側(cè)桿在民用飛機(jī)控制系統(tǒng)中的應(yīng)用

于維倩

摘 要 本文對(duì)側(cè)桿控制器的發(fā)展及其在民用飛機(jī)控制系統(tǒng)中的應(yīng)用進(jìn)行了介紹，分析了側(cè)桿與中央桿的比較和優(yōu)缺點(diǎn)，并對(duì)空客飛機(jī)側(cè)桿控制器的工作原理進(jìn)行了研究。

關(guān)鍵詞 側(cè)桿 民用飛機(jī) 控制系統(tǒng)

中圖分類號(hào)：V227 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

1側(cè)桿的發(fā)展和應(yīng)用情況

飛機(jī)操縱裝置按形式可分為駕駛盤（Yoke/Wheel）和操縱桿（Stick）兩類，駕駛盤都安裝在飛行員座位的正前方，如波音系列客機(jī)。駕駛盤通過推拉前后位置控制升降舵，通過旋轉(zhuǎn)角度控制副翼橫滾機(jī)動(dòng)，駕駛盤有利于飛行員合理使用手臂力量，但是助力系統(tǒng)的出現(xiàn)，使得力量對(duì)飛機(jī)操縱顯得無關(guān)緊要。操縱桿按安裝位置的不同還可分為中央桿（Center Stick）和側(cè)桿（Side Stick）兩類。

萊特兄弟等一些航空先驅(qū)研制的早期飛機(jī)基本都采用側(cè)桿操縱方式，由于早期飛機(jī)的結(jié)構(gòu)過于簡(jiǎn)單，副翼沒有復(fù)雜的機(jī)械連動(dòng)裝置，飛行員直接通過左右側(cè)桿改變機(jī)翼翼形，控制飛機(jī)姿態(tài)。

到了二戰(zhàn)末期，飛機(jī)操縱桿基本都使用安裝在飛行員座位前兩腿間位置的中央桿，但側(cè)桿也曾應(yīng)用在B-24轟炸機(jī)上，用于自動(dòng)飛行模式下切入控制，幫助投彈瞄準(zhǔn)員在近進(jìn)目標(biāo)時(shí)進(jìn)行偏航控制。在Tu-16噴氣式轟炸機(jī)上，也安裝有側(cè)桿用于自動(dòng)飛行切入控制。20世紀(jì)五十年代，側(cè)桿設(shè)計(jì)幾經(jīng)浮沉，由于要加入助力器，安裝側(cè)桿機(jī)械連接的空間非常緊張，所以側(cè)桿一直作為輔助控制使用。直到電傳操縱技術(shù)基本成熟，側(cè)桿才開始真正大規(guī)模地應(yīng)用在飛機(jī)控制上。20世紀(jì)八十年代，第一架使用側(cè)桿作為主級(jí)控制的電傳操縱飛機(jī)空客A320投入生產(chǎn)，其后系列產(chǎn)品都沿襲使用側(cè)桿為主級(jí)操縱設(shè)備。與此同時(shí)，波音公司生產(chǎn)的B-707至B-777產(chǎn)品都仍使用傳統(tǒng)的駕駛盤作為主控制輸入裝置。軍用飛機(jī)方面，側(cè)桿已經(jīng)應(yīng)用在F-16， F-22，F(xiàn)-35，法國陣風(fēng)和Su-37等飛機(jī)上，但使用側(cè)桿還是中央桿哪個(gè)更好，仍然沒有定論。

2側(cè)桿與中央桿的差異比較

側(cè)桿由于不像中央桿安裝在機(jī)體的對(duì)稱軸線位置上，且只能單手操縱，需要飛機(jī)提供更大的助力，其機(jī)械傳動(dòng)裝置設(shè)計(jì)更為復(fù)雜，以致直到電傳操縱技術(shù)的出現(xiàn)，側(cè)桿才開始大規(guī)模應(yīng)用，因此側(cè)桿繼承了電傳控制系統(tǒng)的優(yōu)缺點(diǎn)。

電傳控制系統(tǒng)與機(jī)械連接系統(tǒng)相比，可以省卻機(jī)械傳動(dòng)設(shè)備，減輕機(jī)體重量，同時(shí)電傳操縱中的電纜連接要比機(jī)械連接靈活得多，且能量的使用效率更高，由于是電信號(hào)的處理，可以很方便地引入飛行包線保護(hù)，而且電傳控制系統(tǒng)中的設(shè)備趨于模塊化，便于進(jìn)行故障檢測(cè)和更換維修。

比較操縱桿和駕駛盤，由于都使用了助力器，從操縱省力角度來看，二者的差別已經(jīng)不大，但通常的被動(dòng)式操縱桿會(huì)自動(dòng)歸零位，使用的是增量式輸入，一般沒有反饋舵面角位置信息，而駕駛盤與傳動(dòng)機(jī)械絞連，傳動(dòng)機(jī)械可以驅(qū)動(dòng)駕駛盤反饋舵面的當(dāng)前位置。

比較側(cè)桿與中央桿在安裝位置上的優(yōu)點(diǎn)，側(cè)桿的優(yōu)點(diǎn)有：側(cè)桿不會(huì)遮擋正面儀表；飛行員使用側(cè)桿可以將手臂放在托臺(tái)上，在高過載大機(jī)動(dòng)條件下，可以減小對(duì)手臂關(guān)節(jié)的沖擊；側(cè)桿可提供更高的操作精度，在高過載大機(jī)動(dòng)條件下，操作更省力，減小飛行員疲勞；沒有中央桿，飛行員更容易快速拉動(dòng)彈射拉栓；側(cè)桿占用更小的駕駛艙空間；使用側(cè)桿可以節(jié)省出飛行員正面的空間，安裝其它操作設(shè)備，如鍵盤。

中央桿的優(yōu)點(diǎn)：沿襲二戰(zhàn)后飛機(jī)傳統(tǒng)的操縱桿結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)可以參考很多以前機(jī)型，但使用電傳操作系統(tǒng)后，一般都改為使用側(cè)桿；中央桿與傳動(dòng)機(jī)械相連，可以直觀反饋舵面位置；中央桿體積更大，可為戰(zhàn)術(shù)功能按鍵提供更多的安裝空間，而集成化的操縱桿使飛行員能快速按鍵選擇進(jìn)行攻擊，在作戰(zhàn)中至關(guān)重要；如果飛行員一只手受傷，另一只手仍可操縱飛機(jī)；在飛行員正前方兩腿間抱著一個(gè)操縱桿，可以給飛行員提供一定的安全感。

以上所列出的側(cè)桿與中央桿的優(yōu)點(diǎn)，大部分都適用戰(zhàn)斗機(jī)，而民航客機(jī)飛行一般不會(huì)進(jìn)行大機(jī)動(dòng)，也不涉及彈射和戰(zhàn)術(shù)功能鍵的問題，民航客機(jī)操縱桿的選擇應(yīng)當(dāng)更多地考慮操作的簡(jiǎn)單、方便和舒適等因素。

3空客的側(cè)桿的結(jié)構(gòu)和工作原理

A320的側(cè)桿主要由手柄、機(jī)械連桿、彈簧、阻尼器、變送器，線圈和按鍵七部分組成，用于飛機(jī)俯仰軸和橫滾軸的機(jī)動(dòng)控制，側(cè)桿上的兩個(gè)按鍵一個(gè)用于操縱優(yōu)先級(jí)切換，另一個(gè)為通話開關(guān)。當(dāng)駕駛員拉動(dòng)側(cè)桿手柄時(shí)，帶動(dòng)機(jī)械連桿克服彈簧和阻尼器阻力轉(zhuǎn)動(dòng)，使變送器輸入杠產(chǎn)生角位移，其在變送器內(nèi)部連接有電位計(jì)，根據(jù)電位計(jì)輸出電壓就可以確定輸入杠的角位置，進(jìn)而可以得到側(cè)桿的輸入桿量。

A320的正副駕駛操縱時(shí)，側(cè)桿的桿量輸出首先要送入飛控計(jì)算機(jī)處理后才發(fā)送指令到舵面執(zhí)行，由于側(cè)桿采用電氣耦合且沒有引入力反饋，正副駕駛側(cè)桿在操縱中無法獲得對(duì)方的桿量位置信息，在自動(dòng)駕駛模式下，也無法獲得自動(dòng)駕駛儀的舵面控制量。以下分幾種情況，說明正副駕駛側(cè)桿的邏輯關(guān)系。

3.1沒有接通自動(dòng)駕駛儀的條件下

（1）正副駕駛都沒有按下優(yōu)先級(jí)按鍵，這時(shí)正副駕駛兩個(gè)側(cè)桿桿量代數(shù)和作為總的桿量輸出，但桿量的代數(shù)和的上界和下界都不超過一個(gè)側(cè)桿的輸出量，即對(duì)桿量輸出作了限幅。當(dāng)正副駕駛同時(shí)操縱時(shí)，顯示面板上的SIDE STICK PRIORITY下的CAPT和F/O綠色燈會(huì)閃亮。

（2）當(dāng)正副駕駛其中一人按下了優(yōu)先級(jí)按鍵，另外一人的側(cè)桿輸出則被隔離，同時(shí)與被隔離側(cè)桿同側(cè)的顯示面板上的SIDE STICK PRIORITY下的紅箭頭燈會(huì)點(diǎn)亮，指示當(dāng)前操縱優(yōu)先級(jí)在另一側(cè)。如果被隔離的側(cè)桿偏離了中心位置，這時(shí)與獲得優(yōu)先權(quán)的側(cè)桿同側(cè)的SIDE STICK PRIORITY下的綠色指示燈會(huì)點(diǎn)亮，直到被隔離的側(cè)桿回到中心位置（距中心位置的距離小于閾值）才熄滅。當(dāng)優(yōu)先級(jí)按鍵松開時(shí)，側(cè)桿的隔離狀態(tài)即被解除。當(dāng)正副駕駛同時(shí)按下優(yōu)先級(jí)按鍵時(shí)，最后按下的一側(cè)獲得優(yōu)先權(quán)。當(dāng)一側(cè)側(cè)桿獲得優(yōu)先級(jí)超過40秒，另一側(cè)桿則被永久隔離，直至另一側(cè)優(yōu)先級(jí)按鍵按下，解除永久隔離。

3.2自動(dòng)駕駛儀工作的條件下

（1）如果沒有按下優(yōu)先級(jí)按鍵，當(dāng)側(cè)桿偏離中心位置（距中心位置的距離大于閾值，這個(gè)閾值一般比較大，由閾值線圈決定），自動(dòng)駕駛儀被自動(dòng)切斷。同時(shí)系統(tǒng)會(huì)語音和提示燈告警，提示自動(dòng)駕駛儀已被切斷。

（2）如果正副駕駛其中一人按下優(yōu)先級(jí)按鍵，自動(dòng)駕駛也會(huì)被切斷，同時(shí)系統(tǒng)會(huì)語音和提示燈告警，提示自動(dòng)駕駛儀已被切斷。

由圖1的雙側(cè)桿的邏輯分析可知，在沒有確定優(yōu)先級(jí)的條件下，正副駕駛對(duì)側(cè)桿的操縱都會(huì)對(duì)飛機(jī)舵面產(chǎn)生影響，一般情況下，不推薦正副駕駛同時(shí)操縱飛機(jī)。另外，當(dāng)由自動(dòng)駕駛狀態(tài)回到手動(dòng)控制狀態(tài)時(shí)，駕駛員無法從側(cè)桿上了解當(dāng)前飛機(jī)舵面的位置，切換時(shí)可能造成舵面角位置急劇變化。因此，自動(dòng)駕駛儀在切換時(shí)要在飛機(jī)平飛等平穩(wěn)的運(yùn)行狀態(tài)下進(jìn)行。

4總結(jié)

民機(jī)設(shè)計(jì)中被動(dòng)側(cè)桿由于缺乏反驅(qū)裝置，無法實(shí)現(xiàn)左、右側(cè)桿的聯(lián)動(dòng)，因此更容易出現(xiàn)疊加操縱。所以，一方面應(yīng)當(dāng)從視覺、聽覺、觸覺全方位對(duì)疊加操縱進(jìn)行提示，同時(shí)借鑒已有的接替操縱操作程序，以提高飛行員的適應(yīng)性；另一方面，也需要基于自身特點(diǎn)，采取一些具有針對(duì)性的創(chuàng)新設(shè)計(jì)來加以完善，從而更加符合飛行員的操縱習(xí)慣，減少或避免人為差錯(cuò)的發(fā)生，提高飛行安全。目前，世界上的先進(jìn)系統(tǒng)制造商如Honeywell、BAE 等公司已提出了較為成熟的主動(dòng)側(cè)桿技術(shù)，甚至已經(jīng)應(yīng)用于部分取證機(jī)型，是未來民機(jī)操縱系統(tǒng)的發(fā)展方向。