[飞机操纵系统] 飞机的系统

　　假如你是一名航空爱好者,你一定不会忘记飞行表演那激动人心的精彩瞬间:一架架战鹰进而犹如离弦之箭怒刺苍穹,时而又如妙龄少女翩翩起舞;时而犹如雄鹰展翅搏击长空,时而又如雄鹰捕食直扑大地……
　　面对如此精彩的飞行表演,我们在由衷地赞叹蓝天骄子高超的飞行技术和征服蓝天的大无畏精神的同时,是否意识到这也是由于飞机具有良好的气动布局和可靠的操纵系统的结果。
　　操纵系统在飞机飞行中起着至关重要的作用,如果没有操纵系统,飞机将不受人的控制,当然也就无法完成各种飞行动作。事实上,所有飞机(无论是有人驾驶飞机还是无人驾驶飞机)都具有完整、有效和可靠的操纵系统,其功用就是用来传递操纵指令,偏转舵面,使飞机改变或保持一定的飞行状态。
　　飞机的操纵系统随着飞机的发明而诞生,并经历了一个从简单到复杂的不断完善过程。从其发展来看,飞机的操纵系统经历了几个发展阶段。
　　
　　简单机械操纵系统
　　早期的飞机由于尺寸比较小,飞行速度也不快,其操纵系统相对比较简单,一般采用钢索、扇形齿轮传动,即所谓的软式操纵(如图1所示)。软式操纵系统具有结构简单、尺寸小、重量轻的特点,但同时也存在着易变形,操纵灵敏度差的不足。为此在软式操纵的基础上又发展了硬式操纵(如图2所示),即将软式操纵系统中的钢索、扇形轮,用拉杆、摇臂代替,减小了操纵的延迟时间,提高了操纵的灵敏度、精确度和可靠性。
　　无论是软式操纵还是硬式操纵,各舵面上气动力形成的铰链力矩,都完全靠飞行员施加于驾驶杆和脚蹬上的操纵力加以平衡,这样的操纵系统统称为简单机械操纵系统(如图3所示)。为了减轻飞行员的负担,自第一次世界大战开始,许多飞机在升降舵上设计了调整片,即在舵面后缘附加一块操纵面,飞行员通过它向舵面偏转的反方向偏转一定的角度,利用它产生的气动力矩来平衡舵面上的气动铰链力矩,从而使驾驶杆上所需的操纵力减小或消除,以减轻飞行员在稳定飞行时的负担。调整片最旱出现在升降舵上,后来被广泛用于副翼和方向舵上。
　　
　　可助力操纵系统阶段
　　随着航空工业的发展,飞机的尺寸和重量不断增大,飞行速度不断提高,舵面上形成的铰链力矩也越来越大,所需的操纵力也随之增大,飞行员直接通过钢索或连杆去操纵舵面变得十分困难。于是在40年代末出现了助力操纵系统(如图4所示)。即在操纵系统中并联一个助力器,气动力由助力器和飞行员共同承受,从而使杆力大大减小。
　　早期的助力操纵系统大多采用有回力式的助力器,即所谓的可逆助力操纵系统,并且只在升降舵上使用。舵面铰链力矩通过助力系统按一定的比例传回驾驶杆,形成飞行员感受到的杆力。
　　
　　不可逆助力操纵系统阶段
　　随着飞机飞行速度的进一步增大,特别是飞行速度达到超音速以后,由于飞行速度和高度变化范围很大,作用在舵面上的气动力大小及其压力中心位置变化很大,舵面上的气动力无论以什么比例传到驾驶杆上都不合适,有时甚至会形成杆力反向,造成飞行员难以操纵,从而使飞机的飞行品质下降。那么,怎样来解决这一问题呢?
　　第二次世界大战后不久,助力操纵系统就采用了无回力式助力系统,也称全助力操纵系统(如图5所示),即驾驶杆不再与舵面发生直接的机械联系,舵面铰链力矩也就不能传回驾驶杆。但这样又出现了新的问题:由于采用无回力助力器,使飞行员在操纵飞机的过程中失去了力的感觉,这就使得飞行员不能根据操纵力的变化准确地把握操纵量,准确地操纵飞机也就变得更加困难。
　　为了解决这个问题,在无回力助力系统中增加了载荷感觉机构,即杆力模拟装置,以提供力的感觉。用这一装置模拟杆力,使飞行员能够按照正常习惯对飞机实施操纵,杆力也大小适中,不至于大速度杆力过大、小速度杆力太小,让飞行员感到无所适从。
　　随着飞机的不断发展,副翼和方向舵操纵也采用了助力器。为了进一步提高操纵性,许多飞机还在平尾操纵系统中增设了力臂调节器,在副翼和方向舵操纵系统上采用了非线性操纵机构。
　　在平尾操纵系统中增设力臂调节器的原因是,由于现代飞机的飞行速度和高度范围都比较大,单位过载平尾偏角的变化比较复杂:在低空大表速飞行时,操纵容易过于灵敏;而在高空小表速飞行时,操纵又会过于迟钝、沉重。但是根据飞行员的操纵习惯,操纵系统则应该满足这样的要求,即无论在什么条件下飞行,使飞机作同样的机动动作所需用的操纵量应大致相同。为了解决这一问题,就在平尾操纵系统中设置了一个根据飞行高度和表速自动改变操纵传动比的力臂调节器。
　　在副翼和方向舵操纵系统采用非线性机构,是因为固定传动比的操纵系统不能满足高速飞机对操纵系统的要求,在亚音速大表速飞行时,操纵面效率比较高,操纵飞机所用的舵偏角比较小;而在小表速或超音速飞行时,操纵面效率比较低,操纵飞机所用的舵偏角往往比较大。如果此时采用线性操纵系统,即杆位移、脚蹬位移与副翼、方向舵偏角之间的传动比为固定值,那么就会造成飞机在大表速飞行时操纵过于灵敏,飞行员操纵容易过量;而在小表速或超音速飞行时,由于所需舵偏角过大,所以又会造成操纵迟钝。采用按驾驶杆或脚蹬偏离中立位置的行程,来改变传动比的非线性机构就解决了这一问题,从而改善了操纵系统的操纵性能。
　　对于无回力助力操纵系统,飞行员感受到的杆力、脚蹬力,是来自杆力(脚蹬力)模拟器,而不是舵面铰链力矩。为了减轻飞行员的负担,在必要的时候,如在较长时间稳定状态飞行时,可卸除这个力,通常的作法是在飞机的操纵系统中装一个调整片效用机构(简称调效机构),这样便可减轻飞行员的负担。
　　
　　增稳系统阶段
　　随着飞行速度和飞行高度的增加,飞机的空气动力特性变化很大,飞机的稳定性和操纵品质会受到很大的影响。如高速飞机在高空超音速飞行时,由于纵向短周期阻尼比不足,使得飞机在高空超音速飞行时出现自动“点头”的现象。如果没有自动控制系统的协助,高速飞机在高空飞行时,因稳定性变差,飞机还很容易产生俯仰振荡和侧向振荡(飞行员称之为飘摆),使飞行员操纵飞机相当困难。为了减轻飞行员的负担,提高飞机的飞行品质,后来的飞机就在操纵系统中安装了自动增稳装置,使操纵系统又从无回力助力系统发展到了增稳系统(如图6所示)。该系统可通过修正飞机的气动力响应特性来提高飞机稳定性,改善飞行员对飞机的操纵。增稳系统由传感器、校正网络、放大器、舵机和飞机机体组成,是一个具有一定增益的反馈系统,可大大提高飞机的飞行稳定性。它与机械操纵相互独立,既能自动操纵飞机,又不妨碍飞行员的操纵。
　　
　　控制增稳系统阶段
　　飞机加装了增稳系统以后,在提高飞机稳定性的同时,在一定程度上使飞机的操纵性有所下降,即削弱了飞机的机动能力。为了克服这一缺点,在60年代又出现了控制增稳系统(如图7所示),即在增稳系统的基础上引入增控通道来提高飞机的操纵性,使飞机的飞行品质得到改善。和增稳系统相比,控制增稳系统在提高抗干扰能力、增强飞机稳定性方面与增稳系统一致,而在操纵性方面则大大优于增稳系统,几乎同时满足了飞机对稳定性和操纵性的要求。控制增稳系统就是在飞机增稳系统的基础上增加了指令模型及其附件(如杆力传感器)构成的。在控制增稳系统中,飞行员的操纵可分两路输出使舵面偏转。一路是通过不可逆助力操纵系统,即机械通道使舵面偏转;另一路由杆力传感器的输出信号经指令模型形成操纵特性所要求的信号,通过放大器、舵机和助力器使舵面偏转。杆力传感器和指令模型所组成的反馈通道能增大系统传递系数,可选择较高的反馈增益,功能多于增稳系统。它在改善飞机操纵性、稳定性方面,比增稳系统有显著提高,有利于提高飞机攻击时的跟踪和瞄准精度。
　　
　　准电传操纵系统阶段
　　带控制增稳系统的飞机的稳定性和操纵性比带增稳系统的飞机要好,也比带无回力助力操纵系统的飞机要好。但是,由于控制增稳系统是在不可逆助力操纵系统的基础上通过复合摇臂引入增稳回路和电气增控通道形成的,这就使得控制增稳系统也存在着诸多问题:首先,由于保留了机械通道,使系统不仅结构复杂,而且结构重量和所占空间也较大;其次,由于复合摇臂至助力器分油活门之间的机械系统存在着惯性、摩擦,以及分油活门的摩擦力和液压动力的综合作用,会导致力反传;第三,由于舵机和助力器的输出速度不一致,会导致功率反传,引起驾驶杆的助力器输入端的瞬时碰撞振荡等。同时,出于安全性的考虑,控制增稳系统的权限不是很大,一般不超过舵面最大偏角的30%。电气通道的增益不能很大,这就使得控制增稳系统本质上还是属于机械操纵系统的范畴。后来,设计者在控制增稳系统中增加了一个离合器,使机械系统在不使用时断开而发展成了准电传操纵系统(如图8所示)。在准电传操纵系统的电气操纵系统中引入了飞行状态参数控制信号,同时仍保留了机械备份操纵系统,以确保飞行的安全可靠性。
　　
　　电传操纵系统阶段
　　将准电传操纵系统中的机械通道完全去掉,把全部权限交给控制增稳操纵系统的、带飞机状态反馈的电气操纵系统,就是纯电传操纵系统(如图9所示)。60年代中期,随着计算机、微处理机的发展和现代控制理论以及余度技术的日趋成熟,制造可靠性高的电传操纵系统就有了可能性。
　　所谓余度技术,就是用几套可靠性不够高的系统执行同一指令、完成同一工作任务,构成多重系统,也称余度系统。在余度系统中,各个部分都具有故障监控和信号表决能力,一旦系统或系统中的一部分出现故障,系统本身具有故障隔离和自动切除故障信号的能力。当系统中出现一个或数个故障时,系统则具有重新组织余下完好部分执行指令、完成任务的能力。目前电传操纵系统大多采用具有双故障/工作能力的四余度系统。
　　F-16战斗机是世界上现役飞机中第一种具有电传操纵系统的飞机,它采用的是四余度模拟式电传操纵系统。该系统具有以下特点:在飞机的纵向放宽了静稳定度,提高了飞机的机动性;在飞机的三轴方向上同时实施控制增稳,提供了精确控制和极好的操纵品质;具有双故障/工作的故障等级,安全性和完成任务的成功概率很高;能自动限制迎角、过载,飞行员可以“无顾忌”地发挥飞机的最大能力,而不必担心因疏忽或操纵失误造成失速;机内具有自检能力,能使为保证操纵系统处于良好的飞行准备状态的停飞维护时间大大缩短。
　　电传操纵系统可分为模拟式电传操纵系统和数字式电传操纵系统两种,现在大多数带电传操纵系统的飞机采用的是模拟式系统。数字式电传操纵系统与摸拟式的相比,具有更高的灵活性,容易实现多种逻辑运算和电子综合化,尤其是容易与自动驾驶仪、火控系统、导航系统、推力控制等交联,从而使飞机的飞行性能和攻击精度获得明显的提高,这也使数字式电传操纵系统成为电传操纵系统的主要发展方向的原因。目前美国的F-18战斗机、英国的“美洲虎”战斗机以及空中客车公司的A320都采用了数字式电传操纵系统。
　　电传操纵系统除了采用余度技术而获得了较高的可靠性外,还具有许多优点:首先由于使用导线代替了机械传动的传动杆、钢索等,使得系统的结构重量减轻,节约了空间,安装容易,维护方便,设计飞机时布局也更加灵活;其次是消除了机械操纵系统的摩擦、滞后等现象,使飞机操纵性得到改善,并且杜绝了机械操纵系统易受弯曲、热膨胀等飞机结构变形的影响;再次就是电传操纵系统为飞行员提供了微调控制能力,使操纵精度大大提高;电传操纵系统简化了操纵系统与自动器的组合,使自动化飞行很容易实现。
　　
　　光传操纵系统阶段
　　由于单通道的电传系统可靠性不高,所以在设计上必须采用余度技术,这就使系统的成本增加了很多。而且,电传操纵系统在使用过程中还容易受到雷击、电磁脉冲波和核辐射的干扰。现代飞机越来越多地采用复合材料,也使得系统中的电子元件失去金属蒙皮的屏蔽保护,抗电磁干扰和抗核辐射的问题就显得更为突出。用光纤代替电缆作传输元件,用光信号代替电信号,就不存在上述问题,并可以提高系统的生存力。再者光纤系统还具有传输容量大、重量轻、能耗低等优点。由于光纤技术和数字式电传操纵系统的发展,而引发出了一种全新的操纵系统――光传操纵系统,简称FBL(Fly-by-Light)。从功能来说,光传操纵系统就是应用光纤技术实现信号传递的操纵系统。这种系统目前还存在强度、成本问题,地面环境试验问题以及光纤维和飞机结构组合等问题。目前,美国将在A7-D、B-47飞机的电传操纵系统中,把四余度的电传操纵系统中的一个通道,换成光导传输进行试验。相信随着科学的发展、技术的进步,这些问题会在不远的将来得到很好解决,光传操纵系统也将成为未来飞机操纵系统的主流。
　　当然,随着现代高新科学技术的不断向前发展,未来飞机的操纵系统也许会超出我们现在的理解和概念,特别是纳米技术的进步,必将为未来飞机操纵系统的发展开拓更为广阔的前景。
　　责任编辑:空 友 ■