4第四章 飞行操纵系统

1第四章飞机飞行操纵系统4.1操纵系统概述飞机飞行操纵系统是飞机上所有用来传递操纵指令，驱动舵面运动的所有部件和装置的总合，用于飞机飞行姿态、气动外形、乘坐品质的控制。驾驶员通过操纵飞机的各舵面和调整片实现飞机绕纵轴、横轴和立轴旋转，以完成对飞机的飞行状态控制。飞行操纵系统是飞机的重要组成部分之一，它的工作性能是否良好正常，直接影响着飞机性能能否正常发挥，并关系到飞机的飞行安全。因此，飞机操纵系统除了应满足强度、刚度足够和重量轻等一般要求外，还要在工作中安全可靠，操纵轻便、灵敏、准确。一、飞机飞行操纵系统的分类现今飞机飞行操纵系统可以根据操纵信号的来源分为两大类：人工飞行操纵系统和自动飞行控制系统。人工飞行操纵系统，其操纵信号是由驾驶员发出的，自动飞行控制系统，其操纵信号是由系统本身产生的，自动飞行控制系统是对飞机实施自动和半自动控制，协助驾驶员工作或自动控制飞机对扰动的响应。如自动驾驶仪、发动机油门自动控制、结构振动模态抑制系统都属于自动飞行控制系统。二、飞机飞行操纵系统的发展随着科学技术的发展，高精尖技术首先在飞机上获得了应用。在这期间，操纵系统发生了一系列变化。早期飞机操纵系统为简单机械操纵系统，分为软式操纵系统和硬式操纵系统。简单机械操纵系统构造比较简单，主要由驾驶杆、脚蹬、钢索、滑轮、传动杆、摇臂等组成。随着飞机尺寸和重量的增加，飞行速度的不断提高，即使使用了气动补偿，驾驶杆力仍不足以克服铰链力矩，40年代末出现了液压助力器，实现了助力操纵。随着超音速飞机的出现，飞机在高空超音速飞行，遇到了纵向静稳定性过大，动稳定性（气动阻尼）不足的问题。为解决这一问题，在飞机操纵系统上附加了自动增稳系统。增稳系统是利用速率陀螺和加速度计测出飞机的振动模态，并借助舵面的反向运动来造成人工阻尼，可使飞机在高空、高速或大仰角飞行状态下具有良好的稳定性。由于增稳系统在增大飞机阻尼和改善动稳定性的同时，必然在一定程度上削弱了飞机操纵反应的灵敏度，从而降低了飞机的操纵性。为了消除这个缺点，在自动增稳系统的基础上研制出了控制增稳系统。控制增稳系统与增稳系统的不同之处在于它除了具有来自速率陀螺和加速度计起增稳作用的电气信号外，还综合了来自驾驶员操纵驾驶杆（脚蹬）的电指令信号，两者的的极向是相反的。因此，控制增稳系统可以采用较高的反馈增益，提高回路阻尼和增加增加飞机的稳定性；若驾驶员进行操纵，输出增控信号可使高阻尼信号减小，获得所需的响应，改善了飞机的操纵性和机动性。由于在复杂的机械系统中存在着摩擦、间隙和弹性变形，始终难以解决精微操纵信号的传递问题。70年代初，成功的实现了电传操纵系统，它取代不可逆助力操纵系统而2成为主操纵系统。电传操纵系统是在控制增稳系统发展的必然产物。若把操纵权限全部赋予控制增稳系统，并使电信号替代机械信号而工作，机械系统处于备用地位，这就是“准电传操纵系统”；若再把备用机械操纵系统取消，就成为“纯电传操纵系统”，简称为“电传操纵系统”。电传操纵系统是现代技术发展的综合产物，微电子技术和计算机科学的发展，可靠性理论和余度技术的建立为电传系统奠定了基础，余度系统赋予它较高的安全可靠性。电传操纵系统在现代民航飞机中获得广泛应用。4.2简单机械操纵系统简单机械操纵系统是一种人力操纵系统，由于其构造简单，工作可靠，使用了30余年才出现助力操纵系统。简单机械操纵系统现在仍广泛应用于低速飞机和一些运输机上。本节主要介绍对飞机主操纵系统提出的某些特殊要求，中央操纵机构和传动机构的构造型式和工作原理，以及其主要构件的构造和工作特性。4.2.1对飞行操纵系统的要求操纵系统除了应满足重量轻、制造简单、维护方便、生存力好、足够的强度和刚度等要求外，还应满足以下一些特殊要求：(1)保证驾驶员手、脚操纵动作与人类运动本能相一致。这样可避免发生错误的操纵动作和分散驾驶员的注意力，同时可以缩短训练驾驶员的时间。正确的操纵动作应是：驾驶盘（或驾驶杆）前推，机头应下俯，飞机下降，否则反之；驾驶盘向左转，飞机应向左侧倾斜，否则反之；踩右脚蹬，机头应向右偏转，否则反之。(2)驾驶杆既可操纵升降舵，又可操纵副翼，同时要求在纵向或横向操纵时彼此互不干扰。(3)驾驶舱中的脚操纵机构应当能够进行调节，以适应不同身材的需要。(4)驾驶员是凭感觉来操纵飞机的，除感受过载大小之外，还要有合适的杆力和杆位移的感觉，其中杆力尤为重要。脚蹬力和脚蹬位移也是如此。(5)驾驶杆（或脚蹬）从配平位置偏转时，所需的操纵力应该均匀增加，并且力的指向总是与偏转方向相反，这样，驾驶杆（或脚蹬）就有自动回中（即回到配平位置）的趋势。(6)驾驶杆力（或脚蹬力）应随飞行速度增加而增加，并随舵面偏转角度增大而增大。(7)为防止驾驶员无意识动杆及减轻驾驶员的疲劳，操纵系统的启动力应在合适的范围内。“启动力”是指飞机在飞行中舵面开始运动时所需的操纵力，启动力包括操纵系统中的摩擦（其中包括助力器分油活门的摩擦），预加载荷等。(8)操纵系统的间隙和系统的弹性变形会产生操纵延迟现象。延迟是很危险的，因此必须使操纵系统中的环节和接头数量最少，接头处的活动间隙量小及系统应有足够的3刚度。(9)在中央操纵机构附近应有极限偏转角度止动器，以防止驾驶员用力过猛，操纵过量而使系统中某些部件或机体结构遭到损坏。(10)飞机停在地面上时，为防止舵面被大风吹坏，所有舵面应用“锁”来固定。舵面锁紧系统应在飞机内部，不应采用外部锁紧装置，内锁紧装置应直接与舵面连接。为防止在起飞状态下，舵面仍处于锁定状态，要求必须在所有舵面都开锁后，油门才能打开。4.2.2飞行操纵系统的工作原理飞行操纵系统通常包括主操纵系统和辅助操纵系统两部分。主操纵系统用来操纵方向舵、副翼、升降舵。辅助操纵系统用来操纵水平安定面、调整片等。在主操纵系统中，飞行员手、脚直接操纵的部分，称为中央操纵机构（或称座舱操纵机构），它是由手操纵机构和脚操纵机构所组成。手操纵机构是用来操纵升降舵和副翼的，脚操纵机构是用来操纵方向舵的（如图4-1所示）。将操纵机构的动作传到舵面的部分，叫做传动机构（或称为传动装置）。传动机构是由传动杆、摇臂、钢索、滑轮等组成。图4-1飞行操纵系统脚操纵手操纵驾驶杆驾驶杆升降舵升降舵副翼副翼脚蹬脚蹬方向舵方向舵44.2.3飞机主操纵系统的构造和工作原理飞机主操纵系统是由中央操纵机构和传动系统两大部分组成。中央操纵机构由手操纵机构和脚操纵机构所组成。一、中央操纵机构的构造和工作原理（一）手操纵机构手操纵机构一般分为驾驶杆式和驾驶盘式等两种。图4-2表示一种驾驶杆式手操纵机构。前推或后拉驾驶杆时，驾驶杆绕着轴线a-a转动，经传动杆1和摇臂1等构件的传动，可操纵升降舵；左右压杆时，驾驶杆绕轴线b-b转动，这时扭力管和摇臂2都随之转动，经传动杆2等构件的传动，即可操纵副翼。驾驶杆式手操纵机构虽然要操纵两个舵面——升降舵和副翼，但两者不会互相干扰。也就是说，单独操纵某一舵面时，另一舵面既不随之偏转，也不妨碍被操纵舵面的动作。从图4-2中可以看出，当驾驶杆前后运动时，扭力管并不转动，因而不会去传动副翼。驾驶杆左右摆动时，除了扭力管转动外，驾驶杆下端还要带着传动杆1左右摆动。由于该传动杆两端的接头容许传动杆在一定范围内摆动，而且其一端采用了可以旋转的接头，所以它不会妨碍驾驶杆左右摆动。同时该传动杆与摇臂1的连接点c位于轴线b-b上，驾驶杆左右摆时，传动杆沿着以b-b线为中心轴，以c点为顶点的锥面运动（图4-3）。由于圆锥体的顶点c到底部周缘上任一点（例如1、2、3、4、5各点）的距离是相等的，所以当驾驶杆左右摆动时，摇臂1不会绕其支点前后转动，因而升降舵不会偏转。图4-2驾驶杆式手操纵机构图4-3驾驶杆式手操纵机构原理传动杆1传动杆2摇臂1摇臂2驾驶杆扭力管5图4-4表示一种驾驶盘式手操纵机构。前推或后拉驾驶盘时，支柱绕轴线a-a转动，经摇臂等传动，可操纵升降舵；左右转动驾驶盘时，其转轴上的齿轮带动链条和钢索，可操纵副翼。驾驶盘式手操纵机构，也能保证操纵升降舵与操纵副翼时互不干扰。左右转动驾驶盘时，支柱不动，所以，不会使升降舵偏转；而前推或后拉驾驶盘时，由于和横管平行驾驶时，支柱不动，所以，不会使升降舵偏转；而前推或后拉驾驶盘时，由于和横管平行的一段钢索与轴线a-a是重合的，钢索不会绷紧或放松，所以既不会使副翼偏转，也不会影响驾驶盘的前后动作。上述两种手操纵机构相比，驾驶杆构造较简单，便于飞行员一手操纵驾驶杆，一手操纵油门手柄，但是它不便于用增大驾驶杆倾斜角度的办法来减小操纵副翼时的杆力；驾驶盘式构造较复杂，但可通过增大驾驶盘的转角，使操纵副翼省力，当然，这时使副翼偏转一定角度所需的时间要相应增长。因此，前者多用于机动性较好而操纵时费力较小（或装有助力器）的飞机，后者多用于操纵时费力较大而机动性要求较低的中型和大型飞机。（二）脚操纵机构脚操纵机构有脚蹬平放式和脚蹬立放式两种。图4-5表示一种脚蹬平放式脚操纵机构。图中的脚蹬安装在由两根横杆和两根脚蹬杆组成的平行四边形机构上。飞行员蹬脚蹬时，两根横杆分别绕转轴O和O’转动（转轴固定在座舱底板上），经钢索（或传动杆）等的传动，使方向舵偏转。平行四边形机构的作用，是保证在操纵方向舵时，脚蹬只作平移而不转动（如图中双点划线所示），以便于飞行员操纵。图4-6和图4-7表示两种脚蹬立放式脚操纵机构。前者的转轴在脚蹬上，后者的转轴（a—a和b—b轴）在脚蹬之下。图4-5脚蹬平放式脚操纵机构图4.-4驾驶盘式手操纵机构6从图中可见，蹬脚蹬时，它们都是通过传动杆和摇臂等构件的传动而使方向舵偏转的。同时，由于传动杆和摇臂等的连接，左右脚蹬的动作是协调的，即一个脚蹬向前时，另一个脚蹬向后。上述两种操纵机构相比，脚蹬平放式脚操纵机构，为了取得较大的操纵力臂，两脚蹬之间的距离较大；脚蹬立放式脚操纵机构，是通过增长与脚蹬连接的摇臂来获得足够的操纵力臂的，两脚蹬之间的距离可以做得较小。所以，前者多与左右活动范围较大的驾驶杆式手操纵机构组合，后者则多与驾驶盘式手操纵机构组合。脚蹬操纵机构除了上述基本组成部分还有一些其它设备，其中主要有：(1)脚蹬前后位置的调整设备。通过它可以调整脚蹬的前后位置，以适应不同身材飞行员的需要；(2)驾驶杆（盘）和脚蹬的限动装置，限制驾驶杆（脚蹬）的最大活动范围，从而控制舵面的最大偏转角以符合规定，凡是可以调整的限动装置应在调整好的位置上保证确定锁紧，或用锁紧丝保险。为了防止可能因错误调整或错误装配而使舵面的偏转角超过规定而产生危险，则在舵面附近也应有限动装置。二、传动机构的构造和工作原理(一)传动机构的构造型式飞机操纵系统的传动机构通常分为软式、硬式、混合式三种。软式传动机构主要由钢索、滑轮等构件所组成；硬式传动机构主要由传动杆、摇臂等构件所组成；混合式传动机构则由软式、硬式传动机构混合组成。在软式传动机构中，操纵力只能靠钢索的张力传递，因此必须有两根钢索构成回路，轮流起作用，一根主动，另一根被动。这种软式传动的优点：构造简单，尺寸较小，重量较轻，比较容易绕过机内设备；其缺点是钢索的刚度较小，受力后容易被拉长，使操纵灵敏度变差。钢索在转弯处绕过滑轮，产生较大的摩擦力，并容易磨损，其生存力也较小。在硬式传动机构中操纵力是由传动杆传递的，这时，传动杆受到拉力或压力。传动杆是由管件制成的，它的拉压应力较小，因此变形也较小，即刚度较大。传动机构中的图4-6脚蹬立放式脚操纵机构之一图4-7脚蹬立放式脚操纵机构之二方向舵操纵钢索脚蹬7铰接点可以用滚珠轴承，滚珠轴承可以减小传动机构的摩擦力，并消除间隙。因此，硬式传动具有较佳的操纵灵敏度。此外，硬传动的生存力也较大一些，尤其是副翼的操纵，如一边传动杆完全损坏，仍可用另一边的副翼来进行横向操纵。硬式传动的缺点在于：传动杆难于“绕”过飞机内部设备；由于需要大量的铰接而使构造复杂化，和使整个系统的重量加大。除此以外还必须使传动杆不致与发动机的使用转速发生共振现象。混合式传动机构兼有硬式和软式的优点和缺点。由上述可见，三种传动形式各有特点，不能说哪一种是“过时了”的。在飞