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飞机控制系统


飞控系统的发展与展望

一、飞控系统的简介
所谓飞机控制系统,是指飞行器在飞行过程中,利用自动控制系统,能够对 飞行器的构形、 飞行姿态和运动参数实施控制的系统。该系统可用来保证飞行器 的稳定性和操纵性、 提高完成任务的能力与飞行品质、增强飞行的安全及减轻驾 驶员负担。 飞行控制系统的分类从不同角度出发有不同的分类方法。根据控制指

/> 令由驾驶员发出, 另一类是自动飞行控制系统,其控制指令是系统本身自动产生 的。飞机的俯仰、滚转和偏航控制,增升和增阻控制,人工配平,直接力控制以 及其它改变飞机的构形控制(如改变机翼后掠角、水平安定面安装角等) ,它是 飞机的一个组成部分, 故也属于飞行控制系统。自动飞行控制系统是对飞机实施 自动或半自动控制,协助驾驶员工作或自动控制飞机对抗的响应。 从莱特兄弟的第一架飞机 1903 年 12 月升空至今, 已经过去了 100 多年。 100 多年来,飞机从最早的多翼/双翼、直机翼,逐步发展到单翼、后掠翼、三角翼 等,从活塞发动机到喷气发动机;从正常式布局到鸭式、无尾式、三翼面布局等 等。与之相伴的,飞机的飞行控制系统也在不断地变化,总体来说,飞机的飞行 控制系统经历了如此的八个阶段:机械操纵系统、半助力操纵系统、全助力操纵 系统、增稳系统、增稳控制系统、半电传系统、电传系统和光传系统。目前,电 传控制系统已经成为主流; 光传控制系统已经有小范围的应用,正在处于发展阶 段; 而诸如机械传动等等较为老的控制系统虽然已经逐渐退出主流,但由于其可 靠性高,造价便宜,技术成熟等特点,仍旧在一些特定场合如备份控制系统等使 用。以下我们将对不同阶段的飞机控制系统进行介绍。

二、飞控系统的发展历史
首先是机械操纵系统。 在这种操纵系统中驾驶员通过机械传动装置直接偏转 舵面。 舵面上的气动铰链力矩通过机械联系使驾驶员获得力和位移的感觉。这种 系统由两部分组成: 位于驾驶舱内的中央操纵机构;构成中央操纵机构和舵面之 间机械联系的传动装置。 中央操纵机构由驾驶杆(或驾驶盘)和脚蹬组成。驾驶员 前推或后拉驾驶杆可带动升降舵下偏或上偏,使飞机下俯或上仰。向左或向右压 驾驶杆(或转动驾驶盘)则带动副翼偏转,使飞机向左侧或向右侧滚转。脚蹬连 结着方向舵,驾驶员蹬左脚时,方向舵向左偏转,机头向左偏;反之,机头向右 偏。对于各类飞机,中央操纵机构的尺寸、操纵行程和操纵力均有标准规定。通 常在被操纵舵面(升降舵、 副翼和方向舵)上, 用气动补偿措施减少气动铰链力矩, 把操纵力控制在规定范围内。 机械传动装置直接带动舵面,有软式和硬式两种基 本型式。软式传动装置由钢索和滑轮组成,特点是重量轻,容易绕过障碍,但是

弹性变形和摩擦力较大。硬式传动装置由传动拉杆和摇臂组成,优点是刚度大, 操纵灵活。软式和硬式可以混合使用。最早的飞机如下图中的“飞行者”一号即 采用机械操纵系统。 简单机械式操纵系统广泛用在亚音速飞机上。在大型高速飞机上,舵面上的 气动铰链力矩很大, 虽然用气动补偿的方法可以减小力矩,但很难在高低速范围 内达到同样效果。于是出现了液压助力系统。

液压助力系统分为可逆助力操纵系统和不可逆助力操纵系统。 可逆助力操纵 系统出现于上世纪 40 年代末,又称为半助力操纵系统。其基本原理是舵面由液 压助力器驱动, 驾驶员通过中央操纵机构、 机械传动装置控制助力器的伺服活门, 间接地使舵面偏转。 它同时通过杠杆系统把舵面一部分气动载荷传给中央操纵机 构,使驾驶员获得操纵力的感觉,构成所谓“机械反馈”。可逆液压助力操纵系 统有效解决了飞机飞行速度加大,舵面控制力矩加大的问题,由助力机构帮助驾 驶员按比例减小杆力的机械操纵系统,杆力由助力器和驾驶员共同承担,有效减 轻了驾驶员的负担。 可逆助力操纵系统虽可解决采用机械式操纵系统带来的杆力过大的问题, 但 在超音速飞机上还会出现所谓杆力反向变化的问题。由于杆力反向变化,会使驾 驶员产生错觉而无法正确驾驶飞机。为了解决这类问题,须把可逆助力操纵系统 中的机械反馈取消, 即舵面气动载荷全部由液压助力器承受。为了使驾驶员获得 操纵力感觉,在系统中增加了人工载荷机构(通常是弹簧的)以及其他改善操纵 特性的装置,如此发展出了不可逆助力操纵系统。 不可逆助力操纵系统又称全助力操纵系统, 是为了顺应超音速飞行而发展起 来的一种控制系统。 在这个阶段飞机开始实现超音速飞行,作用在舵面上的气动 力还有压心位置变化很大, 由驾驶员去直接感受舵面力矩已经没有意义,如果出 现杆力反向可能还会出现危险。 而在全助力操纵系统中,舵面力完全不会被反馈

给驾驶员,驾驶杆上的力由载荷机构/调校机构模拟。 在高空超音速飞行时, 由于空气密度减小,飞机容易发生频率很高的俯仰和 横侧振荡,驾驶员来不及作出反应。为了克服振荡,在超音速飞机上普遍安装自 动增稳装置,如俯仰阻尼器和方向阻尼器等,即构成了增稳控制系统。 在不可逆助力操纵系统中,存在着间隙、摩擦、弹性变形等影响,难以解决 微弱信号的传递问题。又由于普遍采用增稳装置,机械联杆装置越来越复杂,重 量增加。自动控制和微电子技术的发展,为取消机械传动装置创造了条件,可用 电信号综合传感器信号和驾驶员的操纵指令,对飞机进行有效的操纵,于是出现 了电传操纵系统。

电传操纵系统是将飞行员的操纵信号,经过变换器变成电信号,通过电缆直 接传输到自主式舵机的一种系统。 它去掉了传统的飞机操纵系统中布满飞机内部 的从操纵杆到舵机之间的机械传动装置和液压管路。 电传操纵系统的主要组成部 分包括运动传感器、中央计算机、作动器和电源,它相当于动物的感觉器官、大 脑和肌肉。 电传操纵系统一般按照远见的电器特性分类。采用了模拟传感器、模拟式计 算机和输入输出设备的系统被称之为模拟式电传操纵系统; 采用了数字式传感器、 数字计算机和输入输出设备的被称之为全数字式电传操纵系统。但事实上,纯数 字式传感器至今也没有研制成功,因此实际上在使用的都是模拟式传感器,数字 式计算机的半数字式电传操纵系统。

一般电传操纵系统都采用余度备份系统。 主要的传感器和飞行控制计算机都 要留有几组完全相同且同时工作的系统, 通过专门的余度管理计算机进行最后的 输出。一般现代电传操纵系统都是 4 余度系统,也有少数 3 余度,或者采用解析 余度的单余度系统。 除了主要系统之外,电传操纵系统还留有被大大简化的备份 系统, 有些还留有机械备份, 如枭龙战机采用的纵向数字式全权限四余度加两余 度模拟式电传系统; 横向数字式两余度有限权限控制增稳,以机械式操纵系统为 备份。 电传操纵的重要性在于打破了飞机设计中需要保持静稳定性的布局, 设计师 们可以为战斗任务选择和优化最有效的布局, 然后由储存在飞行控制计算机软件 中的相应控制律增加人工稳定性。 现役战斗机中已经有多种飞机采用电传操纵系 统,例如 F-16、幻影 2000、“狂风”战斗机、F-15、Su-27、F/A-18 等等。我 国自主研制的歼 10 战机最大的突破点之一即是应用了数字式电传飞控系统,其 飞控系统设计师、 西工大校友杨伟的评价是:我国的电传操作系统是目前除了美 国 F-22/35 以外最先进的, 并且创造了一项世界第一:世界上第一种采用了电传 操作系统至今还没有摔飞机的战机。 由于电传飞控存在容易被电磁干扰的危险,而光不会被电磁场所干扰,因此 航空工程师试着将电线改成光纤,电子讯号也全部以光学讯号来代替。那么即便 是打雷、磁暴或人为故意的干扰,都不会影响到传送讯号的质量,而可保证飞控 系统输入输出数据的正确度,大幅加强了飞航安全。如线传飞控一般,因为在控 制系统中讯号都是以光纤为媒介来相互传输、沟通,遂有「光传飞控」 (fly-by-light)之称。

光传飞控原理

由于现今战机的设计理念皆为「不稳定」 (与「灵活」同义) ,以方便驾驶员 做出剧烈的动作, 如敏捷地追击敌机或逃出对方魔掌,所以飞控系统随时都得下

指令给各个控制翼面以调整飞机的飞行状态,通常每秒需下达十几次指令,与敌 机缠斗时更可能高达数十次。 若能随着飞控系统的更新,自传感器利用光纤来传 输更多的航速、 风向等相关数据,使飞控计算机有较多的取样点以进行更精确的 计算,并提高指令下达的次数,相信飞行器必定更加安全、灵活。 光传飞控的研究历史悠久。以美国为例,美国自 1992 年展开的「光传飞控 /线传动力」 (FBL/PBW)计划将在 8 年内花费 8 千万美元,研究出可用于民航机 的线传飞控系统及全电气化的次动力系统。所谓「线传动力」是指让电气设备完 全取代液压和气压系统这些次动力装置,也就是说:现有的机械致动器与管路将 一一换成新发展的电动致动器与电线。乐观的话,在 1996 年将有一架采用 FBL/PBW 的实验机进行初步验证工作,但那时还不会装上光学式发动机控制系统。 较正式的行动可能要等到 1998 年才付诸实施,光传飞控系统届时将控制数片控 制翼面,同时也纳入光学式发动机控制系统。 不可否认的,即使因为技术不成熟、相关设备尚无法完全提供支持,但由于 不受电磁场影响、重量轻、数据可携量大,更包含了现有线传飞控的优点, 「光 传飞控」绝对是航空界的明日之星。也许到了二十一世纪,走在飞机维修厂棚里 会看见一堆堆闪闪发亮的光纤和透镜组; 而乘坐民航机时也可以在客舱内使用自 己的移动电话与地面连络。可以预见在不久的将来,光传飞控必将大放异彩,成 为主流。

三、总结
从飞控系统的发展过程我们不难看出, 飞控系统的发展总是伴随着人们的需 求而发展:由于机械传动阻力过大,不便于飞行员操控,出现了可逆式液压助力 系统;为了解决杆力反向的问题,出现了不可逆式液压助力系统;为了解决飞机 容易发生频率很高的俯仰和横侧振荡,驾驶员来不及作出反应的问题,出现了增 稳控制系统;由于机械结构不可避免的的间隙、摩擦等问题存在,难以解决微弱 信号的传递问题,又由于普遍采用增稳装置,机械联杆装置越来越复杂,重量增 加, 于是随着电子技术的发展, 电传飞控出现了; 再后来战场电磁环境越发复杂, 电磁干扰越发严重,为了克服电磁干扰,出现了广传飞控系统。

总而言之, 飞控系统的发展总是伴随着人们日益增多与复杂的需求。可以预 见在不久的将来,随着战场环境的复杂化,也许还会有更新的飞控系统出现。


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