飞机结构--飞行操纵系统

飞行操纵张宏伟第一章飞行操纵系统概述飞行操纵系统定义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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、气动外形的控制飞行操纵系统构成中央操纵机构传动机构驱动机构操纵面手操纵机构机械传动人力驱动主操纵副翼升降舵电传操纵液压助力方向舵脚操纵机构辅助操纵襟翼、缝翼光传操纵电动助力扰流板安定面飞行操纵系统分类——信号来源人工飞行操纵系统特点：操纵信号由驾驶员发出组成：飞机的俯仰、滚转和偏航操纵系统（主操纵系统）增升、增阻操纵系统，人工配平系统等（辅助操纵系统）自动飞行控制系统特点：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组成：自动驾驶仪发动机油门自动控制结构振动模态抑制系统。飞行操纵系统分类——信号传递机械操纵系统机械操纵系统的操纵信号由钢索、传动杆的机械部件传动。电传操纵系统而电传操纵系统的操纵信号通过电缆传动。光传操纵系统操纵信号为在光缆中的光信号。飞行操纵系统分类——驱动方式简单机械操纵系统简单机械操纵系统依靠驾驶员体力克服铰链力矩驱动舵面运动，又被称为简单机械操纵系统。软式操纵系统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。助力操纵系统液压助力电助力副翼升降舵方向舵前缘襟翼缝翼后缘襟翼扰流板水平安定面起飞警告失速警告操纵系统主操纵系统辅助操纵系统警告系统飞行操纵系统组成简单机械操纵系统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2.1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”来固定一、主操纵系统组成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独立性脚操纵机构脚蹬：控制方向舵（转弯/刹车）位置调整装置和限动装置传动机构—将操纵信号传到舵面软式传动机构—钢索、滑轮等硬式传动机构—传动杆、摇臂等混合式传动机构中央操纵机构驾驶杆式手操纵机构推拉驾驶杆操纵升降舵左右压杆操纵副翼横、纵向操纵的独立性独立性分析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推拉驾驶盘操纵升降舵转动驾驶盘可操纵副翼独立性分析左右转动驾驶盘时，通过叶片状的万向节头传递扭矩，驾驶杆不动，所以，不会使升降舵偏转而前推或后拉驾驶盘时，由于有叶片状的万向接头，副翼控制钢索轮不会转动，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。驾驶盘驾驶杆叶片状万向接头驾驶杆与驾驶盘的比较优点构造较简单通过增大驾驶盘的转角，可使操纵副翼省力缺点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构造较复杂应用小型飞机大中型飞机传动杆1传动杆2摇臂1摇臂2驾驶杆扭力管驾驶盘驾驶杆叶片状万向接头侧杆操纵机构一种输入力信号，输出电信号的小型侧置手操纵机构。飞行控制计算机中央操纵机构—脚操纵机构平放式脚蹬由两根横杆和两根脚蹬杆构成平行四边形机构平行四边形机构可保证飞行员在操纵脚蹬时，脚蹬只作平移而不转动中央操纵机构—脚操纵机构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方向舵操纵钢索脚蹬脚蹬位置调整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硬式传动机构传动杆摇臂导向滑轮软式传动机构钢索滑轮扇型轮/扇型摇臂松紧螺套钢索张力补偿器三、传动机构传动机构特点比较类型优点缺点软式传动机构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传动机构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钢索只承受拉力，不能承受压力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钢索构造和规格规格型号7×77×19股数钢丝数钢索构造和规格类型碳钢、不锈钢尺寸1/16到3/8英寸名义直径相同的钢索，股数越多，它的柔性越好；名义直径相同，股数相同，钢丝数越多，柔性就越好。钢索预紧M铰ΔTM铰T0T0+ΔT’-ΔT’固有缺陷——弹性间隙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危害：弹性间隙太大，会降低操纵的灵敏性解决措施：钢索预紧常见故障——断丝（滑轮、导向器部位）滑轮导向器胶木/硬铝制成作用支持钢索改变钢索的运动方向5.滑轮支持钢索改变钢索的运动方向改变传动力的大小5.扇形轮/扇形摇臂钢索导向装置作用：调整钢索的预张力注意：调松钢索时，螺杆末端不应超过小孔的位置6.松紧螺套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钢索张力补偿器的功用是保持钢索的正确张力7.钢索张力补偿器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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失效形式——失稳1.传动杆2.摇臂材料：硬铝特点：在连接处装有轴承分类：单摇臂/双摇臂/复摇臂摇臂的作用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）偏转的角度不同实现差动操纵最简单的机构是差动摇臂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.导向滑轮2.3传动系数/传动比一、传动系数：舵偏角△δ与杆位移△X的比值ΔΧΔδKFMj2.4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第五章电传操纵系统电传操纵系统的提出机械操纵系统缺点存在摩擦、间隙和非线性因素导致无法实现精微操纵信号传递机械操纵系统对飞机结构的变化非常敏感体积大，结构复杂，重量大电传操纵系统的可靠性问题机械操纵系统可靠性较高单通道电传系统可靠性较低可接受的安全指标解决措施：余度技术飞行小时/3101飞行小时/71015.1电传操纵系统的组成—四余度系统前置放大计算机舵机传感器杆力传感器A传感器A综合器补偿器A表决器监控器A舵回路A助力器杆力传感器B传感器B综合器补偿器B表决器监控器B舵回路B杆力传感器C传感器C综合器补偿器C表决器监控器C舵回路C杆力传感器D传感器D综合器补偿器D表决器监控器D舵回路D余度系统的工作特点对组成系统的各个部分具有故障监控、信号表决的能力一旦系统或系统中某部分出现故障后，必须具有故障隔离的能力。即在发生故障时，系统应具有第一次故障能工作，第二次故障还能工作的能力当系统中出现一个或数个故障时，它具有重新组织余下的完好部分，使系统具有故障安全或双故障安全的能力，即在性能指标稍有降低情况下，系统仍能继续承担任务电传操纵系统特性驾驶员的操纵指令信号，只通过导线（或总线）传给计算机，经其计算（按预定的规律）产生输出指令，操纵舵面偏转，以实现对飞机的操纵人工操纵系统安全可靠性是由余度技术保证5.2电传操纵系统优点/缺点优点减轻了操纵系统的重量，减少体积节省设计和安装时间消除了机械操纵系统中的摩擦、间隙、非线性因素以及飞机结构变形的影响简化了主操纵系统与自动驾驶仪的组合可采用小侧杆操纵机构飞机操稳特性得到根本改善，并可发生质的变化缺点单通道电传操纵系统的可靠性不够高电传操纵系统的成本较高系统易受雷击和电磁脉冲波干扰影响第三章助力机械操纵系统助力机械操纵系统的提出舵面铰链力矩是随舵面尺寸和飞行速压的增加而增加当铰链力矩变得很大时，即使利用当时的气动补偿法，也不能使驾驶杆（脚蹬）力保持在规定的范围之内1.研究效率更高的空气动力补偿2.研究液压助力器，以实现液压助力操纵助力机械操纵系统的分类可逆助力机械操纵系统（回力）不可逆助力机械操纵系统（无回力）助力机械操纵系统的主要元件：液压助力器一、可逆助力机械操纵系统二、不可逆助力机械操纵系统飞行中松驾驶杆，舵面在空气动力的作用下不能自由偏转将液压助力器安装在舵面附近，减少助力器后传动机构的连接点，可减少舵面的活动间隙，从而有效地防止机翼或尾翼颤振舵面受阵风载荷后不能自动偏转，这对于结构受力是不利的驾驶杆外筒载荷感觉器舵面液压助力器活动杆3.4液压助力器液压助力器特性机械-液压伺服装置工作原理机械-液压伺服原理应急操纵液压系统压力不足或液压助力器有故障时，可以关闭助力器的工作开关，转为用体力进行应急操纵特性参数最大输出力最大输出速度最大行程性能分析快速性灵敏性稳定性补充知识伺服原理伺服阀液压执行机构负载反馈输入能源原理系统靠输出与输入信号的偏差进行工作，从而使系统输出再现输入，达到输入控制输出的伺服控制目的基本特征输出量能够自动地、准确而快速地复现输入量的变化规律，且还能对输入信号实行放大(功率放大)与变换作用一、典型液压助力器构造壳体配油柱塞传动活塞二、典型液压助力器工作原理二、典型液压助力器工作原理二、典型液压助力器工作原理二、典型液压助力器工作原理二、典型液压助力器工作原理二、典型液压助力器工作原理二、典型液压助力器工作原理二、典型液压助力器工作原理三、液压助力器应急工作三、液压助力器应急工作三、液压助力器应急工作三、液压助力器应急工作三、液压助力器应急工作三、液压助力器应急工作六、液压助力器性能分析１.快速性快速性是指在液压作用下，助力器的传动活塞能以多大速度运动的性能快速性直接影响舵面偏转的最大角速度，从而影响飞机的操纵性影响快速性的因素流量密封性六、液压助力器性能分析2.灵敏性灵敏性是指传动活塞迅速地跟随配油柱塞运动的能力影响因素不灵敏范围：配油柱塞在某一范围内活动时，传动活塞并不运动随从误差：当传动活塞跟随配油柱塞运动时，传动活塞的行程与配油柱塞的行程之间始终存在着一定的差值影响不灵敏范围因素配油柱塞交叠量密封性摩擦力混入空气六、液压助力器性能分析3.稳定性液压助力器的稳定性，指它在外部扰动作用消失后，能够迅速、自动地恢复到原来的工作状态的能力影响器稳定性的因素传动机构连接部分的间隙混杂在油液中的空气操纵系统的摩擦力助力器的密封性固定支架松动载荷感觉器无回力助力操纵系统中，使飞行员从驾驶杆上感受到力有回力助力操纵系统中，在舵面铰链力矩较小时，使驾驶杆不致过“轻”载荷感觉器类型弹簧载荷感觉器动压载荷感觉器载荷感觉器刚度小杆位移时，要求刚度大大杆位移时，要求刚度小3.5载荷感觉器FW弹簧载荷感觉器构造FW小弹簧