了航空史的新紀(jì)元。萊特兄弟的成就無疑是巨大的，其最偉大的貢獻(xiàn)之一，就在于開發(fā)了固定翼飛機(jī)的操縱系統(tǒng)。在“飛行者”1號(hào)中，萊特兄弟不再通過“擺動(dòng)身體”來操控飛機(jī)。他們?cè)谘芯慨?dāng)時(shí)的飛行器操縱理論時(shí)，無意間扭曲了自家自行車店內(nèi)的一個(gè)光柱箱，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，柔性的光柱箱發(fā)生了扭曲變形。于是，他們靈機(jī)一動(dòng)，將自己的飛機(jī)也設(shè)計(jì)成柔性機(jī)翼，并加裝可偏轉(zhuǎn)的舵面。這樣一來，飛行員可以通過操縱鋼索改變飛機(jī)的氣動(dòng)性能和飛行姿態(tài)。這一結(jié)果對(duì)于解決可控飛行而言，是一個(gè)全新的開始。

飛機(jī)的“三軸控制”是萊特兄弟在成功之路上至關(guān)重要的突破性發(fā)明，飛行員因此可以更高效地操縱飛行器并保持平衡。所謂“三軸”，是指飛機(jī)的俯仰、橫滾以及航向等3個(gè)方向上的運(yùn)動(dòng);“三軸控制”是指利用飛機(jī)的升降舵、副翼（由萊特兄弟飛機(jī)機(jī)翼的撓曲演化而來）、方向舵等舵面分別操縱飛機(jī)的俯仰、橫滾和航向。

包括“飛行者”1號(hào)在內(nèi)的早期飛機(jī)，由于尺寸較小，飛行速度也不快，操縱系統(tǒng)相對(duì)簡單，大多采用鋼索、滑輪傳動(dòng)等所謂軟式機(jī)械來操縱舵面的偏轉(zhuǎn)，改變飛行姿態(tài)。軟式機(jī)械操縱系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)簡單、尺寸小、重量輕等優(yōu)點(diǎn);但同時(shí)也存在著易變形、操縱靈敏度差等不足。為此，人們?cè)谲浭綑C(jī)械操縱的基礎(chǔ)上發(fā)展出了硬式機(jī)械操縱，即用拉桿、搖臂代替鋼索、滑輪，從而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。至今，這種硬式機(jī)械操縱系統(tǒng)仍在許多小型運(yùn)動(dòng)飛機(jī)、老款戰(zhàn)斗機(jī)中廣泛應(yīng)用。

隨著航空業(yè)的發(fā)展，飛行器的尺寸和重量不斷增大，飛行速度不斷提高，舵面上形成的氣動(dòng)力越來越大，操縱飛機(jī)所需要的力量也隨之增大，直接通過鋼索或連桿操縱舵面變得十分困難。于是，在20世紀(jì)40年代末，出現(xiàn)了助力操縱系統(tǒng)。

和先前純機(jī)械系統(tǒng)相比，助力操縱系統(tǒng)的最大變化是加入了助力器。助力器可將操縱桿力放大，大大減小飛行員的駕駛負(fù)擔(dān)。所謂助力器，顧名思義，實(shí)際上就是一個(gè)力的放大裝置，輸入的力可以很小，卻能夠得到較大的輸出力。飛機(jī)上最常見的助力器為液壓助力器，其原理類似于我們?nèi)粘Ｉ钪兴姷囊簤呵Ы镯?，有“四兩撥千斤”的作用?/p>

飛機(jī)上早期的助力操縱系統(tǒng)大多采用“有回力式的助力器”——舵面氣動(dòng)力通過助力系統(tǒng)按一定比例傳回駕駛桿，形成飛行員感受到的桿力。蘇聯(lián)的米格-17是較早采用有回力式助力器的機(jī)種之一，該機(jī)于1949年完成首飛，其機(jī)動(dòng)性能優(yōu)越，一度受到市場(chǎng)熱捧，總產(chǎn)量高達(dá)9000余架。9000架可不是個(gè)小數(shù)目，要知道，中國產(chǎn)量最大的殲-6飛機(jī)，其各型的總產(chǎn)量加起來也僅為4000余架。

隨著飛行速度的進(jìn)一步增大，特別是達(dá)到超音速以后，飛機(jī)的飛行速度和高度變化范圍很大，作用在舵面上的氣動(dòng)力變化幅度也隨之大大增加，有時(shí)甚至可達(dá)到十幾倍。這種情況下，氣動(dòng)力無論以什么比例傳到駕駛桿，都會(huì)超出飛行員的生理承受極限，導(dǎo)致飛機(jī)難以操縱，加大了飛行隱患。正是由于該原因，蘇聯(lián)在米格-17基礎(chǔ)上發(fā)展米格-19戰(zhàn)機(jī)時(shí)，徹底放棄了米格-17 的“有回力助力”操縱系統(tǒng)。

原來，第二次世界大戰(zhàn)后不久，很多飛機(jī)便開始采用一種所謂的“無回力式助力系統(tǒng)”。這種系統(tǒng)的設(shè)計(jì)初衷很簡單：駕駛桿不再與舵面發(fā)生直接的機(jī)械連接，舵面氣動(dòng)力也就不會(huì)傳回駕駛桿。但新的問題又出現(xiàn)了：飛行員操縱過程中失去了對(duì)受力的感知性，沒辦法根據(jù)操縱力的變化準(zhǔn)確操縱飛機(jī)。

為了解決這個(gè)問題，后來的無回力助力系統(tǒng)中增加了一套載荷感知機(jī)構(gòu)。這套載荷感知機(jī)構(gòu)實(shí)際上相當(dāng)于一種特殊的彈簧組;它模擬桿力，可使飛行員按照正常習(xí)慣操控飛機(jī)。

目前，無回力助力系統(tǒng)仍在很多機(jī)型中被廣泛采用，如我國的支線客機(jī)ARJ21、早期的波音737飛機(jī)以及蘇聯(lián)的米格-27戰(zhàn)機(jī)等。

李林塔爾和他的滑翔機(jī)

評(píng)價(jià)一款飛機(jī)好壞的標(biāo)準(zhǔn)之一是操縱品質(zhì)，即這個(gè)飛機(jī)好不好飛。隨著飛行速度和飛行高度的增加，飛機(jī)的空氣動(dòng)力特性變化極大，其穩(wěn)定性和操縱品質(zhì)因此受到很大影響。譬如，二戰(zhàn)中，飛行員常常發(fā)現(xiàn)，高速高空飛行，尤其是在高空超音速飛行時(shí)，飛機(jī)的氣動(dòng)中心位置會(huì)發(fā)生較大變化，飛機(jī)會(huì)自動(dòng)“低頭”;再如，飛機(jī)在高空高速飛行時(shí)，穩(wěn)定性會(huì)顯著變差，容易產(chǎn)生俯仰振蕩和橫向飄擺等現(xiàn)象，導(dǎo)致操縱性變差……

20世紀(jì)四五十年代，為了減輕飛行員的負(fù)擔(dān)，提高飛行品質(zhì)，人們?cè)跓o回力助力操縱系統(tǒng)中加裝了自動(dòng)增穩(wěn)裝置，出現(xiàn)了所謂的增穩(wěn)系統(tǒng)。增穩(wěn)系統(tǒng)通過傳感器獲知飛機(jī)的振動(dòng)，不斷修正飛機(jī)姿態(tài)，大大提高了飛機(jī)的穩(wěn)定性，改善飛機(jī)的操縱性。增穩(wěn)系統(tǒng)可以保持飛機(jī)平直飛行，故而從這個(gè)意義上講，它已屬于一種三軸穩(wěn)定的簡易自動(dòng)駕駛儀了。

1947 年，美國一架安裝有增穩(wěn)系統(tǒng)的C-54 運(yùn)輸機(jī)成功完成了從紐芬蘭起飛到英國布萊茲諾頓的全自動(dòng)飛行。該飛行轟動(dòng)一時(shí)，成為早期自動(dòng)駕駛的典范。值得注意的是，此時(shí)的增穩(wěn)系統(tǒng)與機(jī)械操縱機(jī)構(gòu)之間仍是相對(duì)獨(dú)立的。也就是說，它既能在相對(duì)平穩(wěn)飛行時(shí)自動(dòng)操縱飛機(jī)，又不妨礙飛行員的自主操縱。

F-16戰(zhàn)斗機(jī)

加裝了增穩(wěn)系統(tǒng)以后，飛行的穩(wěn)定性顯著提升。與此同時(shí)，飛機(jī)的操縱性卻有所下降，變得“反應(yīng)遲鈍”。為了克服這一缺點(diǎn)，在20世紀(jì)60年代，出現(xiàn)了所謂的控制增穩(wěn)系統(tǒng)，即在增穩(wěn)系統(tǒng)基礎(chǔ)上引入一個(gè)“增控通道”，以提高飛機(jī)的可操縱性，改善飛行品質(zhì)。

使用控制增穩(wěn)系統(tǒng)后，飛機(jī)變得既穩(wěn)定又利于靈活操控。這對(duì)于提高戰(zhàn)斗機(jī)在攻擊時(shí)的跟蹤和瞄準(zhǔn)精度來說，無疑是極其有利的。在控制增穩(wěn)系統(tǒng)發(fā)展過程中，基于增穩(wěn)系統(tǒng)的三軸增穩(wěn)自動(dòng)駕駛儀也理所當(dāng)然地發(fā)展成為飛行自動(dòng)控制系統(tǒng)。

美式PB-20D自動(dòng)駕駛儀是早期飛行自動(dòng)控制系統(tǒng)的代表之作，曾安裝于20世紀(jì)六七十年代顯赫一時(shí)的三叉戟客機(jī)上。應(yīng)用了PB-20D自動(dòng)駕駛儀與儀表盲目著陸系統(tǒng)的三叉戟客機(jī)，不僅可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)駕駛，還可以自動(dòng)著陸。

盡管帶有控制增穩(wěn)系統(tǒng)的飛機(jī)，其穩(wěn)定性和操縱性好于之前的任何一款飛機(jī)，但由于控制增穩(wěn)系統(tǒng)是在無回力助力操縱系統(tǒng)的基礎(chǔ)上形成的，歸根結(jié)底，本質(zhì)上還是屬于機(jī)械操縱系統(tǒng)的范疇，這就使得控制增穩(wěn)系統(tǒng)存在著諸多缺陷。譬如，由于保留了機(jī)械操縱部分，控制增穩(wěn)系統(tǒng)不僅結(jié)構(gòu)復(fù)雜，而且結(jié)構(gòu)重量和所占空間較大;再如，由于機(jī)械操縱部分和助力器相連，機(jī)械操縱部件上的力有時(shí)會(huì)強(qiáng)烈地反向傳回駕駛桿，出現(xiàn)“桿力反傳” 現(xiàn)象，嚴(yán)重時(shí)，駕駛桿甚至?xí)霈F(xiàn)莫名的抖動(dòng)……

20世紀(jì)60年代中期，隨著計(jì)算機(jī)、現(xiàn)代控制理論的發(fā)展以及余度技術(shù)的日趨成熟，制造機(jī)用高可靠性的電傳操縱系統(tǒng)成為了可能。

電傳操縱系統(tǒng)是將飛行員的操縱信號(hào)變換成電信號(hào)，并通過電纜直接傳輸?shù)蕉婷妗＿@種系統(tǒng)是在控制增穩(wěn)系統(tǒng)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，去掉了傳統(tǒng)操縱系統(tǒng)中布滿飛機(jī)內(nèi)部的機(jī)械傳動(dòng)裝置和液壓管路，用電信號(hào)取代原有的機(jī)械信號(hào)。

為降低系統(tǒng)失效概率，電傳操縱系統(tǒng)通常會(huì)采用余度技術(shù)。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，構(gòu)成多重系統(tǒng)，也稱余度系統(tǒng)。在余度系統(tǒng)中，一旦某部分出現(xiàn)故障，系統(tǒng)本身仍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，飛機(jī)的可靠性自然可以顯著提高。

作為美國第三代戰(zhàn)機(jī)的經(jīng)典之作，F(xiàn)-16戰(zhàn)斗機(jī)是世界上現(xiàn)役飛機(jī)中第一款具有電傳操縱系統(tǒng)的飛機(jī)，它采用的就是余度模擬式的電傳操縱系統(tǒng)。這一系統(tǒng)適度降低了飛機(jī)的俯仰穩(wěn)定度，以換取更大的機(jī)動(dòng)性;飛機(jī)在三軸方向上同時(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);采用余度技術(shù)的飛機(jī)，安全性和完成任務(wù)的成功概率很高;能自動(dòng)限制機(jī)頭迎角等姿態(tài)參數(shù)，飛行員可以“無顧忌”地發(fā)揮飛機(jī)的最大能力。

電傳操縱系統(tǒng)可分為模擬式和數(shù)字式電傳操縱系統(tǒng);后者具有更高的靈活性，容易實(shí)現(xiàn)各種運(yùn)算和電子綜合化，特別是可以與自動(dòng)駕駛儀、導(dǎo)航系統(tǒng)、推力控制等交聯(lián)，明顯提升飛機(jī)的飛行性能。因此，數(shù)字式電傳操縱系統(tǒng)已成為飛機(jī)電傳操縱系統(tǒng)的主流發(fā)展方向。目前，美國的F-18戰(zhàn)斗機(jī)以及空客A320等都采用了這種數(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)獲得了較高的可靠性外，還具有許多其他優(yōu)點(diǎn)。譬如，由于使用導(dǎo)線代替了機(jī)械傳動(dòng)的傳動(dòng)桿、鋼索等，在減輕系統(tǒng)結(jié)構(gòu)重量的同時(shí)，也節(jié)約了空間;其安裝和維護(hù)更方便，布局設(shè)計(jì)也更加靈活;再如，由于消除了機(jī)械操縱系統(tǒng)的摩擦、滯后等現(xiàn)象，飛機(jī)的操縱性得到改善，杜絕了機(jī)械操縱系統(tǒng)易彎曲、受熱膨脹變形等問題。還有，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。

總之，電傳系統(tǒng)簡化了操縱系統(tǒng)與電子設(shè)備的組合，使自動(dòng)化飛行很容易實(shí)現(xiàn)，為現(xiàn)代飛機(jī)自動(dòng)駕駛儀的發(fā)展創(chuàng)造了極為有利的條件。

自動(dòng)駕駛系統(tǒng)是一種通過飛行員操作設(shè)定，或者由導(dǎo)航設(shè)備接收地面導(dǎo)航信號(hào)，來自動(dòng)控制飛行器完成三軸動(dòng)作的裝置。

現(xiàn)代飛機(jī)的自動(dòng)駕駛系統(tǒng)和電傳操縱系統(tǒng)往往是集成在一起的。不同型號(hào)的飛機(jī)所裝備的自動(dòng)駕駛儀可能會(huì)有一些差別，但大體相似。目前，空客320、波音737等系列飛機(jī)均裝有先進(jìn)的數(shù)字飛行自動(dòng)控制系統(tǒng)。它們從起飛達(dá)到一定的高度之后，如無特殊情況飛行過程都可以使用自動(dòng)駕駛模式;而且，飛機(jī)會(huì)自動(dòng)優(yōu)選最佳飛行航線。這期間，自動(dòng)駕駛儀由飛行管理計(jì)算機(jī)系統(tǒng)來控制。于是，就出現(xiàn)了文章開頭所描述的情景。

自動(dòng)駕駛艙

最后，還是讓我們來回答一下文章開始提出的問題：既然飛機(jī)可以采用自動(dòng)駕駛模式，那還要飛行員干嘛？答案是：自動(dòng)駕駛儀的確可以操縱飛機(jī)，但自動(dòng)駕駛儀依然需要由人來操縱。

首先，盡管自動(dòng)駕駛儀有垂直導(dǎo)航、高度層改變、高度保持、水平導(dǎo)航等工作方式，但仍需要飛行員事先進(jìn)行設(shè)置。其次，飛行中如果遇到積雨云，氣象雷達(dá)顯示紅區(qū)，飛行員就要手動(dòng)操縱飛機(jī)繞過去。第三，飛行員還有一個(gè)工作，就是每到一個(gè)管制區(qū)，要調(diào)節(jié)通訊設(shè)備的頻率，與當(dāng)?shù)毓苤茊T聯(lián)系，并按照管制員指令操縱飛機(jī)。第四，飛機(jī)著陸時(shí)，一般需要手動(dòng)著陸，因?yàn)樽詣?dòng)著陸要求的條件很高。最后，飛行員還要監(jiān)控發(fā)動(dòng)機(jī)參數(shù)和各種儀表，確保其在正常狀態(tài)下工作，這是貫穿整個(gè)飛行過程的;一旦有突發(fā)狀況，機(jī)長必須立即人工介入，并斷開自動(dòng)駕駛儀。

總之，即便有了自動(dòng)駕駛系統(tǒng)，載人飛機(jī)通常也是需要飛行員的。畢竟，這些年，由于自動(dòng)駕駛儀故障而發(fā)生的空難先例還真不少。

【責(zé)任編輯】趙 ?菲