電動(dòng)操縱負(fù)荷系統(tǒng)中基本力感的建立

摘 要：操縱負(fù)荷系統(tǒng)作為飛行模擬機(jī)/器的重要組成部分，使其能精確地再現(xiàn)飛行員在操縱飛行器時(shí)所感受到的力，對(duì)于實(shí)現(xiàn)逼真的飛行模擬極其重要。文章基于Fokker公司的Ecol系統(tǒng)，對(duì)電動(dòng)操縱負(fù)荷系統(tǒng)中基本力感的實(shí)現(xiàn)進(jìn)行闡述、分析，從而增強(qiáng)對(duì)飛行模擬器中電動(dòng)操縱負(fù)荷系統(tǒng)的維護(hù)能力，對(duì)操縱負(fù)荷系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、維護(hù)、改進(jìn)具有現(xiàn)實(shí)意義。

關(guān)鍵詞：飛行仿真；操縱負(fù)荷系統(tǒng)；飛行操縱；力感

引言

飛行模擬機(jī)/器的操縱負(fù)荷系統(tǒng)中，飛機(jī)的座艙操縱機(jī)構(gòu)仍然被保留，但鋼索、液壓助力器、操縱面等都被仿真。座艙操縱機(jī)構(gòu)連接到操縱的作動(dòng)器上，鋼索、連接和飛機(jī)后段的機(jī)構(gòu)在主計(jì)算機(jī)的模型中計(jì)算，然后將計(jì)算結(jié)果返回操縱系統(tǒng)。

1 通過(guò)基本模型建立力感

在飛行器中，飛行員向駕駛桿施加力來(lái)調(diào)整操縱面，在座艙操縱機(jī)構(gòu)和操縱面之間有鋼索、滑輪、搖臂、助力器、感覺(jué)彈簧、阻尼器、配重等。在模擬機(jī)/器中，座艙操縱機(jī)構(gòu)的位移由飛行員與負(fù)荷系統(tǒng)所施加力形成的差值所體現(xiàn)。在法規(guī)要求下，負(fù)荷機(jī)構(gòu)需在動(dòng)態(tài)、靜態(tài)表現(xiàn)出的特性與所模擬飛行器操縱相一致。

1.1 不可逆的飛行操縱系統(tǒng)

助力的操縱系統(tǒng)功能正常情況下，在地面、高度及惡劣天氣中，感覺(jué)是相同的。所以這種系統(tǒng)的力感可以通過(guò)地面的狀態(tài)來(lái)描述，無(wú)需空中測(cè)試，將其稱為不可逆的飛行操縱系統(tǒng)。

1.2 可逆的飛行操縱系統(tǒng)

人工操縱系統(tǒng)的力感受到氣流的影響，需要飛行數(shù)據(jù)和風(fēng)洞數(shù)據(jù)來(lái)支持，人工操縱系統(tǒng)要承受氣動(dòng)力，然后反饋給機(jī)組成員，將其稱為可逆的飛行操縱系統(tǒng)。

在模擬過(guò)程中，對(duì)于這兩種飛行操縱系統(tǒng)，通過(guò)基本模型分別建立力感。

2 不可逆操縱系統(tǒng)的力感

不可逆操縱系統(tǒng)不能將氣動(dòng)力反饋給飛行員，操縱由作動(dòng)器來(lái)完成，給飛行員提供正確的力感。

無(wú)論飛行器在空中還是在地面，不可逆操縱系統(tǒng)的操縱感覺(jué)總是相同的。可以在地面通過(guò)設(shè)備進(jìn)行測(cè)量得到，包括摩擦、彈簧啟動(dòng)力和彈簧梯度等。

圖3是一個(gè)液壓操縱系統(tǒng)的靜態(tài)力感的實(shí)例，靜態(tài)曲線包含了中立位置附近的啟動(dòng)彈簧、摩擦、多個(gè)彈簧梯度、行程限制，箭頭顯示桿移動(dòng)方向，這些特性可以在所有的液壓操縱系統(tǒng)中見(jiàn)到。

2.1 建立的基本原則

可以通過(guò)向Ecol基本模型輸入各種簡(jiǎn)化參數(shù)來(lái)模擬圖3的力感，圖中顯示了三個(gè)彈簧梯度和一個(gè)啟動(dòng)力，但是基本模型僅有三個(gè)彈簧梯度，其中一個(gè)彈簧梯度必須用于仿真啟動(dòng)力，只剩下兩個(gè)梯度用于感覺(jué)彈簧的仿真，所以Ecol基本模型不能完全復(fù)現(xiàn)圖3的力感，例如拐點(diǎn)e不能用基本模型仿真。

2.2 其它操縱系統(tǒng)附加效果的建立

2.2.1 自動(dòng)駕駛儀作動(dòng)器：使用阻塞模式驅(qū)動(dòng)桿，基本模型不能仿真自動(dòng)駕駛儀的摩擦離合器。

2.2.2 推桿器：設(shè)置“力偏差”實(shí)現(xiàn)正確的推桿力。

2.2.3 抖桿器：在“力偏差”中輸入一個(gè)正弦信號(hào)。

2.2.4 感覺(jué)彈簧配平系統(tǒng)：設(shè)置“配平速度”達(dá)到正確的水平。

2.2.5 直升機(jī)混合器：將一個(gè)通道的前向止動(dòng)設(shè)置為其它通道位移的函數(shù)。

2.2.6 直升機(jī)駕駛員的輔助作動(dòng)器：作動(dòng)器打開(kāi)和關(guān)閉時(shí)，使用不同的感覺(jué)參數(shù)。

不可逆操縱系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)力是由操縱系統(tǒng)硬件產(chǎn)生的，就是很象靜態(tài)力，在地面和在空中相同。通過(guò)設(shè)置參數(shù)“前向阻尼”和“前向質(zhì)量”在模擬機(jī)中實(shí)現(xiàn)回中的參數(shù)，可與所模擬飛行器進(jìn)行匹配。從不可逆系統(tǒng)中，飛行員感覺(jué)不到氣動(dòng)力。

3 可逆的飛行操縱系統(tǒng)

可逆的飛行操縱系統(tǒng)將氣動(dòng)力反饋到飛行員處，操縱面由人力驅(qū)動(dòng)，因此機(jī)組成員必須克服力動(dòng)力才能驅(qū)動(dòng)操縱面，人工操縱系統(tǒng)的力感主要是由氣動(dòng)力決定的，非氣動(dòng)力參數(shù)也需要被準(zhǔn)確模擬。

3.1 人工操縱系統(tǒng)在地面的力感

3.1.1 所有人工操縱飛行器中的力感因素

在地面，人工操縱系統(tǒng)中的力感來(lái)源于：

（1）鋼索和連接傳動(dòng)裝置的摩擦力。

（2）操縱面止動(dòng)后，由于鋼索/連接機(jī)構(gòu)的拉伸，導(dǎo)致座艙機(jī)構(gòu)有一定的位移。

（3）在地面，通過(guò)操縱面止動(dòng)或舵面鎖有效是表現(xiàn)出鋼索/連接機(jī)構(gòu)的剛度。

（4）力偏差，如在傳統(tǒng)飛機(jī)中，俯仰桿總是向前倒桿。

上述力感可以通過(guò)測(cè)量設(shè)備進(jìn)行測(cè)量。

圖4給出了地面上人工操縱系統(tǒng)靜態(tài)力感的例子，從中可以看到前面提到的力的四個(gè)因素。

3.1.2 大、中型飛機(jī)中，還可能會(huì)存在以下影響力感的因素

（1）舵面鎖系統(tǒng)（操縱感覺(jué)到鎖在特定位置）；（2）自動(dòng)駕駛儀作動(dòng)器（需要克服摩擦離合器的特定的力）；（3）連接到升降舵安定面的彈簧（產(chǎn)生力的偏差，它是配平安定面的函數(shù)）；（4）方向舵/副翼互連彈簧?；灸Ｐ椭荒芊抡鎴D4中所標(biāo)書(shū)的部分特性，例如鋼索的剛度就不能仿真。

3.2 人工操縱系統(tǒng)的氣動(dòng)感覺(jué)

人工操縱系統(tǒng)的氣動(dòng)感覺(jué)由作用在操縱面上氣動(dòng)力決定，它是疊加在地面感覺(jué)上的。描述操縱力的簡(jiǎn)單的、常規(guī)的方法就是通過(guò)減少作用在操縱面鉸鏈上的力矩。

現(xiàn)代飛行器中，座艙操縱總是回復(fù)到特定的中立位置，中立位置由：包括攻角、傾斜角、攻角變化率、配平片偏轉(zhuǎn)、操縱面的氣流分離、空速、高度等多個(gè)參數(shù)決定。模擬機(jī)/器主計(jì)算機(jī)計(jì)算氣動(dòng)力以決定飛機(jī)對(duì)操縱面偏轉(zhuǎn)的響應(yīng)，為了傳輸?shù)臅r(shí)效與響應(yīng)的及時(shí)，在亞音速飛行器模擬中，對(duì)計(jì)算進(jìn)行了合理的簡(jiǎn)化，結(jié)果如下面的公式：

Cmα，Cmt和Cmδ來(lái)自于飛行或風(fēng)洞數(shù)據(jù)。

帶有線性鉸鏈力矩系統(tǒng)的飛機(jī)的氣動(dòng)靜態(tài)曲線類似是圖5的曲線，圖中顯示的拉伸氣動(dòng)梯度為2N/cm，改變氣動(dòng)力偏差將使整個(gè)曲線上移或下移。操縱機(jī)構(gòu)在中立位置配平，松桿時(shí)操縱機(jī)構(gòu)將回到中立位置，但是由于摩擦帶的存在，操縱機(jī)構(gòu)將停在中立位置前后4cm之間的某個(gè)位置上。

圖4和圖5的兩個(gè)力感的例子都是靜態(tài)曲線，沒(méi)有顯示動(dòng)態(tài)力。動(dòng)態(tài)力有兩種類型：阻尼和慣性，這就需要位置的時(shí)間曲線或動(dòng)態(tài)曲線，圖6通過(guò)使操縱機(jī)構(gòu)偏離中立位置，然后松桿獲得，氣動(dòng)力將使操縱機(jī)構(gòu)回中。慣性、阻尼、回中力共同決定了動(dòng)態(tài)曲線的形狀。

Ecol基本模型引入了阻尼輸入和慣性輸入，以使模擬機(jī)能復(fù)現(xiàn)出與所模擬飛行器相同的動(dòng)態(tài)曲線，模擬機(jī)復(fù)現(xiàn)時(shí)必須建立正確的飛行和操縱參數(shù)。

另外影響氣動(dòng)力的其它系統(tǒng)還有抖桿器和推桿器，這些系統(tǒng)安裝到飛機(jī)中，用于阻止飛機(jī)出現(xiàn)失速。抖桿器僅可通過(guò)向“力偏差”輸入正弦波來(lái)實(shí)現(xiàn)，推桿器也可通過(guò)設(shè)置“力偏差”輸入信號(hào)來(lái)建模。

4 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)分析飛行器基本力的產(chǎn)生和影響以及Ecol在模擬機(jī)/器上對(duì)這些力的復(fù)現(xiàn)，對(duì)于運(yùn)行、維護(hù)、改造、設(shè)計(jì)飛行模擬機(jī)/器中的操縱系統(tǒng)，從而增強(qiáng)模擬機(jī)/器模擬效果是必要且有用的。

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