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      同為飛機“方向盤” 它們卻不太一樣

      文件來源:/發布時間:2019-01-24 11:39:02/瀏覽量:8912

      操縱桿作為飛機操縱系統的關鍵部件之一,有時也稱駕駛桿,它將飛行員與操縱系統聯系在一起,主要是為飛機飛行控制系統提供操縱指令,實現飛機的三軸控制,一般意義上,現在飛機使用的操縱桿為中央桿/盤和側桿

      名詞解釋:

      操縱桿 :飛行過程中,飛行員主要通過操縱桿/盤和腳蹬操縱升降舵、方向舵、副翼,使飛機從一種飛行狀態轉變為另一種飛行狀態,以完成起飛、爬升、巡航、下降、進近著陸等。

      操縱桿的發展歷史

      操縱桿伴著飛行器的誕生而誕生,操縱桿的發展離不開飛機飛行控制系統的發展,操縱桿的成長伴隨著飛機飛行控制系統的成長而變化。

      最早的飛機以機械操縱為主,這種操作方式較為簡單基礎,操縱桿動作通過桿、繩索和滑輪組等組件直接傳遞給執行機構。但是隨著后來飛機設計得越來越大,飛行速度越來越快,機身結構越來越重,風阻也越來越大,這種需要靠飛行員體力來完成操縱的系統逐步退出了飛機市場。

      20世紀50年代起,飛行操縱系統以液壓助力的機械操縱為主,類似千斤頂的原理,操縱桿動作傳遞至液壓活塞,再推動液體,另一端活塞接著去推動執行機構。這種操縱系統依然是通過機械方式實現,還是需要飛行員能夠直觀地“看到”自己的動作。

      20世紀70年代起,電傳操縱系統逐漸搶占了飛機飛行控制系統,操縱桿的動作通過伺服機構轉化為電信號,通過電纜傳輸至執行機構。這種方式不再需要飛行員“做大動作使大力氣”,也節約了駕駛艙的空間。當然這也不是一開始就這樣的,空客公司早期的 A300、A310飛機都還是中央桿/盤。到20世紀80年代,空客公司在A320飛機上率先采用了電傳操縱技術,開始采用側桿。

      中央桿/盤與側桿

      在設計布局上,中央桿/盤位于飛行員的兩腿之間,通過雙手操作前后運動,完成控制飛機的俯仰、左右旋轉,控制飛機的滾轉。側桿由彈簧和阻尼裝置組成,采用固定桿力曲線,飛行員可以通過前后左右移動手柄控制飛機的俯仰、滾轉運動。

      中央桿/盤還有一個特點是雙手操縱,可像汽車方向盤一樣繞轉軸旋轉,飛行員可以根據自己的習慣使用左手或右手進行操作。而側桿位于飛行員身體的一側,飛行員很難用另外一只手對其進行操作,因此無法雙手交替操縱駕駛桿。

      中央桿/盤的零部件比側桿要多,包括傳力鋼索、扭力桿、桿力機構、伺服電機等,其體積分散不便于統計,但其重量與占用的空間一般是側桿的幾倍。中央桿/盤的安裝比較復雜,不便于拆卸,整個裝置大多只能在日常維修時更換,而側桿為獨立的可更換單元部件,可在20-30分鐘內完成更換。中央桿/盤的接口比較復雜,可達性差,側桿相對簡單,通過機械接口安裝在飛行員外側的操縱臺上,通過電氣接口與相關的設備進行通信。側桿的信號形式簡單,中央桿/盤的信號獨立性較強。

      單個側桿與中央桿操縱類似,同樣具有中央桿/盤所具有的桿力裝置,但因為是力臂短且單手操縱,桿力特性會有所不同。需要說明的是,中央桿/盤是聯動的,任何一個人有操作的話,在另一個操縱桿上也會有同樣的位移量;側桿是獨立的,一個人操縱另一個不會有變化,在兩個側桿上各有一個搶奪控制權的按鈕,正副駕駛同時操作時,計算機把兩個人的操作量相加并不超過最大值。中央桿/盤和側桿的功能差異,導致了其相關屬性的要求不完全一致。因此不同飛機對中央桿/盤、側桿的性質要求是不同的。

      中央桿/盤的飛機可以按照CCAR25部中25.143,25.145, 25.147,25.171,25.173,25.175,25.177 等條款設計操穩特性,而25部沒有關于側桿的操穩特性設計要求。利用行程較大的中央桿/盤實現姿態、軌跡的精確控制要比使用行程很小的側桿容易,因此要滿足采用了側桿的飛機的飛行品質要求,需要對控制律設計提出更高的要求。

      主動側桿與被動側桿

      由于操縱桿和飛機受控面之間不存在機械連接,飛行員操縱時無法直接感受到飛機受控運動后的反作用力,使飛行員“感覺匱乏”,因此可能會造成操縱過快、過量或難以及時做出修正。為了彌補“感覺匱乏”的不足,近些年來,隨著伺服控制技術的成熟,開始主動側桿技術的研究。具體來看,主動側桿能夠根據不同飛行環境和要求調整操縱桿的力位移特性,獲得良好的操縱性能,也能通過驅動裝置,實現可變的桿力曲線,并能夠反驅駕駛桿運動,實現正副駕駛的聯動。

      目前還沒有主動側桿在商用飛機上應用的案例,主要的研究集中在地面試驗或直升機、戰斗機應用方面,如BAE公司在F-35戰斗機、 JAS-39 戰斗機、UH-60直升機、CH-53直升機等飛機上使用主動側桿,在灣流G500和G600準備使用主動側桿。Liebherr公司為SSJ-100飛機的飛行模擬器提供了主動側桿。另外,美國聯合技術航空航天系統公司為MS-21提供主動側桿,該主動側桿已在法國菲雅克的模擬器上完成地面試驗檢測,如一切順利,MS-21將成為世界上第一個采用主動側桿控制技術的商用飛機。

      在現行服役的空客飛機上,被動側桿得到了廣泛的飛行驗證。相較被動側桿,主動側桿增加了復雜性。當飛行員操縱主動側桿時,作用力被力傳感器測量,由伺服電機的控制器將測量到的力信號轉換成位置指令(根據飛行狀態的不同),驅動伺服電機帶動手柄運動到某一位置,同時,伺服電機控制器需要接受來自于飛控計算機的指令,用于確定側桿控制的桿力梯度、硬限制等。

      主動側桿可實現左右駕駛的電氣耦合聯動,自動駕駛儀在操縱飛機時側桿也跟隨移動,與傳統的中央桿/盤左右聯動操縱模式相似。主動側桿不僅和被動側桿一樣,具有視覺通知機組操作權限及提示音通知機組兩個人在同時操縱飛機外,還可以通過可變梯度實現了左右聯動功能。

      另外,與被動側桿依靠彈簧提供固定梯度的力感不同,主動側桿還可以接收飛機響應的反饋信息。動式側桿引入了力反饋作動器,通過作動器將這些反饋信息以反作用力的形式施加到操縱桿上,以便于飛行員能更真實的感受飛機狀態。但同時也承擔了力反饋作動器可能出現的風險,例如卡阻、失控和非指令運動引起飛機急偏等。

      主動側桿較被動側桿增加了伺服電機,同時也會增加相應的安裝機構,最重要的是還要增加一個電子控制單元,用來驅動電機的運動。該電子控制單元的尺寸、重量和主動側桿本身的尺寸相近。

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