飞机构造基础第5章飞机飞行操纵系统

《飞机构造学》主讲教师:ZHANG第5章飞机飞行操纵系统5.1飞行操纵系统概述1、定义：飞机飞行操纵系统是飞机上用来传递操纵指令，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。2、操纵系统功用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。飞行操纵系统分为三个环节：中央操纵机构传动机构驱动机构产生操纵指令传递操纵指令驱动舵面运动3、飞行操纵系统分类（1）根据操纵信号来源不同：人工飞行操纵系统，其操纵信号由驾驶员发出。飞机的俯仰、滚转和偏航操纵系统；增升、增阻操纵系统；人工配平系统等。自动飞行控制系统，其操纵信号由系统本身产生，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。自动驾驶仪；发动机油门自动控制结构振动模态抑制系统。（2）根据信号传递方式机械操纵系统钢索、传动杆等机械部件传递电缆传递电传操纵系统（3）根据驱动舵面运动方式简单机械操纵系统(无助力)助力操纵系统液压助力（有回力/无回力）电驱动（4）根据舵面的类型副翼横滚操纵主操纵系统升降舵俯仰操纵方向舵偏航操纵襟翼、缝翼增升装置操纵辅助操纵系统扰流板扰流板操纵安定面配平操纵B737副翼及其调整片A320扰流板5.对飞行操纵系统的要求•一般要求：–重量轻、制造简单、维护方便；–具有足够的强度和刚度。•特殊要求：–保证驾驶员手、脚操纵动作与人类运动本能相一致；–纵向或横向操纵时彼此互不干扰；–脚操纵机构能够进行适当调节；–有合适的杆力和杆位移；–启动力应在合适的范围内；–系统操纵延迟应小于人的反应时间；–应有极限偏转角度止动器；–所有舵面应用“锁”来固定。•用于锁住传动机构某个部位，从而防止舵面移动。•常位于驾驶舱内。内部舵面锁操纵机构锁•用于锁住操纵机构，从而防止舵面和传动机构移动。5.2飞机操纵系统的三个环节•中央操纵机构—由驾驶员直接操纵的部分：–手操纵机构：驾驶杆/驾驶盘控制副翼和升降舵–脚操纵机构：脚蹬控制方向舵•传动机构—将操纵信号传到舵面：–机械传动–电传动•舵面驱动机构–简单机械式操纵系统–助力液压操纵系统–电力驱动系统中央操纵机构1.手操纵机构•驾驶杆式手操纵机构–推、拉杆升降舵；–左、右压杆副翼。横纵向操纵的独立性驾驶杆要操纵升降舵和副翼，但两者不会互相干扰。独立性分析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；由于圆锥体的顶点c到底部周缘上任一点的距离相等，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！•驾驶盘式手操纵机构–推、拉升降舵；–左、右转动副翼。独立性分析–左右转动驾驶盘时，支柱不动，升降舵不会偏转；–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，不会使副翼偏转。1.手操纵机构•驾驶杆–结构简单，便于操纵，但是不便于增大驾驶杆倾斜角的的办法来减小操纵副翼时的杆力；–适用于机动性能较好而操纵时费力较小（或装有助力器）的飞机•驾驶盘–结构复杂，但可以从过增大驾驶盘的转角，使操纵副翼胜利，但是时间长；–适用于操纵时费力较大而机动性能要求较低的中型和大型飞机2.脚操纵机构•平放式脚蹬–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；–平行四边形机构的作用：保证在操纵方向舵时，脚蹬只作平移而不转动，便于飞行员操纵。•立放式脚蹬–蹬脚蹬时，通过传动杆和摇臂等构件的传动使方向舵偏转；–由于传动杆和摇臂等的连接，左右脚蹬的动作是协调的！2.脚操纵机构手操纵机构与脚操纵机构的匹配驾驶杆驾驶盘平放式脚蹬平放式脚蹬为了取得较大的操纵力臂，两脚蹬之间距离较大；与左右活动范围较大的驾驶杆配合使用！立放式脚蹬通过增长与脚蹬连接的摇臂来获得足够的操纵力臂的，两脚蹬之间距离较小；多与驾驶盘配合使用！驾驶盘和脚蹬示意图3.飞行主操纵原理•后拉驾驶盘，升降舵上偏，机头上仰；前推驾驶盘，升降舵下偏，机头下沉；•左转驾驶盘，左副翼上偏，右副翼下偏，飞机左倾；右转驾驶盘，左副翼下偏，右副翼上偏，飞机右倾；•蹬左脚蹬，方向舵左偏，机头左偏；蹬右脚蹬，方向舵右偏，机头右偏。传动机构•机械传动机构–软式传动–硬式传动–混合传动•电传操纵机构–软式传动：靠钢索张力传递操纵力，必须有两个钢索构成回路，轮流起作用，一根主动，一根被动。软式传动系统软式传动应用某些小型飞机大型运输机硬式式传动：靠传动杆传动操纵力，传动杆受拉力或压力。传动杆由金属制成，刚度较大。硬式传动应用某些小型飞机（如TB20）高速飞机（如战斗机）机械传动机构比较优点缺点软式构造简单，尺寸较小，重量较轻;比较容易绕过机内设备！刚度较小，弹性间隙；操纵灵敏度差；钢索在滑轮处容易磨损！硬式刚度较大；铰接点用滚珠轴承减小摩擦力，并消除间隙；具有较佳的操纵灵敏度！构造复杂，重量加大；难于“绕”过机内设备；易与发动机发生共振！混合兼有硬式和软式的优点和缺点！1.软式传动机构主要构件（1）钢索钢索由钢丝编成，只承受拉力，不能承受压力。在软式传动机构中，用两根钢索构成回路，以保证舵面能在两个相反的方向偏转.①构造和规格钢索缺点及解决办法（软式传动缺点）弹性间隙钢索承受拉力时，容易伸长。由于操纵系统的弹性变形而产生的“间隙”称为弹性间隙；钢索的弹性间隙太大，会降低操纵的灵敏性；解决：钢索预紧②钢索缺点及解决办法（软式传动缺点）•钢索预加张力随温度变化–飞机机体外载荷及周围气温变化会使机体结构和操纵系统钢索产生相对变形，导致钢索变松或过紧。–变松将发生弹性间隙，过紧将产生附加摩擦。解决：–松紧螺套（小型飞机）–钢索张力自动调节器–封闭式钢索松紧螺套作用：–调整钢索的预张力–检查小孔作用调松钢索时，螺杆末端不应超过小孔的位置钢索张力补偿器功用：保持钢索的正确张力。封闭式钢索将普通的挠性钢索和挤压在钢索上面的铝管构成，钢管将钢索封闭在里面铝管挤压在普通钢索上，使其张力受温度变化的影响减小。标尺上盖②钢索缺点及解决办法（软式传动缺点）•钢索断丝和腐蚀–断丝检查：擦拭，检查布被丝勾住的地方；彻底检查时，把舵面运动到最大行程。–锈蚀检查：目视检查，表面还是内部腐蚀。防护:a.不要将各种液体、生活废水等洒到地板上，以防渗透地板腐蚀操纵系统钢索。b.加强维护检查。（2）滑轮——胶木或硬铝制成作用：–支持钢索–改变钢索的运动方向支点处装有滚珠轴承（3）扇形轮——又称扇形摇臂作用：–支持钢索；–改变钢索的运动方向；–改变传动力的大小。（4）钢索导向装置作用：保护钢索，保持钢索维持，防止钢索松脱、卡阻。2.硬式传动机构主要构件（1）传动杆硬式传动机构中的操纵力由传动杆传递，传动杆可承受拉力和压力。传动杆的刚度较大。•可调接头传动杆两端有接头，其一端的接头可以调整。调整接头端部有检查小孔，把传动杆调长时，接头螺杆的末端不应超过小孔的位置。•空心的传动杆需要排水孔•失效形式——失稳！（2）摇臂摇臂通常由硬铝材料制成，在连接处装有轴承；摇臂按臂数可分为单摇臂、双摇臂和复摇臂三类。摇臂的作用支持传动杆；改变传动力的大小；改变位移；改变传动速度；改变传动方向；实现差动操纵传动方向的改变差动操纵•所谓差动，就是当驾驶杆前后（或左右）偏转的同一角度时，升降舵（或副翼）上下（或左右）偏转的角度不同。•实现差动操纵最简单的机构是差动摇臂。（3）导向滑轮导向滑轮由三个或四个小滑轮及其支架组成；•功用：–支持传动杆，提高传动杆的受压时的杆轴临界应力；–增大传动杆的固有频率，防止传动杆发生共振。3.传动系数XK传动系数K是指舵偏角△δ与杆位移△X的比值。MPK操纵系统的传动比是操纵系统的另一个参数，其大小由驾驶杆和各摇臂的传动比决定！传动比定义：传动比n是指杆力P与舵面操纵摇臂上的传动力Q的比值。QPn当操纵系统处于平衡状态时：舵面铰链力矩M=Q·rr是传动力对铰链的力臂n=K·r非线性机构•传动系数不变的操纵系统，不能满足对飞机操纵性的要求：–传动系数大，小舵面偏角小时，杆行程太小，难以准确地控制操纵量；–传动系数小，舵面偏角很大时，杆行程过大！•装有非线性传动机构的操纵系统，杆行程与舵面偏角之间成曲线关系。5.4舵面补偿装置随着飞行速度的提高舵面尺寸的增大，M与P也相应增大。为了减小M与P，通常采用舵面补偿装置进行空气动力补偿。轴式补偿角式补偿内封补偿使用调整片配平调整片随动调整片平衡调整片弹簧调整片5.5主操纵系统主操纵系统辅助操纵系统警告系统副翼升降舵方向舵飞机操纵系统由3部分组成增升装置扰流板水平安定面起飞警告失速警告副翼横滚操纵主操纵系统升降舵俯仰操纵方向舵偏航操纵襟翼、缝翼增升装置操纵辅助操纵系统扰流板扰流板操纵安定面配平操纵大型客机常采用混合副翼：内副翼：全速副翼外副翼：低速副翼前缘襟翼后缘襟翼前缘缝翼副翼操纵并列式柔性互联驾驶盘操纵机构输入机构横滚操纵的特点使用两个独立的液压助力器驱动副翼；驾驶盘转动超过一定角度后，飞行扰流板随副翼成比例运动；内、外侧飞行扰流板分别由两套液压系统供压；液压失效时可利用机械传动对副翼进行操纵；副翼或扰流板机械传动线路卡阻时可加力转动驾驶盘旁通故障线路；副翼配平电门通过配平电机使副翼重新定中立位，从而消除感力；大型客机常采用混合副翼：内副翼：全速副翼外副翼：低速副翼双套机械传动线路内、外侧飞行扰流板分别由两套液压系统供压；驾驶盘转动超过一定角度后，飞行扰流板随副翼成比例运动；液压失效时可利用机械传动对副翼进行操纵；副翼或扰流板机械传动线路卡阻时可加力转动驾驶盘旁通故障线路；感觉定中机构和与副翼配平作用–Feel：转动驾驶盘，产生感觉力；–Centering：松开驾驶盘，系统定中；–Trimming：配平操纵期间，系统重新定中，维持飞机的起动力平衡;–Ailerontrimindicator升降舵操纵MACHTRIM升降舵操纵系统组成输出扭力管:双套独立液压系统操纵升降舵接助力器接升降舵•升降舵感觉和定中机构动压载荷感觉装置通过专用空速管提供动压，通过感觉变换机构调节感觉作动筒的液压，由感觉作动筒调节弹簧载荷定中机构的弹簧力，使驾驶员感觉的操纵力与舵偏角、飞行高度及飞行速度成比例关系。在接近大迎角失速时还可提供更大的感觉力驾驶杆感觉作动筒助力器水平安定面升降舵马赫配平机构滚轮滚轮臂定中连杆壳体定中凸轮定中弹簧动压感觉机构感觉变换机构回油升降舵感觉和定中机构动压载荷感觉装置—除具有弹簧式感觉定中机构的特性外，还可以将空速信号引进，即随飞行速度增加，驾驶员感觉力也会增加；升降舵动压感觉机构，感觉作动筒；水平安定面移动或马赫配平机构工作——改变定中机构壳体位置，使得升降舵和驾驶杆移动到新中立位置。马赫配平•马赫配平是一套自动装置，感受飞行马赫数当需要配平时，飞机自动使升降舵向上偏一个角度进行配平，避免飞机自动下俯现象发生。马赫配平飞机以高马赫数飞行时，跨音速效应使飞机机头自动下沉。马赫配平系统可提供飞机在高马赫数飞行时的稳定性：当飞行马赫数达到产生自动下俯现象的数值时，马赫数配平系统自动操纵升降舵向上偏转一个角度，从而避免自动下俯。马赫配平系统方向舵操纵•飞机协调转弯操纵飞机转弯时，需要靠副翼和升降舵协调转弯•偏航阻尼器–功用•消除飘摆（荷兰滚）–工作原理•偏航阻尼器根据空速信号和方向舵侧滑角加速度信号，适时提供指令使方向舵相对飘摆振荡方向偏转，增大偏航运动阻尼，消除飘摆。–偏航阻尼器驱动方向舵的偏转角小于脚蹬操纵的方向舵偏转角偏航阻尼器5.6辅助操纵系统飞机辅助操纵系统与主操纵系统不同，操纵时不给驾驶员提供操纵力和位移的感觉，但驾驶员必须知道辅助操纵面的位置，故需设位置指示器或指示灯。辅助操纵系统工作中的特点是：当操纵面被操纵到需要的位置后，不会在空气动力作用下返回原来位置。功用：改善操纵性，提高飞机飞行性能增升装置•前缘装置–前缘襟翼（LEflaps）–前缘缝翼（LEslats）•后缘装置–后缘襟翼（T