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航空小知识|同为飞机“方向盘” 它们却不太一样

2019-1-15 09:25| 发布者: 临云行私人飞机| 查看: 4081| 评论: 0 |原作者: 临云行·百晓生 |来自: 大飞机

摘要:操纵杆伴着飞行器的诞生而诞生,操纵杆的发展离不开飞机飞行控制系统的发展,操纵杆的成长伴随着飞机飞行控制系统的成长而变化。
操纵杆作为飞机操纵系统的关键部件之一
有时也称驾驶杆
它将飞行员与操纵系统联系在一起
主要是为飞机飞行控制系统提供操纵指令
实现飞机的三轴控制
一般意义上
现在飞机使用的操纵杆为中央杆/盘和侧杆


  名词解释:

  【操纵杆】 飞行过程中,飞行员主要通过操纵杆/盘和脚蹬操纵升降舵、方向舵、副翼,使飞机从一种飞行状态转变为另一种飞行状态,以完成起飞、爬升、巡航、下降、进近着陆等。

  操纵杆的发展历史

  操纵杆伴着飞行器的诞生而诞生,操纵杆的发展离不开飞机飞行控制系统的发展,操纵杆的成长伴随着飞机飞行控制系统的成长而变化。

  最早的飞机以机械操纵为主,这种操作方式较为简单基础,操纵杆动作通过杆、绳索和滑轮组等组件直接传递给执行机构。但是随着后来飞机设计得越来越大,飞行速度越来越快,机身结构越来越重,风阻也越来越大,这种需要靠飞行员体力来完成操纵的系统逐步退出了飞机市场。

  20世纪50年代起,飞行操纵系统以液压助力的机械操纵为主,类似千斤顶的原理,操纵杆动作传递至液压活塞,再推动液体,另一端活塞接着去推动执行机构。这种操纵系统依然是通过机械方式实现,还是需要飞行员能够直观地“看到”自己的动作。

  20世纪70年代起,电传操纵系统逐渐抢占了飞机飞行控制系统,操纵杆的动作通过伺服机构转化为电信号,通过电缆传输至执行机构。这种方式不再需要飞行员“做大动作使大力气”,也节约了驾驶舱的空间。当然这也不是一开始就这样的,空客公司早期的 A300、A310飞机都还是中央杆/盘。到20世纪80年代,空客公司在A320飞机上率先采用了电传操纵技术,开始采用侧杆。

  中央杆/盘与侧杆


  在设计布局上,中央杆/盘位于飞行员的两腿之间,通过双手操作前后运动,完成控制飞机的俯仰、左右旋转,控制飞机的滚转。侧杆由弹簧和阻尼装置组成,采用固定杆力曲线,飞行员可以通过前后左右移动手柄控制飞机的俯仰、滚转运动。

  中央杆/盘还有一个特点是双手操纵,可像汽车方向盘一样绕转轴旋转,飞行员可以根据自己的习惯使用左手或右手进行操作。而侧杆位于飞行员身体的一侧,飞行员很难用另外一只手对其进行操作,因此无法双手交替操纵驾驶杆。

  中央杆/盘的零部件比侧杆要多,包括传力钢索、扭力杆、杆力机构、伺服电机等,其体积分散不便于统计,但其重量与占用的空间一般是侧杆的几倍。中央杆/盘的安装比较复杂,不便于拆卸,整个装置大多只能在日常维修时更换,而侧杆为独立的可更换单元部件,可在20-30分钟内完成更换。中央杆/盘的接口比较复杂,可达性差,侧杆相对简单,通过机械接口安装在飞行员外侧的操纵台上,通过电气接口与相关的设备进行通信。侧杆的信号形式简单,中央杆/盘的信号独立性较强。

  单个侧杆与中央杆操纵类似,同样具有中央杆/盘所具有的杆力装置,但因为是力臂短且单手操纵,杆力特性会有所不同。需要说明的是,中央杆/盘是联动的,任何一个人有操作的话,在另一个操纵杆上也会有同样的位移量;侧杆是独立的,一个人操纵另一个不会有变化,在两个侧杆上各有一个抢夺控制权的按钮,正副驾驶同时操作时,计算机把两个人的操作量相加并不超过最大值。中央杆/盘和侧杆的功能差异,导致了其相关属性的要求不完全一致。因此不同飞机对中央杆/盘、侧杆的性质要求是不同的。

  中央杆/盘的飞机可以按照CCAR25部中25.143,25.145, 25.147,25.171,25.173,25.175,25.177 等条款设计操稳特性,而25部没有关于侧杆的操稳特性设计要求。利用行程较大的中央杆/盘实现姿态、轨迹的精确控制要比使用行程很小的侧杆容易,因此要满足采用了侧杆的飞机的飞行品质要求,需要对控制律设计提出更高的要求。

  主动侧杆与被动侧杆


  由于操纵杆和飞机受控面之间不存在机械连接,飞行员操纵时无法直接感受到飞机受控运动后的反作用力,使飞行员“感觉匮乏”,因此可能会造成操纵过快、过量或难以及时做出修正。为了弥补“感觉匮乏”的不足,近些年来,随着伺服控制技术的成熟,开始主动侧杆技术的研究。具体来看,主动侧杆能够根据不同飞行环境和要求调整操纵杆的力位移特性,获得良好的操纵性能,也能通过驱动装置,实现可变的杆力曲线,并能够反驱驾驶杆运动,实现正副驾驶的联动。

  目前还没有主动侧杆在商用飞机上应用的案例,主要的研究集中在地面试验或直升机、战斗机应用方面,如BAE公司在F-35战斗机、 JAS-39 战斗机、UH-60直升机、CH-53直升机等飞机上使用主动侧杆,在湾流G500和G600准备使用主动侧杆。Liebherr公司为SSJ-100飞机的飞行模拟器提供了主动侧杆。另外,美国联合技术航空航天系统公司为MS-21提供主动侧杆,该主动侧杆已在法国菲雅克的模拟器上完成地面试验检测,如一切顺利,MS-21将成为世界上第一个采用主动侧杆控制技术的商用飞机。

  在现行服役的空客飞机上,被动侧杆得到了广泛的飞行验证。相较被动侧杆,主动侧杆增加了复杂性。当飞行员操纵主动侧杆时,作用力被力传感器测量,由伺服电机的控制器将测量到的力信号转换成位置指令(根据飞行状态的不同),驱动伺服电机带动手柄运动到某一位置,同时,伺服电机控制器需要接受来自于飞控计算机的指令,用于确定侧杆控制的杆力梯度、硬限制等。

  主动侧杆可实现左右驾驶的电气耦合联动,自动驾驶仪在操纵飞机时侧杆也跟随移动,与传统的中央杆/盘左右联动操纵模式相似。主动侧杆不仅和被动侧杆一样,具有视觉通知机组操作权限及提示音通知机组两个人在同时操纵飞机外,还可以通过可变梯度实现了左右联动功能。

  另外,与被动侧杆依靠弹簧提供固定梯度的力感不同,主动侧杆还可以接收飞机响应的反馈信息。动式侧杆引入了力反馈作动器,通过作动器将这些反馈信息以反作用力的形式施加到操纵杆上,以便于飞行员能更真实的感受飞机状态。但同时也承担了力反馈作动器可能出现的风险,例如卡阻、失控和非指令运动引起飞机急偏等。

  主动侧杆较被动侧杆增加了伺服电机,同时也会增加相应的安装机构,最重要的是还要增加一个电子控制单元,用来驱动电机的运动。该电子控制单元的尺寸、重量和主动侧杆本身的尺寸相近。

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