淺析電傳飛機與機械操縱飛機操縱特性差異

張羽白，崔彥勇，謝慧慈

（航空工業(yè)洪都，江西 南昌，330024）

0 引言

隨著飛機性能要求越來越高，飛機飛行高度和飛行速度范圍也在不斷擴大，機械操縱系統(tǒng)的飛機無法滿足需求。目前國內(nèi)外先進主戰(zhàn)飛機均采用了電傳飛行控制系統(tǒng)，如美國的 F-16、F-18、F-22、F-35，瑞典的JAS-39，法國的幻影-2000、“陣風”，歐洲的 “狂風”、“臺風”，俄羅斯的蘇-27、蘇-35、米格-29 等，我國的殲-10、梟龍、殲-11、L15 等。

電傳飛行控制系統(tǒng)的使用不僅能有效改善飛機的飛行品質(zhì)、增強飛機機動性，而且也使得飛機的操縱特點與機械操縱系統(tǒng)飛機相比發(fā)生了明顯變化。

1 電傳飛機與機械操縱飛機操縱技術特點對比

二代機是靜安定的飛機，飛機重心在焦點前面，平尾提供負升力，使用機械操縱系統(tǒng)，或帶增穩(wěn)功能的機械操縱系統(tǒng)；飛行員的操縱桿量直接對應的就是飛機的舵面偏轉(zhuǎn)量，飛行員操縱快（慢），舵面偏轉(zhuǎn)就快（慢），由于舵面偏轉(zhuǎn)產(chǎn)生飛機的運動，飛機運動反映的是飛機的本體特性，因此本體特性的好壞就決定了飛機的操穩(wěn)特性。在不同的飛機構型、不同的飛行狀態(tài)下，操縱桿力特性變化很大，在跨音速區(qū)域會出現(xiàn)反向操縱。需要飛行員時刻注意飛行狀態(tài)，在一桿操縱的基礎上反復微動桿修正才能使飛機達到期望的姿態(tài)。典型機械操縱飛機操縱系統(tǒng)示意圖如圖1所示。

三代和三代以上飛機在設計時大都采用邊條翼、翼身融合及前緣機動襟翼等先進的氣動布局,普遍設計為弱靜安定或靜不安定，帶來的好處包括可增加有效升力、減小阻力、減小機翼載荷、減重等。但同時也帶來一系列問題，例如飛機安定性差、弱阻尼、短周期頻率低等等，在無電傳控制時基本無法操縱。

采用全權限的電傳飛行控制系統(tǒng)，實現(xiàn)縱向放寬靜安定性控制，利用飛機運動信息反饋進行閉環(huán)控制，飛行員的操縱桿量直接對應的是飛機的運動量，飛行員操縱快（慢），運動量變化就快（慢），至于舵面偏轉(zhuǎn)快（慢）及偏轉(zhuǎn)了多少，飛行員不知道也不需要知道，飛機運動反映的是飛機和飛控系統(tǒng)閉環(huán)控制的特性，即閉環(huán)控制改變了被控制飛機的運動特性。同時控制律參數(shù)隨高度、速度等飛行狀態(tài)調(diào)參，通過各類反饋信號進行控制及增穩(wěn)，針對飛機本體特性的不足加以彌補，改善飛機的操穩(wěn)特性，擴展飛機的飛行包線，將一個弱靜安定或不安定、不可飛的飛機，補償成為一個安定的、飛行員熟悉的、可飛的飛機，在包線范圍內(nèi)，輔助調(diào)整飛機的操縱響應特性較為一致。典型電傳飛機操縱系統(tǒng)示意圖如圖2所示。

圖1 機械操縱飛機操縱系統(tǒng)示意圖

圖2 電傳飛機操縱系統(tǒng)示意圖

與機械操縱飛機相比，電傳飛機具有自己獨特的操縱特性，并擁有優(yōu)于機械操縱飛機的飛行品質(zhì)，本節(jié)從飛機平飛特性、協(xié)調(diào)操縱特性、機動特性、著陸特性及飛機安全邊界限制等方面進行介紹。

1.1 平飛特性

現(xiàn)役電傳飛機多數(shù)都具有中性速度穩(wěn)定性，駕駛桿中立時，縱向指令俯仰角速率為零，或指令法向過載為1g，橫向指令滾轉(zhuǎn)角速率為零，實現(xiàn)松桿后，飛機自動保持松桿時的飛行狀態(tài)，飛行員無需時刻動桿保持飛機平飛，極大地減輕了駕駛負擔，因此也不存在機械操縱飛機平衡速度的概念。

傳統(tǒng)機械操縱系統(tǒng)飛機，由于其固有的速度穩(wěn)定特性，為了保持平飛，在平衡速度以下，必須拉桿；在平衡速度以上，則須推桿。特別對于某些飛行包線較大的飛機，平衡桿位移或平衡桿力隨飛行高度、速度的變化而變化，在包線兩端維持平飛所需的桿位移或桿力差別很大。

典型電傳飛機和機械操縱飛機縱向桿配平曲線如圖3所示?？梢钥闯?，電傳飛機在迎角不超過限制閾值時縱向配平桿為零，配平桿基本不隨高度和速度變化，而機械操縱飛機的配平桿隨著高度和速度變化，變化范圍較大，特別是會隨著飛機縱向安定度而變化，會出現(xiàn)由拉桿變推桿、再由推桿變拉桿的現(xiàn)象，導致飛行員需要不斷使用調(diào)校機構來配平飛機，需要耗費許多精力時刻注意飛機的配平狀態(tài)。

圖3 縱向配平桿位移對比

1.2 機動飛行

電傳飛機的操縱桿力僅與桿位移相關，對應的是飛機響應，具有“動則靈、靜則穩(wěn)”的特點，在整個飛行包線范圍內(nèi)縱向桿力、桿位移對法向過載的梯度，橫向桿力、桿位移對滾轉(zhuǎn)速率的梯度的變化較為一致。飛行員對于電傳飛機的操縱響應是有預期的，可以一桿到位、快速精確地追蹤目標。

縱向桿指令法向過載如圖4所示，橫向桿指令滾轉(zhuǎn)角速率如圖5所示。縱、橫向指令均設計成“二次拋物線”形式，小桿操縱時有利于精確控制，大桿操縱時有利于快速機動。

圖4 縱向桿指令法向過載曲線

圖5 橫向桿指令滾轉(zhuǎn)角速率曲線

機械操縱系統(tǒng)飛機由于操縱桿量直接對應的是飛機的舵面偏轉(zhuǎn)量，機動飛行時，其縱向桿力、桿位移對法向過載的梯度和橫向桿力、桿位移對滾轉(zhuǎn)速率的梯度隨著飛行狀態(tài)變化的范圍很大。

在進行3g載荷飛行時，電傳飛機和機械操縱飛機縱向桿操縱對比如圖6所示。可以看出，電傳飛機在持續(xù)3g飛行時，縱向桿操縱位移基本在40mm左右，左邊界狀態(tài)點3g時迎角過大，進入迎角限制，所以縱向桿位移大于40mm，除迎角進入限制門限外，基本不隨高度和速度變化而改變，這就意味著，電傳飛機在進行3g載荷拉起時，包線范圍內(nèi)僅需固定拉桿40mm。而機械操縱飛機建立或維持3g載荷飛行所需要的縱向桿位移隨高度和速度不同差別很大，小速度拉桿量大，隨著速度增加拉桿量先減小后增加，飛行員需要時刻關注飛機狀態(tài)并及時修正，否則難以做到精確控制。

圖6 3g載荷機動時縱向桿操縱對比

機動特性差異在水平機動能力方面也有本質(zhì)區(qū)別。典型電傳飛機最大瞬時盤旋角速度可達25°/s、最大穩(wěn)定盤旋角速度10°/s、最小盤旋半徑650米，而二代改在同等條件下的相應數(shù)據(jù)僅為16°/s、6.8°/s和1500米，即最大瞬時盤旋角速度與最大穩(wěn)定盤旋角速度相對機械操縱飛機分別提高了63%、54%，最小半徑降低了58%。

1.3 協(xié)調(diào)操縱

飛機在滾轉(zhuǎn)或協(xié)調(diào)轉(zhuǎn)彎機動飛行中，滾轉(zhuǎn)會引起側(cè)滑增大，側(cè)滑的變化又會影響滾轉(zhuǎn)，滾轉(zhuǎn)與側(cè)滑的互相耦合導致飛機在機動中需要進行橫、航向協(xié)調(diào)操縱。

電傳飛機飛控系統(tǒng)可以綜合協(xié)調(diào)各操縱面，例如在進行滾轉(zhuǎn)時，飛控系統(tǒng)控制律會根據(jù)當前高度、速度、迎角及副翼偏轉(zhuǎn)情況，自動協(xié)調(diào)偏轉(zhuǎn)方向舵完成協(xié)調(diào)滾轉(zhuǎn)，無需飛行員蹬舵修正側(cè)滑，減小飛行員操縱負擔。典型電傳飛控系統(tǒng)橫航向控制律結構示意圖如圖7所示。

圖7 典型橫航向結構示意圖

機械操縱系統(tǒng)飛機在進行滾轉(zhuǎn)或協(xié)調(diào)轉(zhuǎn)彎等機動時，由于駕駛桿、腳蹬直接對應舵面偏度，且無副翼和方向舵的交聯(lián)控制，橫航向的耦合特性需要飛行員在壓桿的同時蹬腳蹬控制側(cè)滑，在激烈的空中格斗中要飛行員手腳并用，耗費相當大的精力去實現(xiàn)協(xié)調(diào)操縱。

1.4 起降特性

電傳飛機針對起降飛行的特點設計有專門的起降控制律，縱向桿直接對應飛機迎角，控制律根據(jù)桿指令結合飛機實時高度、速度自動偏轉(zhuǎn)平尾保持迎角，飛行員可以采用等迎角下滑、油門控制下滑軌跡的著陸方式，使飛機保持穩(wěn)定的進場著陸迎角和接地姿態(tài)。在配裝不同任務載荷或帶油著陸的情況下，也不需要額外精細計算飛機下滑著陸速度，僅需全程保持迎角即可。直觀控制迎角可以保證飛機著陸安全并減輕飛行員操縱負擔。

機械操縱飛機如想調(diào)整飛機下滑軌跡需要油門和桿協(xié)調(diào)動作，很難完成等迎角方式的下滑著陸。特別是在帶有任務載荷，著陸重量相差較大的情況下，需要精細計算飛機的著陸速度，并及時修正飛機速度及迎角控制飛機姿態(tài)和軌跡，飛行員負擔較重。

以某型飛機為例，干凈構型和滿掛構型在不同油量時，速度與迎角對應關系如圖8所示。如飛機以10°迎角下滑，不同構型及油量情況下，速度變化范圍從223km/h到261km/h，差別較大。

電傳飛機在著陸時僅需將縱向桿配平至對應10°迎角位置，控制律會根據(jù)速度自動調(diào)整平尾，推動油門控制飛機下滑軌跡即可進行著陸。而機械操縱飛機需要實時關注速度及迎角，往復修正油門位置及縱向桿位置，控制飛機下滑姿態(tài)與軌跡。

1.5 飛行安全限制

電傳飛機在飛行包線范圍內(nèi)具有較為一致的優(yōu)異飛行品質(zhì)、完善的邊界限制以及自動從某些危險狀態(tài)改出的功能，其中邊界限制包括迎角限制、法向過載限制、滾轉(zhuǎn)角速率限制等，從某些危險狀態(tài)改出的功能可以防止飛機發(fā)生氣動偏離進入尾旋。在發(fā)揮飛機最大機動性能的同時，無論飛行員如何操縱，飛機不會進入危險的飛行狀態(tài)，在減輕飛行員操縱負擔的同時，還養(yǎng)成相應操縱習慣和注意力分配習慣，飛行員可以有更多精力去完成任務。

機械操縱飛機不具備邊界限制功能，特別在左邊界，其失速迎角相對較小，在進行持續(xù)大迎角機動飛行時，只能小心拉桿，時刻關注飛機狀態(tài)，并根據(jù)飛機狀態(tài)時刻調(diào)整操縱桿行程，防止發(fā)生氣動分離。飛行員必須熟練掌握飛機的使用邊界和限制條件，在飛行中實時關注各類參數(shù)，并進行判斷和修正操縱，以避免飛機進入危險的飛行狀態(tài)。

在空中格斗時往往需要比拼飛機的邊界控制能力，電傳飛機飛行員只需一桿拉到對應位置并保持，即可迅速進入給定持續(xù)過載/迎角/滾轉(zhuǎn)角速率機動，且最大桿指令對應即為飛機邊界限制值，飛行員無需分散注意力關注安全限制邊界，可以充分發(fā)揮飛機機動性能。而機械操縱系統(tǒng)飛機機動時，飛行員動桿時需要時刻關注飛機狀態(tài)信息，特別在迎角、法向過載臨近限制值時要小心，以防止飛機超過邊界限制，進入偏離、失速、尾旋等危險狀態(tài)，飛行負擔重，無法集中精力開展武器打擊等任務。

2 結語

使用機械操縱飛機與電傳飛機對飛行員生理和心理的影響存在明顯差異，優(yōu)良的操穩(wěn)特性和全面的邊界保護特性，不但可以讓飛行員養(yǎng)成適應當代高機動飛行環(huán)境所需的生理特性，還能使其建立心理上的對抗優(yōu)勢，不會由于缺乏對飛機飛行邊界控制信心，導致在作戰(zhàn)對抗中過多關注各種飛行狀態(tài)限制，影響戰(zhàn)術動作，而是能夠正確分配注意力于空中敵我態(tài)勢，充分發(fā)揮飛機機動潛力，更好地完成戰(zhàn)斗任務。