一種直升機(jī)飛行訓(xùn)練器總矩操縱桿設(shè)計(jì)*

周　毅

(中國(guó)民用航空飛行學(xué)院 飛機(jī)修理廠，四川 廣漢　618307)

0　引　言

隨著我國(guó)通航領(lǐng)域不斷發(fā)展，越來(lái)越多的通航飛機(jī)投入使用，而擁有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的定級(jí)飛行訓(xùn)練設(shè)備相對(duì)欠缺。針對(duì)這種情況，我校成立項(xiàng)目組，對(duì)直升機(jī)飛行訓(xùn)練器進(jìn)行開(kāi)發(fā)研制。由于國(guó)內(nèi)外很難找到相關(guān)設(shè)計(jì)資料和文獻(xiàn)資料，沒(méi)有可以借鑒的設(shè)計(jì)進(jìn)行參考，所有設(shè)計(jì)均需完全自主設(shè)計(jì)完成，具有一定創(chuàng)新性。主要介紹一種已實(shí)際應(yīng)用的直升機(jī)飛行訓(xùn)練器總矩操縱桿設(shè)計(jì)，旨在拋磚引玉，為更多的開(kāi)發(fā)者提供參考。

1　直升機(jī)飛行訓(xùn)練器總矩操縱桿設(shè)計(jì)

1.1　直升機(jī)總矩操縱桿

直升機(jī)總距操縱桿的作用是控制直升機(jī)旋翼槳葉總距變化。直升機(jī)總距操縱桿一般布置在駕駛員座位的左側(cè)，固定在安裝支座軸線上，可以以軸線為圓心上、下轉(zhuǎn)動(dòng)。駕駛員左手上提桿時(shí)，使自動(dòng)傾斜器整體上升，從而增大旋翼槳葉總距(所有槳葉的槳距同時(shí)增大相同角度)，使旋翼拉力增大，反之拉力減小[1]。直升機(jī)由此來(lái)控制升降運(yùn)動(dòng)。

通常在直升機(jī)總距操縱桿的手柄上還設(shè)置有旋轉(zhuǎn)式油門(mén)操縱機(jī)構(gòu)，用來(lái)調(diào)節(jié)發(fā)動(dòng)機(jī)油門(mén)的大小，以便使發(fā)動(dòng)機(jī)輸出功率與旋翼槳葉總距變化后的旋翼需用功率相適應(yīng)。因此，該操縱桿又常被稱為直升機(jī)總距油門(mén)桿。

與雙駕駛固定翼飛機(jī)聯(lián)動(dòng)操縱方式相同，直升機(jī)主、副駕的總距操縱桿通過(guò)機(jī)械方式聯(lián)動(dòng)，即操縱一側(cè)總矩桿時(shí)，另一側(cè)總矩桿會(huì)以同樣的方式運(yùn)動(dòng)，一側(cè)擰動(dòng)油門(mén)控制手柄，另一側(cè)也會(huì)旋轉(zhuǎn)。直升機(jī)總距桿示意圖如圖1所示。

1.2　飛行訓(xùn)練器

飛行訓(xùn)練器，其英文為Flight Training Device，簡(jiǎn)稱FTD，是飛行員在地面進(jìn)行模擬飛行的訓(xùn)練設(shè)備，產(chǎn)品圖如圖2所示。它既可以讓飛行員進(jìn)行普通飛行科目訓(xùn)練，也可以模擬特殊飛行情況，訓(xùn)練飛行員處理特殊飛行情況的能力。飛行訓(xùn)練器通常包含仿真座艙、飛行仿真計(jì)算機(jī)和飛行仿真視景系統(tǒng)[2]。

圖1　　　　直升機(jī)IPC中總距操縱桿分解圖　　　　　　圖2　直升機(jī)飛行訓(xùn)練器產(chǎn)品圖

通常飛行訓(xùn)練器的模擬座艙中的儀表、設(shè)備、系統(tǒng)控制板、開(kāi)關(guān)和控制器均按照真實(shí)飛機(jī)進(jìn)行一比一對(duì)應(yīng)復(fù)制，使整個(gè)座艙環(huán)境與真實(shí)飛機(jī)相同[3]。

飛行仿真視景系統(tǒng)是通過(guò)計(jì)算機(jī)建模還原飛行時(shí)的外部環(huán)境。通常采用投影的方式呈現(xiàn)給座艙內(nèi)的飛行員。使飛行員在使用飛行訓(xùn)練器時(shí)能夠看到與真實(shí)飛行相同的視景。

飛行仿真計(jì)算機(jī)通過(guò)飛行仿真程序，仿真座艙的功能和外觀特性。同時(shí)視景、音響、操縱系統(tǒng)、和操縱負(fù)荷系統(tǒng)均由計(jì)算機(jī)控制，給使用者提供視覺(jué)、聽(tīng)覺(jué)、力負(fù)荷等人體感覺(jué)，實(shí)現(xiàn)逼真的模擬。

1.3　計(jì)算機(jī)三維設(shè)計(jì)

模擬機(jī)在飛行員的培養(yǎng)中起著至關(guān)重要的作用。而模擬機(jī)的機(jī)械構(gòu)造原理與一般飛機(jī)的構(gòu)造大致相同，只是模擬機(jī)中往往會(huì)使用很多傳感器來(lái)代替飛機(jī)部件。操縱駕駛桿和腳蹬等操縱部件帶動(dòng)傳感器，機(jī)械信號(hào)將轉(zhuǎn)變?yōu)殡娮有盘?hào)，電子信號(hào)在計(jì)算機(jī)中進(jìn)行處理，通過(guò)程序進(jìn)行模擬仿真。

由于加入了很多傳感器，很多連接件位置都需要調(diào)整，如果采用傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法，不可避免在裝配時(shí)，很多位置的零件會(huì)在安裝或是傳動(dòng)時(shí)發(fā)生位置、尺寸上的沖突。而在計(jì)算機(jī)上使用CAD軟件進(jìn)行設(shè)計(jì)裝配，很大程度上可以避免這一問(wèn)題的發(fā)生。通過(guò)三維設(shè)計(jì)軟件進(jìn)行設(shè)計(jì)裝配，能夠清楚模擬安裝位置和機(jī)構(gòu)運(yùn)轉(zhuǎn)情況，相比傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法，其更有效率，在零件的修改上也更為方便。

采用Pro/Engineer進(jìn)行設(shè)計(jì)。Pro/Engineer操作軟件是PTC公司旗下的CAD/CAM/CAE一體化的三維軟件。Pro/Engineer軟件以參數(shù)化著稱，是參數(shù)化技術(shù)的最早應(yīng)用者，在目前的三維造型軟件領(lǐng)域中占有著重要地位。Pro/Engineer作為當(dāng)今世界機(jī)械CAD/CAE/CAM領(lǐng)域的新標(biāo)準(zhǔn)而得到業(yè)界的認(rèn)可和推廣，是現(xiàn)今主流的CAD/CAM/CAE軟件之一，特別是在國(guó)內(nèi)產(chǎn)品設(shè)計(jì)領(lǐng)域占據(jù)重要位置。

2　設(shè)計(jì)過(guò)程

本設(shè)計(jì)在Pro/Engineer中完成，首先對(duì)直升機(jī)固有的外觀件進(jìn)行尺寸復(fù)制的三維設(shè)計(jì)，之后根據(jù)總距操縱桿的操作運(yùn)動(dòng)方式設(shè)計(jì)連接機(jī)構(gòu)用于連接傳感器，最后在Pro/Engineer的仿真模塊中進(jìn)行運(yùn)動(dòng)測(cè)試，排除在設(shè)計(jì)中發(fā)生運(yùn)動(dòng)干涉的可能。完成的設(shè)計(jì)如圖3所示。

本設(shè)計(jì)的直升機(jī)訓(xùn)練器總距操縱桿機(jī)構(gòu)中包括油門(mén)手柄、左側(cè)總距桿、霍爾傳感器、固定支座、5搖臂、電機(jī)、位移傳感器、位移傳感器固定座、連桿、連接主桿、11連桿、12搖臂、右側(cè)總距桿。

其中左側(cè)總距桿和右側(cè)總距桿使用管材制作，焊接在連接主桿上。油門(mén)手柄穿過(guò)左側(cè)總距桿和連接主桿與5搖臂相連，搖臂有對(duì)油門(mén)手柄限位和連接的作用。

圖3　直升機(jī)飛行訓(xùn)練器總矩操縱桿結(jié)構(gòu)示意圖　　　1.油門(mén)手柄　2.左側(cè)總距桿　3.霍爾傳感器　4.固定支座　5.搖臂　6.電機(jī)　7.位移傳感器　8.位移傳感器固定座　9.連桿　10.連接主桿　11.連桿　12.搖臂　13.右側(cè)總距桿

右側(cè)油門(mén)手柄穿過(guò)右側(cè)總距桿和連接主桿與12搖臂相連。5搖臂和12搖臂之間通過(guò)11連桿相連，使兩側(cè)油門(mén)可以進(jìn)行聯(lián)動(dòng)。同時(shí)5搖臂通過(guò)連桿與位移傳感器相連，位移傳感器可以采集油門(mén)旋轉(zhuǎn)量，將機(jī)械信號(hào)轉(zhuǎn)化為電信號(hào)，位移傳感器通過(guò)位移傳感器固定座固定在連接主桿上。在訓(xùn)練器地板上設(shè)有固定支座，將連接主桿固定在訓(xùn)練器上，并且能夠?qū)?搖臂進(jìn)行轉(zhuǎn)動(dòng)角度的限位。在固定支座的一側(cè)裝有霍爾傳感器，用于采集操縱時(shí)變換槳距的數(shù)據(jù)。在連接主桿上還通過(guò)固定座和連桿連接一個(gè)電機(jī)，電機(jī)的主要是根據(jù)程序，在不同飛行條件下，提供變化的阻力，使飛行訓(xùn)練者能有更好的體驗(yàn)效果。

3　結(jié)　語(yǔ)

以簡(jiǎn)單的連接方式實(shí)現(xiàn)傳感器的連接，和各功能控制上的聯(lián)動(dòng)。目前已使用該設(shè)計(jì)完成直升機(jī)飛行訓(xùn)練器總矩操縱桿制作，并且裝機(jī)正常使用。直升機(jī)飛行訓(xùn)練器總矩操縱桿的設(shè)計(jì)在國(guó)內(nèi)外能查找到的資料均較少，該設(shè)計(jì)簡(jiǎn)潔易實(shí)現(xiàn)，是一種較好的直升機(jī)飛行訓(xùn)練器總矩操縱桿設(shè)計(jì)方案。該設(shè)計(jì)已報(bào)國(guó)家專利局并申報(bào)了國(guó)家實(shí)用新型專利。