飞控系统知识介绍

电传操作系统晨曦第二次世界大战后不久，出现了全助力操纵系统。在这种系统中，操纵钢索从驾驶杆直接连到作动器的伺服阀上，不再与操纵面发生直接机械联系。使用全助力操纵的主要原因是在跨音速飞行时，作用在操纵面上的力变化很大而且非线性很厉害。这样，操纵时从操纵面反传到驾驶杆上的力从操纵品质的观点来说是难以接受的。全助力操纵系统本身是不可逆的，因此不受跨音速飞行中非线性力的影响，由于这种操纵方法不再需要飞行员的体力去改变舵面状态，使得飞行员无法直观地感受到飞机所处的状态，于是就借助一些力反馈装置来提供人工杆力，这种人工杆力虽然在移动操纵面时不需要，但在操纵飞机时给飞行员提供适当的操纵品质还是必要的，人工杆力的设计可以使人的操纵感觉从亚音速飞行平滑地过渡到超音速飞行阶段。随着飞机尺寸的继续增加和性能的进一步提高，增加稳定性帮助飞行员操纵变得十分迫切，于是从全助力操纵系统发展到增稳系统，如偏航增稳系统、俯仰增稳系统和横滚增稳系统。系统通过传感器反馈的飞机状态，在程序控制下自动控制舵机偏转，以保证飞机静稳定性。这种增稳系统与驾驶杆或脚蹬是互相独立的，因而增稳系统的工作不影响驾驶员的操纵。从增稳系统发展到电传操纵（FBW）系统只是很小的一步，通过加上一个离合器或其它使机械系统在不使用时断开的方法便可以实现，“协和”超音速客机上就装有这种系统。把电传操纵系统中的机械备份完全去掉就成了全电传操纵（FFBW）系统。电传操纵（FlyingByWire）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。尽管确实存在仅仅依靠电子线路将操纵信号传递到舵机上的所谓“直接电气传动系统”的电传飞行控制系统，但工业上普遍将电传操纵系统定义为“一种利用反馈控制原理，将飞行器的运动作为受控参数的电子飞行控制系统”。由于没有机械结构，电传操纵系统的可靠性比起传统的机械式飞行控制系统要可靠很多。同时因为加入了反馈控制，使飞行员的操纵压力大大减小。一套典型的电传操纵系统是由传感器组（各种陀螺、加速度计等惯性测量器件和迎角传感器等大气测量器件）、输入设备、飞行控制计算机、舵机和电气传输线路组成。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。在说四余度电传操控之前，不得不说的是战机增稳系统，很多人把电传操控跟增稳系统的概念完全分开，其实是错误的。随着飞行速度与飞行高度的增加，飞机的气动特性变化很大，飞机的稳定性与操控品质受到很大的影响。如:高空高音速飞行时，由于纵向短周期阻尼比不足，使得战机飞行时出现自动点头的现相，如果没有自动控制系统的协助，高空高音速飞行时，因稳定性变差，飞机还很容易产生俯仰振荡和侧向振荡，如是，为了提高飞行品质，飞机就在操纵系统中安装了自动增稳系统。初期的自动增稳系统由传感器，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，可大大的提高飞机的飞行稳定性，它与机械操纵相互独立，就是既能自动操纵飞机，又不妨碍飞行员操纵。但后来发现，增稳系统在境加稳定性的同时，在一定程度上使飞机的机动能力有所下降，在60年代，研究了控制增稳系统，即在增稳系统的基础上引入增控通道来提高飞机的操控性，控制增稳系统与增稳系统在战机稳定性上一样，而在操纵性上更优，其增加了指令模型及其附件(杆力传感器)在控制增稳系统中，飞行员的操纵被分为两路输出使舵面偏转，一路通过不可逆助力操纵系统(机械通道)。一路通过杆力传感器的输出信号。但是，出于安全性的考虑，控制增稳系统的传限不是很大，一般不超过舵面最大偏角30%，后来，解决办法是在控制增稳系统中加了一个离合器，就是在不使用机械部份时自动断开，这就是准电传操控系统，这时，机械操作只是作为一个备份使用。把机械部份全去，把全部权限交给控制增稳系统，带飞机状态反馈的电气操纵系统，就是纯电传操控系统。余度技术。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。在余度技术中，各个部分都有故障监控和信号表决能力，一旦系统与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。并持行完好的部分。F16战斗机，是世界上第一个采用四余度电传操控系统的战机，安全性很高，能自动限制迎角，过载，飞行员可元所顾忌的操纵而不必担心操纵失误而造成失速。电传操控系统分模拟式与数字式两种。其中F18，美洲虎，A320就是采用数字式的。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。电传操纵系统最早是为了解决飞行器的稳定性而开发。在二十世纪60年代后，某些飞行器为了降低阻力而造成稳定性急剧下降。还有某些飞行器在整个飞行包线内稳定性变化较大，这样导致飞行员控制压力加大，甚至根本无法控制飞机。为此，设计机构将陀螺仪加入飞机的机械控制系统中，用来产生一个辅助的控制信号，通过一套机械机构将增稳信号叠加到飞行员输入的控制信号中。在SR-71高速侦察机中，美国首次将模拟式计算机加入了作为辅助的陀螺增稳信号中。这样的系统被称之为控制增稳系统。随着70年代末电子技术的大发展，西方最早开始尝试直接将飞行员的操纵信号直接接入计算机，从而放弃了全部机械控制系统，构成了完全由电气设备组成的电传操纵系统。由飞机操纵系统的发展我们可以体会到，任何事物的发展都是由需要和可能这两个因素决定的，电传操纵系统的发展也是如此。它是随着飞机（包括某些飞行器）的飞行控制技术的不断提高以及科学技术的发展而逐渐发展起来的。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。电传操纵的优缺点电传操纵系统克服了传统的机械操纵系统存在的一系到缺点：重量大、占据空间大、存在非线性（摩擦、间隙）和弹性变形，为了保证飞机合适的操纵性的机械机构相当复杂。电传操纵系统与机械系统相比却简单得多，它不受温度变化而引起的膨胀和收缩的影响，不需要润滑，去掉了百余个铰支点，更重要的是可为主动控制技术的实现作出重要贡献。电传操纵系统的优点概括起来有下述几点：减轻操纵系统的重量。按飞行操纵系统的重量百分化来考虑，使用电传操纵系统可减轻的重量是相当显著的。据研究估计在战斗机上使用电传操纵系统可使飞行操纵系统的重量减轻58%，如F-16减少181公斤；通用动力公司估计在大型、高性能战略轰炸机上使用电传操纵系统的话，可使飞行操纵系统重量减轻84%，即242.7公斤左右；洛克希德公司估计在大型运输机上使用电传操纵系统可使飞行操纵系统重量减少317.5公斤；在直升机上应用电传操纵系统也能使重量减少很多。在类似现在使用的那些直升机上应用电传操纵系统可使操纵系统重量减少86%。减少体积。在高性能飞机上使用电传操纵系统使操纵系统的体积大为减少。在战术战斗机上可减少体积24000立方厘米；对于战略轰炸机来说，体积的减少更为惊人。通用动力公司估计，使用电传操纵系统，由于去掉安装操纵钢索、铺设管道和机械联动机构的空间，体积可减少4.39立方米。节省设计和安装时间。使用电传操纵系统可以缩短设计和安装时间，这是不言而喻的。据北美洛克威尔公司估计，大批生产时，大型、高性能战略轰炸机飞行操纵系统设计和安装时间，每架飞机差不多可节约5000个工时，使每架飞机生产总成本降低8万美元。提高飞行操纵系统的可靠性和生存性。由于电传操纵系统都采用冗余技术，例如三余度或四余度设计，可使系统可靠性大大提高，这种可靠性的提高除了增加飞行操纵系统本身结构可靠性外，还可从排除像维护疏忽、自然界的影响或是飞行中机务人员或乘客的动作之类的因素造成的不能予知的故障影响，这些故障在一般机械操纵系统中是灾难性的故障。所谓三余度或四余度就是飞机的传感器、计算机和舵机采用三或四套，以确保一套发生故障时，能够有另一套继续完成相应工作，确保飞机的安全。减少维护工时。采用机内自检装置可从很快发现故障并加以隔离，恢复工作状态，就不需要进行现在必须完成的花钱多、费时间的定期维修。电传操纵系统由于采用余度技术，部件多了可能故障次数有所增加，但是由于故障隔离和维修简便完全可从抵消故障增加的影响。北美洛克威尔公司估计，对于高性能战略轰炸机来说，使用电传操纵系统，每飞行小时的维护工时大约减少10%，这样可从使飞机在地面停机时间减少3.5%。伏托尔公司估计，对于直升机和其他垂直短距起落飞机上所使用的复杂操纵系统来说，采用电传操纵系统后可使操纵系统的维护工时减少50%或者更多。改善飞机的操纵品质。使用电传操纵系统剔除了诸如静摩擦和迟滞等机械系统的非线性，因此很容易调整飞机响应和杆力的函数关系，使其在所有飞行状态下满足操纵要求。对挠曲，弯曲、热膨胀等引起的飞机结构变化的影响不敏感。机械操纵系统对于飞机结构的变化是非常敏成的，设计师必须尽最大努力力求使这种影响减到最小，采用电传操纵系统这些影响就自然清除了。电传操纵系统甚至可能应用某种结构模态稳定措施有效地提高飞机构架的刚度，从而增加系统的疲劳寿命。座舱布局灵活性大。电传操纵系统可用侧杆控制器和其他小型控制器。因此，驾驶员观察仪表的视线再不会受到很大的中央驾驶杆的影响。自动飞行和着陆系统的结合方便。电传操纵系统不需要串、并联的伺服作动器以及自动飞行控制系统和自动着陆系统的复杂混合和综合装置，因为全部输入量是电信号而且在伺服助力器前面采用电子方法综合。使设计具有更多的灵活性。电传操纵系统受在生产阶段可能引起的飞机外型或系统性能变化的影响很小。这是因为电传操纵系统的设计固有的灵活性，实际上控制的变量是感受飞行器的运动而不是控制操纵面的位置。一旦电传操纵系统在飞机基本设计阶段加以考虑，而且飞机的飞行安全完全可依赖于它的连续工作，飞机机体的静稳定就已经不那么重要了。因此，飞机设计师和气动力专家将得到全新的设计自由，这种设计以前一直受到飞机机体在没有任何控制信号输入时是稳定的这一要求的限制。这种新的设计方法可从设计出机动性更好、重量更轻、阻力更小和执行特殊任务的飞机。这种技术对未来飞机所产生的影响将远远超出用电传操纵系统简单地取代机械操纵系统所能得到的好处。降低用户的费用。因为电传操纵系统具有上述诸优点，因而可从使用户的使用费用大大降低，这对政府和民用航空公司都是头等重要的。电传操纵虽然具有如此众多优点，但是由于它采用了大量的电气设备，所以在使用过程中会有可能受到电磁干扰以及雷击，这对电气设备的可靠性威胁很大。特别是现代先进战斗机采用了越来越多的复合材料，飞机机体对电磁波的屏蔽作用越来越小，这个问题就越来越严重。因此，现在美国已经开始了光传操纵系统的研究和试飞，它将电信号转化为光信号，利用光纤来传输，从而彻底避免了电磁干扰的产生。已经开始了光传操纵系统的研究和试飞，它将电信号转化为光信号，利用光纤来传输，从而彻底避免了电磁干扰的产生。J-8IIACT是我国自主研制完成的首架无机械备份,全时全权,数字式三轴4余度电传飞控系统(DFBW)的验证机,采用静不安定布局，具有控制增稳(CAS),中性速度稳定性,飞行边界限制(FBL),自动驾驶(AP),应急电备份,放宽静稳定性,