[科普中国]-飞行操纵系统

简介

飞行操纵系统在飞机飞行中担负着改变飞机状态、轨迹等功能和任务。据有关资料统计，飞行操纵系统故障造成的后果大多是重大飞行事故，由于操纵系统的不完善，易造成飞行员误操作(这种误操作的结果往往是机毁人亡)。因此，它的可靠性对飞行安全有至关重要的作用。

随着运输和作战的需要，飞机的速度、机动性需要不断地提高。为保证飞行安全，对飞行操纵系统的性能也要求不断改进。多年来，为保证飞行安全，对操纵系统进行了不断完善即经历了(有回力)助力操纵系统、不可逆(无回力)助力操纵系统、增稳系统、控制增稳系统、准电传操纵系统和电传操纵系统这样几个阶段。2

飞机操纵系统的发展最初的飞行操纵系统是由简单的钢索、滑轮、连杆和曲柄等机械部件组成，即我们所说的机械传动操纵系统，飞行员通过直接操纵机械传动系统来控制飞机的操纵舵面，实现对飞机姿态和飞行轨迹的控制，此时可不考虑系统本身的动特性，只需对摩擦、间隙和系统的弹性变形加以限制，便可以获得满意的系统性能。

随着飞机设计的发展和飞机速度的不断提高，即使使用了气动力补偿，飞行员的体力还不能适应作用于操纵舵面上的空气动力载荷，这时便产生了液压助力器，此系统实际上仍是一个除飞行员外开环的机液伺服系统。伴随着飞行包线的进一步扩大，飞机的稳定性与可操纵性之间的矛盾更加突出，相继出现了增稳操纵系统和控制增稳操纵系统，这时的系统已在局部使用了电传操纵技术，但操纵系统仍以机械通道为主控通道。

为实现最佳气动布局的飞机设计，在电传操纵余度技术逐渐趋于成熟的条件下，操纵系统的机械通道有被电传通道完全取代的趋势，这便产生了现在已被广泛使用的电传操纵系统。但电传操纵系统难以克服自身易受干扰的缺陷，为了改善电传操作系统的性能克服系统自身的缺陷，在电传操作系统内采用了新的信号传导材料光纤。光纤作为信号传导材料与电传操纵系统相比，在抗电磁干扰、 减轻重量、 提高可靠性等方面有明显的优势。运用新的信号传导材料与电传操作系统相结合所产生的操纵系统，这便是光传操纵系统的雏形。光传操纵系统对提高飞机的稳定性和满足日益提升的飞行性能产生了深远的影响。3

三种操纵系统介绍机械操纵传动系统机械传动操纵系统，就是用钢索、滑轮、传动杆等机械机构传送操纵信号，使驾驶员通过机械传动装置直接偏转舵面，舵面上的气动铰链力矩通过机械联系使驾驶员获得力和位移的感觉的操纵系统。机械传动操纵系统具有构造简单、工作可靠等优点，现仍广泛应用于低速飞机和一些运输机上，但它存在自身重量大，反应不够灵敏和传动滞后等缺点，当机构的某一局部被破坏后就不能再继续工作。

到了20世纪60年代，飞机的发展遇到了一些重大难题。例如：大型飞机挠性机体气动弹性模态问题，进一步提高战斗机机动性和战斗生存性问题等。这些问题仅靠气动力、结构和动力装置协调设计技术已经不能解决，机械传动系统已远不能满足飞行需要。此时研制设计者将注意力转向采用闭环反馈原理的自动控制技术，通过对一系列单项技术和组合技术的研究、开发和验证，产生了两个具有划时代意义的新飞行控制理念：主动控制技术（ACT）和电传飞行控制（FBW）系统。3

电传飞行控制系统电传飞行控制系统即电传操纵系统，它是把驾驶员的操纵指令转变为电信号来进行操纵。虽然驾驶员的操纵指令转变为了电信号，但电传操纵系统本身不是简单地用电信号的传递来代替机械传动的，而是把主操纵系统和自动控制系统结合起来。

采用主动控制技术的电传操纵系统，可使飞机的飞行控制、推力控制和火力控制的主要控制功能综合成为可能，从而极大地改善飞机的性能。如采用主动控制技术的电传操纵系统，放宽静稳定性（RSS）控制技术使B-52轰炸机平尾面积减少45%，结构总重量减少6.4%，使战斗机升阻比提高了8%～15%。机动载荷控制（NILC）技术使C-A运输机翼根弯曲力矩减少30%～50%；使F4E战斗机盘旋角速度增加了3%。主动涡流控制（AVC）技术与方向舵协调使用时，使X29在低速大攻角飞行时的偏航速率增加50%。采用任务适应性机翼（MAW）比采用常规机翼可使飞机航程增加30%，机翼承载能力提高50%。

目前，电传操纵系统已开始在固定翼飞机和旋翼飞机中普遍采用，如NH90、V-22“鱼鹰”、“虎”式直升机和A320等都采用电传操纵系统，其技术已基本成熟。但随着现代飞机性能的不断提升，电子设备日趋复杂，这必然导致电缆用量的增加以及线路布局的复杂化，从而加大了线路之间的干扰，使电传操纵系统不能正常工作，这就暴露出了电传操纵系统本身可靠性不高、成本高的缺点。另外电传操纵系统还存在易受雷击和电磁脉冲波干扰等“硬伤”。

如何提高飞机自身的高智能化、简约化与提高操纵系统工作的稳定性相矛盾，如何克服这一矛盾只有在优化电传操纵系统本身或开发一种全新的操作系统上找出路。3

光传操纵系统上个世纪80年代以来，飞机的电传操作系统已经由模拟式系统向数字式系统转变，并出现用光导纤维传递信号代替电传系统的趋势，这样所产生的以光导纤维作为传输媒质的操纵系统就是光传操纵系统。光传操纵系统是以光代替电作为传输载体，以光导纤维作为物理传输媒质，在计算机之间或计算机与远距离终端（如舵机等）之间传递指令和反馈信息的飞行控制系统。

光传操纵系统克服了电传操纵系统易受雷电和电磁干扰及核辐射影响的致命弱点，而且它本身具有重量轻、体积小、不辐射能量、电隔离性好、频带宽、容量大、传输速率高等优点，能大大改进飞机机的稳定性和可操纵性。因此，美国和欧洲都致力于光传操纵系统的研究，并取得了很大的突破。

其实光传操纵系统的研究始于上个世纪70年代。1975年，美国空军试验中心最早在A-7D飞机上就利用光纤作为传输线。1979年，洛克希德公司在一架喷气滑翔机上试验了光传操纵系统，取得成功。在2002年欧洲某直升机公司的一架装有光传操纵系统的EC-135直升机进行了首次飞行，其中使用了灵巧作动器这一关键部件，这标志着光传操纵系统研究工作取得了较大突破。目前美国的RAH-66“科曼奇”隐形直升机采用了光传操纵系统。3

系统展望随着电子技术的发展和飞机性能的不断提高，飞机的操纵系统正在向着自适应飞行控制系统的方向发展。美国早在20世纪60年代初就对自适应飞行控制系统做了试飞，此后还在不断进行研究和试验，但始终没有在批量生产的飞机上使用过，其原因可能是性能还不够完善。在未来随着飞机马赫数高达6～8超高音速的到来，以及为减小阻力和提高隐身性能无尾飞机的出现，飞机的气动特性变化范围会很大，用常规的飞行控制方法很难胜任，必须采用自适应控制。

新一代的自适应飞控系统由于计算工作量很大，必将采用并行处理和神经网络技术，并采用光纤来传输大量数据，最终由电传操纵系统发展成光纤操纵系统。3