4 1操縱系統的特性 4 1操縱系統的特性設計飛機操縱系統與設計飛機其它部件的主要區別與操縱系統的特點有關 這就是說 操縱系統是將飛行員與操縱機構連在一起的一種隨動系統 因此 在設計這種系統時 在很大程度上必須考慮 人 的因素 除此之外 為了使所設計的操縱系統能保證飛機有良好的操縱性 不僅需要考慮這個系統所驅動的舵面的特性 它的鉸鏈力矩 慣性 重量 剛度等 而且還要考慮飛機本身的氣動特性 慣性和動態特性 飛機的操縱可以由飛行員進行 也可以用自動控制系統來實現 將飛行員視為控制回路的一個組成部分 也可以簡化地組成一個自動調節系統 這個系統由彼此互相密切連在一起的飛行員 操縱系統和飛機三個主要環節構成 飛行員作為操縱回路中的一個環節 第四章飛機操縱系統設計與分析 4 1操縱系統的特性 其本身可簡化為由三個相互關聯環節所組成的自動調節系統 圖4 1 1 敏感器官 感受機構 傳感器 中心神經系統 完成信息加工和選擇決定的系統 以及執行機構 手臂 腿 背部肌肉 圖4 1 1 a 駕駛員 操縱系統 飛機 控制回路閉環系統圖 b 駕駛員作為控制回路的指令中心環節 用操縱機構消除飛行參數偏差量的系統原理圖 4 1操縱系統的特性 飛機作為控制對象在空間有6個自由度 其運動由6個微分方程 歐拉方程 所描述 在一般情況下 只要這些方程的解能確定任何瞬間飛機在空間運動的特性 特別是飛行員對操縱機構操作之后的運動特性 也就能判斷這種運動的穩定性 但是 直接解這些方程是相當困難的 如果在初始飛行狀態就采取無側滑的直線穩定飛行 并且認為對初始運動參數值的偏離很小 那么由于飛機的對稱性就可將含有6個運動方程的方程組分為兩個獨立的方程組 這兩個方程組以已知的精度分別描述飛機在垂直平面內的運動 稱為縱向運動 和其它兩個平面內的運動 稱為側向運動 在利用存在運動交聯的方程求解飛機運動時 每一個運動 縱向和側向 均由有四個微分方程的方程組來描述 縱向運動方程組描述兩種振蕩運動 該振蕩運動是在飛機上外部干擾 氣動干擾 操縱舵面偏轉 發動機推力變化等 停止作用之后產生的 這種振蕩運動中 4 1操縱系統的特性 的一個進行得很快 周期不長 數量級為1 5秒 稱為短周期運動 另一個進行得較慢 并且周期較長 數量級為幾十秒 稱為長周期運動 求解側向運動方程組得出 在現代飛機上 通常側向運動是兩個非周期性運動和一個周期性振蕩運動之和 短周期縱向運動和側向振蕩運動在外干擾作用和舵面偏轉之后所產生的運動特性是飛行員評價飛機穩定性和操縱性的標準 飛機縱向穩定性和操縱性主要取決于飛機的下列參數 W S ry2 Iy mcA CL CmCL Cmq Cm 飛機的側向振蕩運動 其特點是與偏航和滾轉運動密切相關 這種運動的特點主要取決于導數Cl Cn 和Cn 以及慣性質量特性rx2 4Ix mb2 rz2 4Iz mb2和Ix Iz 4 2現代高速飛機穩定性和操縱性的基本特點與操縱系統設計 高速飛機的普遍特點是 在超音速時 操縱機構的鉸鏈力矩急劇增大 增量隨速壓的增長和超過臨界M數時操縱舵面壓力的重新分布而增加 也隨舵面尺寸的增大而增加 超音速飛機最重要的特點是縱向靜態過載穩定性與飛行狀態密切相關 由于飛機在跨音速區焦點急劇后移 因而造成跨音速的速度不穩定 這種不穩定性在向超音速加速時表現為 自動俯沖 在從超音速向亞音速減速時表現為 自發增加過載 過載急增 迎角達到12 15 時縱向靜態過載穩定性喪失 所有的高速飛機的品質變差是飛機繞所有三個軸的固有振蕩阻尼惡化 對于所有飛機 縱向操縱舵面的偏轉和相應的單位過載所需操縱桿的位移 隨飛行速度的增大而減小的量是固定的 4 2現代高速飛機穩定性和操縱性的基本特點與操縱系統設計 橫向靜態穩定性實質上取決于飛行迎角和M數 對所有超音速飛機 保證側向穩定性的困難很大 Cn 0 高速飛機橫向操縱性的特點之一是 在高速飛行時橫向操縱效率顯著下降 圖4 2 1現代高速飛機操縱系統的構成1 操縱桿 2 載荷機構 3 調整片效應機構 4 機械傳動 5 復合搖臂 6 自動控制系統的多通道傳動 7 多余度舵面傳動 8 舵面 9 駕駛和舵的協調信號 10 指示儀表和信號 4 3飛機主動控制技術 4 3 1引言在70年代初 當模擬式四余度電傳飛行操縱系統作為飛機主操縱系統 代替不可逆的助力機械操縱系時 出現了一種用附加在電傳 主 操縱系統上的某些飛行控制系統來提高飛行品質的飛機 稱之為隨控布局飛機 CCV 隨控布局飛機設計思想是根據控制的需要 在飛機上設置一些操縱面 利用其偏轉 或利用原有操縱面的偏轉來改變飛機的氣動力布局和結構上的載荷分布 以減小飛機的阻力和減輕飛機結構的重量 在隨控布局技術的項目中 已經在飛機上應用的有 放寬靜穩定性 機動載荷控制和飛行邊界控制等 已經進行飛行試驗的有 直接力控制 陣風減載 乘座品質控制和機動增強等 仍在研究中的有 顫振主動抑制 除直接力控制外 其它各項均屬于 主動控制技術 ACT 由此可見 隨控布局技術包含了主動控制技術 但其內容更廣泛一些 4 3飛機主動控制技術 4 3 2放寬靜穩定性要求放寬靜穩定性要求及飛行邊界控制是兩項最基本的隨控布局技術 旅客機可以采用移動重心法來解決超音速飛行時的配平阻力過大的問題 但對于高機動性的殲擊機來說就不適用了 只有在 放寬靜穩定性要求 實現之后才可解決這個問題 4 3 3機動載荷控制機動載荷控制的目的 對于大型 轟炸 運輸 飛機和小型 殲擊 飛機是不同的 對于大型飛機是提高其巡航經濟性 對于小型飛機則是提高其機動性 NB 52飛機的機動載荷控制的控制面 F 4飛機使用機動載荷控制 4 3飛機主動控制技術 B 52 F 4 4 3飛機主動控制技術 4 3 4直接力操縱直接力操縱就是在不改變飛機飛行姿態的條件下 通過操縱一些操縱面直接提供附加升力或側力 使飛機作垂直方向或側向的平移運動來改變飛機的航跡 即所謂作 非常規機動 飛行 直接力操縱一般分為直接升力操縱和直接側力操縱 分別圖示于下 a 直接升力控制 b 直接側力控制圖示直接力操縱裝置的示意圖 4 3飛機主動控制技術 三種側向運動 直接升力控制模式 4 4電傳操縱系統 4 4 1電傳操縱系統的提出控制增穩操縱系統的主要優點 能兼顧駕駛員對飛機穩定性和操縱性的要求 解決了飛機在向高速 高空 高性能發展中穩定性和操縱性間的矛盾 使飛機的性能有很大提高 但它仍然存在以下問題 1 控制增穩操縱系統是在不可逆助力操縱系統基礎上 通過復合搖臂迭加電氣通道而組成的 在重量和結構復雜程度上均比不可逆助力操縱系統高 這會對飛機設計造成很大困難 也影響性能的提高 2 控制增穩系統對舵面的操縱權限是有限的 3 產生力反傳 4 戰傷生存力低60年代中期 由于計算機和微處理機小型化 為解決上述問題創造了有利條件 與此同時現代控制理論和余度技術日趨成熟 故去掉控制增穩操縱系統中機械桿系 增大增益 并將操縱權限擴展為全權限 引入飛機狀態參數反饋信號 此時該系統已成為電傳操縱系統了 4 4電傳操縱系統 對電傳操縱系統的分析設計 主要包括兩個方面 一是控制律 二是可靠性 4 4 2電傳操縱系統中可靠性與余度技術所謂采用余度技術就是引入多重 套 系統來執行同一指令 完成同一項工作任務 多重系統也稱余度系統 圖示是四余度系統簡圖 4 4電傳操縱系統 同時滿足下述三個條件的多重系統稱為余度系統 采用余度系統的目的是為了增加系統的可靠性 其實質是通過消耗更多的能源來換取可靠性的提高 1 對組成系統的各個部分具有故障監控 信號表決的能力 2 一旦系統或系統中某部分出現故障后 必須具有故障隔離的能力 3 當系統中出現一個或數個故障時 它具有重新組織余下的完好部分 使系統具有故障安全或雙故障安全的能力 即在性能指標稍有降低的情況下 系統仍能繼續承擔任務 4 4 3電傳操縱系統的組成電傳操縱系統可分為模擬式和數字式兩種 數字式是發展方向 4 4電傳操縱系統 F 16飛機是世界上第一架現役的電傳操縱系統飛機 圖4 4 3為F 16A飛機的電傳操縱系統原理圖 F 16 四余度模擬式電傳操縱系統原理圖 電傳操縱系統可定義為 駕駛員的操縱指令信號 只通過導線 或總線 傳給計算機 經計算按預定的規律產生輸出指令 操縱舵面偏轉 以實現對飛機的操縱 顯然它是一種人工操縱系統 其安全可靠性是有余度技術來保證的 4 4電傳操縱系統 4 5綜合飛行控制系統 4 5 1綜合飛行 火力控制系統綜合飛行 火力控制 IFFC 技術是美國在20世紀70年代中期提出的一種新的航空技術 它以飛機主動控制技術為基礎 通過飛行 火力耦合器將能解耦操縱的飛行控制系統 FCS 和攻擊瞄準系統綜合成一個閉環武器自動投放系統 1 綜合飛行 火力控制系統基本組成及特點 4 5綜合飛行控制系統 IFFC具有以下特點 飛機采用主動控制技術 獲得多自由度解耦控制功能 或者至少載機飛行控制能部分地 或近似地 實現飛行狀態和飛行姿態間的解耦控制 飛行控制系統能在火力控制系統的耦合下 操縱飛機進行自動攻擊 采用適合于自動機動攻擊的火力控制系統 2 綜合飛行 火力控制對飛行控制系統的要求IFFC技術是在主動控制技術的基礎上發展起來的 為了提高IFFC系統的效益 必須考慮到IFFC系統的特殊性 針對不同的武器模態對飛行控制系統的不同要求分別設計相應的飛行控制系統 下面以美國AFTI F 16先進戰斗機技術綜合計劃為例加以說明 4 5綜合飛行控制系統 AFTI F 16通過提高飛行品質和引入新的控制自由度來改進飛行軌跡的控制 圖示AFTI F 16控制規律對模態結構 4 5綜合飛行控制系統 4 5 2綜合飛行 推進控制系統綜合飛行 推進控制 IFPC 技術就是把飛機與推進 包括進氣道 發動機和尾噴管 系統綜合考慮 在整個飛行包線內最大限度地滿足飛行任務的要求 以滿足推力管理 提高燃油效率和飛機的機動性 有效地處理飛機與推進系統之間耦合影響及減輕駕駛員負擔等項要求 從而使系統達到整體性能優化 一般來說 IFPC技術包括系統功能綜合和系統物理綜合 前者是提高飛機武器系統整體性能的有效途徑 后者可改善系統有效性 SE 和全壽命費用 LCC 下面以某型殲擊機為例 說明帶推力矢量綜合飛行 推進控制系統的組成和功能 某殲擊機具有水平鴨翼的三翼面氣動布局 該機裝有兩 4 5綜合飛行控制系統 臺雙軸渦輪噴氣發動機 尾噴管安裝具有反推力能力的俯仰 偏航矢量噴管 該機綜合飛行 推進控制系統的方塊圖如下圖所示 圖示綜合飛行 推進控制系統方塊圖 4 5綜合飛行控制系統 4 5 3飛行管理系統飛行管理系統 FMS FlightManagementSystem 是一個協助飛行員完成從起