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电传操纵,是指把驾驶员的操纵指令变换为电信号以操纵飞机的技术。电传操纵系统由驾驶杆(或侧杆)及力敏传感器、各输人信号及反馈传感器、飞行控制计算机、伺服舵机和助力器等组成。它不仅用电信号的传递代替机械传动,而且还把主操纵系统和自动增稳系统以及自动飞行控制系统结合起来,形成电子飞行控制系统。电传操纵系统减少了笨重复杂的机械传动连接,便于和飞机上其他系统交联,为实现主动控制技术提供条件。军用飞机首先大量采用电传操纵,20世纪80年代由于可靠性和抗干扰能力的提髙,民用飞机中空中客车A320率先采用电传操纵,同时部分保留机械传动连接作为备份系统,取得了很好的效果。目前电传操纵已在大中型客机上普遍应用。近期又出现光导纤维传递信号的光传操纵技术,其抗干扰性能将比电传操纵提高。

飞行控制系统

机械式

最基本的飞行控制系统。常见于空气动力不是很强的早期飞机或现代的小型飞机。这类飞控系统利用各种机械部件如杆、绳索、滑轮甚至链条将飞行员的操纵力从驾驶舱操纵装置传递到控制面上。塞斯纳C-172就是一个典型的例子。

随着飞机越来越快,控制面面积越来越大,操控飞机所需的力量也越来越大。于是人们开发出复杂的机械助力系统帮助飞行员。这类设备在稍大些性能更高的螺旋桨推进飞机,如福克F50上可以见到。

另一些机械式飞控系统采用伺服调整片提供的气动力助力降低了系统的复杂性。这类系统只见于早期的活塞发动机运输机和早期的喷气运输机上。

液压式

随着航空器尺寸的增大和性能的提高,机械式飞行操纵系统的复杂程度和重量也大幅度增加,大大限制了航空器的发展。为了克服这些限制,液压式飞行操纵系统出现了。液压飞行操纵系统出现后,航空器的尺寸和性能不在驾驶员力量的限制,而只是受经济的限制。 液压式飞控系统由两部分组成:

机械回路

机械回路连接着驾驶舱和液压回路。如同机械式系统,机械回路也基本由各种杆、绞索、滑轮甚至铰链组成。

液压回路

液压回路包含液压泵、液压管、液压阀门以及执行装置等。执行装置通过液压泵产生的流体压力驱动飞机的各控制面。而伺服阀则控制着执行装置的动作。

飞行员的操纵动作通过机械回路传递到液压回路中相应的伺服阀,然后液压泵驱动执行机构操纵飞机的各控制面。

液压式飞控系统见于老式的喷气运输机和一些高性能飞机。例如安-225运输机和洛克西德公司的黑鸟。

人工感觉反馈

对于机械式飞控系统,飞行员经由机械装置可以感受到作用于飞机各个舵面上的气动力。这种触觉反馈增强了飞行安全性。例如,在Avro Vulcan喷气轰炸机上,人们就利用一种弹性装置来实现这种控制反馈。通过移动该装置的支点,人们可以使反馈力(对于升降舵)与空速的平方成正比。这样,高速飞行时所需的操纵力量就迅速增加了

电传操纵

电传操纵(Fly-By-Wire,FBW)是航空领域中一种将航空器驾驶员的操纵输入,通过转换器转变为电信号,经计算机或电子控制器处理,再通过电缆传输到执行机构一种操纵系统。它省掉了传统操纵系统中的机械传动装置和液压管路。

机械式和液压式飞行操纵系统重量较大,需要使用滑轮和曲柄系统仔细布置穿过整个航空器的飞行操纵线系。这两个系统经常需要冗余备份装置,这又进一步增加了重量。此外,这两个系统对处于变化中的空气动力环境只能提供有限的补偿能力,失速、螺旋以及人机耦合振荡等一些危险的飞行特性仍有可能发生。因为这些飞行特性取决于飞机的空气动力和结构特性而非控制系统本身。

然而通过使用计算机和电子连接,设计者能够降低航空器重量并提高可靠性。同时使用计算机还可以预防上述危险的飞行特性。

"电传操纵"一词从字面仅仅意味着这是一个通过电信号实现控制的系统。但事实上,这是一个通过计算机控制的系统。在飞行员和最终的控制执行机构或舵面之间,计算机系统通过软件程序实际上修改了飞行员(对于非飞机系统,指操作员)的输入。当然为避免危及安全性,这些程序都需要经过周密的开发和验证。

安全性和冗余。在飞机上,这样的控制系统一般都具有四个独立的通道。当其中的一个甚至两个通道损坏时,飞机仍然不会失去控制。为获得更高的机动性,一些电传操纵的飞机经过仔细设计静稳定性很低,甚至为负。

节约重量。相对传统飞机,电传操纵的飞机一般重量更小。由于可以放宽静稳定性,运输机可以减少部分重量,战斗机可以减少更多。这是由于飞机舵面现在可以做得更小了。电传飞控首先应用于军机,之后才进入民机市场。空客系列飞机从一开始就应用电传操纵技术,而波音则是在777系列之后应用此项技术。

电传操纵系统能够更灵活地响应变化中的空气动力环境,通过控制舵面运动使得飞机对操纵输入的响应在所有飞行条件下都是一致的。电子系统需要的维护不多,而机械和液压系统却需要润滑、松紧调整、渗漏检查、更换液体等。而且,将电路系统放置在驾驶员和航空器之间能够提高安全性,例如操纵系统能够防止失速,或制止驾驶员使机身过载。

电传操纵系统实际上是用一个电子接口取代了航空器的物理操纵。驾驶员的指令被转换成电信号,飞行控制计算机确定如何恰当地驱动连接在每个操纵面上的执行机构以提供想要的响应。最初的执行机构通常是液压式的,现在电动执行机构也已经被研制出来。

关于电传操纵系统的主要担忧是可靠性问题。传统的机械式或液压式操纵系统通常是逐渐失效的,而所有飞行控制计算机失效会使飞机立即处于不可控制状态。为此,大多数电传操纵系统包含有冗余计算机和一些机械式或液压式备份。这好像使电传操纵系统的一些优点变得没有意义,但是由于冗余系统只是用于紧急情况,因此这些系统可以做得更简单、更轻,而且只需提供有限的能力。

类型

模拟

电传飞行操纵系统取消了复杂、脆弱和笨重的液压式飞行操纵系统的机械回路,用电子线路取而代之。现在,驾驶舱操纵装置操作的是能够产生相应指令的信号换能器。这些指令由一个电子控制器处理。如今自动驾驶仪也是电子控制器的一部分。 除了机械伺服阀被电控伺服阀外,液压回路也做类似处理。这些阀门由电子控制器操作。二十世纪五十年代,一种模拟式电传飞行操纵系统首次被安装在Avro Vulcan上,这是一种最简单、最早的构型。

在这种构型中,飞行操纵系统必须模拟“感觉”。电子控制器操作电子感觉装置,以提供作用在人工操纵装置上的合适的“感觉”力。这种系统仍在EMBRAER 170和190中使用,并曾在协和飞机中使用,它也是首先采用电传操纵系统的客机。

在更复杂的版本中,模拟计算机取代了电子控制器。二十世纪五十年代生产的加拿大超音速歼击机Avro CF-105 Arrow就是采用这种方式的。模拟计算机也允许定制一些飞行操纵特性,包括放宽静稳定度。早期版本的F-16也采用了这一技术,使得它具有了令人印象深刻的机动性。

数字

数字电传飞行操纵系统与模拟式的相似。不过信号处理是由数字计算机完成的。驾驶员实际上是“通过计算机飞行”。由于数字计算机能够接收来自航空器上任何传感器的输入信号,使得灵活性得到增强。由于系统不依赖于模拟控制器中临界电子元件的额定值,使得稳定性也得到增强。

数字计算机中的程序让设计者能够精确地裁制航空器的操纵特性。例如,通过防止驾驶员超过预设的限制(航空器的飞行包线),软件能避免航空器被危险地操纵。软件也可用于过滤操纵输入以避免驾驶员诱发的摆动。

在这样的航空器中,侧杆或常规驾驶杆均能使用。虽然侧杆具有轻便、机械结构简单等好处,但波音公司认为缺少视觉反馈是侧杆的一大问题,因此在波音777和787中仍使用常规驾驶杆。

用计算机控制航空器飞行使得驾驶员的工作负担减轻。现在,在放宽静稳定度的情况下飞行航空器是可能的。对于军用航空器,主要好处是能够得到更好的飞行性能。数字飞行操纵系统使本身并不稳定的航空器能够正常飞行,例如F-117夜鹰式战斗机(F-117 Nighthawk)。1972年,美国NASA改装的F-8十字军式战斗机(F-8C Crusader)成为第一个采用数字电传操纵的航空器。美国航天飞机(1982年首飞)具有数位电传操纵系统。1984年,空中客车A320成为第一款采用数字电传操纵系统的客机。2005年,达索Falcon 7X成为第一款采用数字电传操纵系统的公务机。2007年,塞考斯基公司的H-92直升机是第一种采用电传操纵的直升机。

在军用航空器上,由于能够避免液压失效,电传操纵提高了战斗生存能力。军用航空器在战斗中损失的一个常见原因是,损伤造成的液压渗漏导致航空器失去控制。大多数军用航空器有几套完整的冗余液压系统,但是液压管线经常铺设在一起,容易同时损坏。用了电传操纵系统,线路铺设变得更加灵活,这样比起液压管路来更容易保护,对损伤的敏感度也减弱了。

美国联邦航空局(FAA)采纳了RTCA/DO-178B“机载系统和设备审定的软件因素”作为航空软件的审定标准。数字电传操纵系统中任何涉及安全的关键部件,包括控制法则(control law)和操作系统,必须达到DO-178B中的A级审定标准,这个标准适用于可能的灾难性故障。

但是对于计算机化、数字电传操纵系统最令人担忧的问题是可靠性,甚至比模拟系统还严重。这是因为运行软件的计算机是驾驶员和操纵面之间唯一的控制路径。如果计算机软件崩溃了,驾驶员将无法操纵航空器。因此,实际上所有电传操纵系统都是三到四冗余:有三个或四个计算机并行工作,并都有各自独立的线路连接到每个操纵面。如果一个或两个计算机崩溃了,其他的继续工作。另外,最早期的数字电传操纵航空器也有一个模拟电子、机械或液压备份操纵系统。

对于客机,冗余度可以提高安全性。由于取消一些笨重的机械部件使得重量减轻,飞行的经济性也得到改善。

波音和空客在它们的电传操纵理念上是不同的。空客飞机中,计算机一直保持最大限度的控制,并且不允许驾驶员在正常的飞行包线以外飞行。波音777中,驾驶员能够超控该系统,紧急情况时允许飞机在包线外飞行。从空客A320开始的模式已经在空客系列中得到延续。波音787在控制法则上做了一些小改进,采纳了一些空客在过去已经采取的保护措施。

光纤式

在有些场合,光纤飞控系统已取代了电传飞控系统。与后者相比,光纤的数据传输率更高,并且不受电磁干扰的影响。绝大部分的情况下,光纤飞控系统只是简单的利用光纤取代了原来的电缆。因此这种系统有时也称作“光传飞控”。而且整个系统的软件及数据传输协议则基本保持不变。

电驱式

既然电传操纵系统取消了机械回路,那么下一步就是取消笨重的液压回路了。人们采用电力回路来取代液压回路。电力回路驱动电动或电动液压执行机构,而数字飞行控制计算机则控制着这些这些机构。这样就保留了电传操纵的所有优点。

这种系统最大的优点有:节省重量;配备更多冗余电力回路的可能性;飞控系统和航电系统更高的集成性。取消液压回路极大地降低了维护成本。这种系统目前应用于洛克西德·马丁公司的F-35,也用作空客A380的备份飞控系统。

智能式

智能式飞控系统是现代数字式电传操纵系统的一种扩充,其目的是增强对飞行中的损坏或失效等紧急情况的控制性。这些紧急情况包括液压系统失效、方向舵脱落、副翼脱落、一个引擎失效等。这种系统目前还处于实验阶段。赛斯纳公司的一个小型飞机驾驶员曾驾驶一架模拟此类严重损坏的全尺寸小型喷气飞机成功着陆。大型飞机上目前尚无此类应用。据报道,此类系统在很大程度上只是增强了全数字电传操纵系统的软件部分。

操纵掌握

八十年代后期到九十年代,空中客车制造商科研人员与航空公司飞行人员及试飞员等共同努力,研制了位于驾驶舱两侧的小型侧操纵杆(side-stock)取代了传统飞机位于飞行员与显示装置之间笨重的直立驾驶杆,实现了飞行员的无障碍视界。而它的技术和概念与传统飞机的技术有着较大的区别,它的优先性在于取消了驾驶杆与液压助力器之间的机械连接,它是以从不传动装置上提供反馈,它的操纵不通过弹簧力和阻尼等组件,而避免的复杂的反馈系统、驾驶杆的连接、卡阻及反馈的监控组件、操纵分离等组件,从而减小了系统装置的重量及阻力,大大提高了操纵系统的灵活性和可靠性。

只有空中客车系列飞机装有侧杆,它是由七个计算机解读飞行员输入的操纵量并按序行动飞机操纵舵面,其中两个ELAC(升级舵付翼计算机)提供正常升降度及安定面控制、付翼控制;两个FAC(飞行增益计算机)提供方向舵电动控制;三个SEC(扰流板、升降舵计算机)提供扰流板、升降舵和安定面控制。而侧杆与舵面之间没有机械连接,所有的传输信号也是通过有屏蔽的、低阻抗的电线进行传输,安定面和方向面也可以机械操纵(应急情况),而其他舵面全部为电操纵和液压做动。

电传系统的设计和取证已经是新一代的飞机比传统飞机更加经济、安全,在驾驶和乘坐时更加舒适和平稳。它的经济性是由于飞行轨迹稳定,飞行参数控制精确,提高了飞机的厚重性,加上发动机的控制技术(FDX),使推力稳定,燃油量减小。电传操纵技术及计算机的运用使得操纵系统的安全裕度大大增加,对于飞机的失速、风切变、超速等复杂状态都提供了很好的保护程序,加上设备本身也有很好的自检自测性能,把飞机各系统故障均显示在ECAM屏幕上或自动处理或提供人工处理依据,对保证飞行安全性又大大提高了一步。另外电传操纵系统在满足侧驾驶杆在选择目标轨迹外和除了对复杂状态的保护外还有一个很重要的功能,就是会对飞机提供广泛的保护措施,当驾驶员输入由计算机解读并按序移动飞行操纵面时,然而不管飞行员输入操纵量如何,计算机都能防止过大的机动动作和超出安全飞行范围的失控,因此,电传操纵系统在必须做极端飞行机动动作或飞机进入剧烈的天气状态时都能有助于它自身的安全性能,对保证航空安全向前又迈了一大步。

侧杆和侧风几乎风马牛不相及,但从传统飞机杆状的侧杆飞行的飞行员,对于电传侧杆飞机来修正侧风问题值得讨论。首先,侧风的修正一般通常分为三种方法:1、侧滑修正即用跑道的航向来校准飞机的正确性向风来的方向压适量的坡度产生侧滑,同时向相反的方向蹬舵,制止飞机因坡度而室航向偏转,保持飞机纵轴与航迹一致,与跑道中心线一致直到接地为止;2、偏流修正法即视飞机的航向与跑道的着陆航迹之间差一个侧风偏流角使飞机着陆航迹与跑道方向一致;3、混合修正法一般用于侧风较大时用一部分偏流带一点侧滑进行修正五边的着陆轨迹。但无论用那一种方法进行修正侧风,一般在飞机接地前的瞬间均应将飞机的纵轴与跑道的方向修正到一致,否则就有冲出跑道的危险。大、重型飞机如空中客车A330、空中客车A340机型修正侧风时通常为偏流修正,即向上风方向修正一个偏流,使飞机航迹与跑道方向一致;在短五边时,通常采用混合修正法因为偏流较大,有时对飞行员的视线有一定影响,所以短五边可以减小一点偏流角而带一点侧滑角;而长五边进近中,飞机的侧杆通常处于中立位,飞机平稳保持选定的俯仰和横滚姿态,在姿态限制内飞机能够抵御由侧风引起的颠簸影响,即使强烈的扰动气流也能保持稳定,不需飞行员操纵侧杆,几乎百分之百的补偿因速度和外形而引起的配平改变,这就是电传操纵系统的自动配平和最小地速保护功能。在模拟机训练时,当学员五边进近不稳定时,有时教员会说把手松开飞机反而较人操纵侧杆时稳定,这就是电传操纵那个的灵敏度较高,修正量和提前量都要适度掌握,一旦掌握不好就会变成我们通常说的“五边炒菜”。

而重型机的起飞,修正侧风不需要动侧杆,只需用舵保持方向,飞机离地后,飞机会自动修正侧风,而飞行员只需跟指引针飞行即可,而传统飞机在侧风较大时起飞,需压杆蹬舵保持方向,离地后需人工修正起飞航迹,这就得益于电传操纵系统的特种功能。

总之对于电传操纵系统的飞机和传统飞机的侧风修正有一定的区别,量度必须掌握好才能保证其起飞降落中的稳定性和安定性。

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