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飞机操控系统

飞机操纵系统发展历程和典型飞机操纵系统分析

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摘要

本文简要的叙述了飞机操纵系统的发展，主要阐述了几个典型飞机操纵系统的产生和具体结构。

早期的简单机械系统即可达到飞行的要求，但随着飞机速度和机动性要求的不断提高，飞机操纵系统的性能也不断完善。

飞机操纵系统经历了简单机械系统、控制增稳系统、电传操纵系统和光传操纵系统这几个阶段。

最后飞机操作系统的每一次改变都是航空发展史上的伟大进步。

关键词：

机械操纵系统、控制增稳系统、电传操纵系统、光传操纵系统

Aircraftcontrolsystemdevelopmentprocessandtypicalaircraftcontrolsystemanalysis

Student:

LiuHe

Abstract

Thisarticlebrieflydescribesthedevelopmentofaircraftcontrolsystems,mainlyontheproductionandthespecificstructureofseveraltypicalaircraftcontrolsystems.Earlyflightcanbeachievedbyasimplemechanicalsystem,butwiththeconstantincreaseinairspeedandmaneuverability,performanceaircraftcontrolsystemsareconstantlyimproved.Aircraftoperatingsystemhasexperiencedseveralimportantstages,forexample,simplemechanicalsystems,ControlAugmentationsystem,TelexControlsystem,FiberOpticControlSystem.Everychangeisthedevelopmentofthegreatadvancesinaviationhistorylastaircraftoperatingsystem.

Keywords:

MechanicalControlSystem,ControlAugmentationSystem,TelexControlSystem,FiberOpticControlSystem

第一章绪论

论文背景及目的

当今世界，飞机逐渐成为沟通世界的首要交通工具，因为它快速便捷，可以大大缩短出行的时间。

而飞机操控系统是飞机的神经系统，是飞机可靠飞行的保障之一。

本论文主要研究飞机操控系统的发展和主操控系统的主要类型

论文研究内容及方法

通过研究国内外飞机操控系统发展历史，并进行具体分析，进一步深化理解飞机操控系统的构成和发展历程。

具体如下：

1.飞机操控系统的发展历程

2.典型飞机操控系统的分析（主要是简单机械操控系统和增稳增控操作系统）

3.个人感悟

第二章飞机操纵系统的发展历程

飞机操控系统简述

飞机操纵系统是用以传递驾驶员或自动驾驶仪的操纵命令，驱动多面和其他机构以控制飞机飞行姿态的系统。

通常分为人工飞行操纵系统（MFCS）和自动飞行控制系统（AFGS），而人工飞行操纵系统又分为主操纵系统和辅助操纵系统。

主操纵系统是飞机俯仰、翻滚和偏航操纵的操纵系统。

辅助操纵系统包括调整片、襟翼、减速板、可调安定面和机翼变后掠角操纵系统。

操纵系统的发展

最初的飞机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（图1A）。

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，间隙和系统的弹性形变加以限制，便可获得满意的系统性能。

机械传动操纵系统仍广泛用于低速飞机和一些运输机上。

随着飞机设计的发展和飞机速度的不断提高，即使使用看气动力补偿，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，首先是可逆助力操纵系统（图1B）并联一个助力器，气动力由助力器和飞行员共同承受，从而大大减小杆力。

随着飞机速度进一步增大，尤其是达到超音速以后，由于飞行速度和高度变化范围很大，作用在舵面上的气动力变化很大，飞机飞行安全受到威胁。

这样出现不可逆助力操纵系统（图1C）。

舵面气动载荷全部由液压助力器承受。

为了使驾驶员获得操纵力感觉，在系统中增加了人工载荷机构（通常是弹簧的）以及其他改善操纵特性的装置。

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（图1D）和控制增稳操纵系统（图1E）。

此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，这便产生了现在以被广泛使用的电传操纵系统（图1G）。

电传操纵系统难以克服自身易受干扰的缺陷，为了改善电传操纵系统的性能，克服自身的缺陷，在电传操纵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纵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。

第三章典型操纵系统对比分析

介绍概论

在操控系统发展史上，可以分为机械操纵和电气操纵两大部分。

飞机操纵系统分类见下表1。

我重点介绍机械操纵系统和增稳增控操纵系统，加深自己对操纵系统的理解。

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

液压驱动

方向舵

脚操纵机构

辅助操纵

襟翼、缝翼

扰流板

光传操纵

电动助力

安定面

简单机械操纵系统

机械操纵系统在操纵装置（操纵杆、脚蹬）和飞机的舵机之间存在着一套相当复杂的机械联动装置和液压管路，飞行员操纵操纵杆和脚蹬，通过上述联动装置控制舵机位置，从而使飞机达到希望的姿态和航向。

从信号传递来看：

机械操纵系统的操纵信号由钢索、传动杆的机械部件传动。

从驱动方式来看：

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。

从整体来看，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。

可分为软式（钢索）和硬式（杆）操纵系统。

软式传动装置由钢索和滑轮组成，特点是重量轻，容易绕过障碍，但是弹性变形和摩擦力较大。

硬式传动装置由传动拉杆和摇臂组成，优点是刚度大，操纵灵活，但构造复杂，重量加大。

软式和硬式可以混合使用。

下面简单说明飞机机械操纵系统的原理：

副翼、升降舵和方向舵构成传统飞行操纵系统。

飞行员可以通过安装在仪表面板的任意一侧单手操纵杆操控操纵面。

1）升降舵为飞机提供俯仰控制。

升降舵运动是通过飞行员操纵杆在轴承架中前后滑动操纵管产生的。

一套推拉联动装置与安装在转矩管上的操纵索部分相联。

一套单操纵索系统从前升降舵滑轮装置沿座舱地板下方延伸至后升降舵滑轮装置。

与后升降舵滑轮装置相关的一根推拉管将向与升降舵相联的升降舵曲柄传递动力。

（图3-1）

2）副翼为飞机提供滚转操纵。

副翼的操纵运动是通过飞行员操纵杆转动中枢轴承系统中的操纵管产生的。

推杆将枢轴承架与位于中部的滑轮组件相联。

一套单操纵索系统从该组件延伸至座舱地板下部和后翼梁的后部。

在这里，操纵索在机翼内的线路开始转为垂直滑轮组/曲柄臂，通过直角锥形驱动臂转动副翼（图3-2）

3）方向舵为飞机提供偏航控制。

方向舵的运动是通过座舱地板下的一套单操纵索系统，从方向舵脚踏板传递给机身后部紧靠升降舵滑轮组件的方向舵滑轮组件的，之后再传递给方向舵。

连接滑轮组件和方向舵曲拐的推拉管将操纵索的运动传递给方向舵。

弹簧和一个与方向舵脚蹬组件相连的地方可调节弹簧筒将操纵索拉紧，并提供回中力。

（图3-3）

最后总结简单机械操纵系统的优缺点：

优点：

简单机械操纵系统是一种人力操纵系统，构造简单，工作可靠

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变化十分敏感

体积大，结构复杂，重量大

增稳和控制增稳操纵系统

现在战斗机为了使气动布局有较好的效益，飞机本身的静稳定度设计的较小现代战斗机又往往在大迎角下飞行，而飞机的纵向静稳定度随迎角增大而减小，甚至改变符号，纵向静不稳定，驾驶员难以操作。

因此有了增稳操纵系统。

增稳控制系统一般由引入迎角反馈信号、法向过载反馈信号或迎角与俯仰角速度组合反馈信号构成闭环控制系统，使飞机的飞行操纵品种得到了很大的提升。

但是增稳操纵系统在提高飞机稳定性的同时，降低了飞机的操纵性。

为了解决稳定性与操作性的矛盾，在增稳系统的基础上，发展了控制增稳操纵系统。

控制增稳操纵系统是在增稳操纵系统的基础上增加一个杆力传感器和一个指令模型构成，即系统由机械通道、电气通道和增稳回路组成、电气和机械两通道并行，电气通道的作用是增大传递系数。

接下具体介绍增稳和控制增稳的实现方法和原理（以纵向操纵为例）

图4飞机纵向增稳结构图

图5纵向增稳系统方框图

由图四图五可知飞机纵向增稳系统的理想控制律：

当飞机有干扰输入时，仰速率输出对外干扰输入的传函：

当

不断增大，且

，则

。

减小系统干扰的影响。

系统的操纵性随增益

的增大而削弱,当

足够大,

系统受杆力输入的影响较小,这是不希望的.

控制增稳系统如下：

再看俯仰速率输出对杆力输入的传函：

当

不断增大，且

，又

，则

。

系统的抗干扰能力以及操纵性都随增益

的增大而增强。

当

足够大时，系统对杆力输入响应趋于完全跟踪状态。

最终控制增稳系统的操纵如下：

驾驶员的操纵信号可以分两路输出，一路是通过机械链（不可逆助力操纵系统）使舵面偏转，另一路是通过电气链,由杆力（位移）传感器产生电气指令信号传输到指令模型，并在其中形成满足操纵性要求的电信号，直接与来自增稳器的反馈信号在校正网络输入端相加，以差值去控制舵面偏转,显然，电气指令信号的极性与机械链来的操纵信号是同相的,所以他俩是并联的.

控制增稳系统优缺点

优点：

较好地解决了稳定性与操纵性之间的矛盾

缺点：

1、操纵控制的权限有限；

2、机械杆系的大重量以及机械杆系的非线性问题

电传操纵系统

在不可逆助力操纵系统中，存在着间隙、摩擦、弹性变形等影响，难以解决微弱信号的传递问题。

又由于普遍采用增稳装置，机械联杆装置越来越复杂，重量增加。

自动控制和微电子技术的发展，为取消机械传动装置创造了条件，可用电信号综合传感器信号和驾驶员的操纵指令，对飞机进行有效的操纵。

如果在电传操纵系统之外,还保留机械操纵系统作为备用，则称为准电传操纵系统。

电传操纵系统的关键是系统的可靠性问题，它的可靠性至少不能低于机械操纵系统。

为此需要采用余度技术，对于关键部件和线路采用多重布置的原则，以提高系统的可靠性。

电传操纵系统的优点是体积小、重量轻、通过性好，便于采用主动控制技术，易于与其他系统交联，生存力强，维护性好，可提高飞机操纵品质和性能，是高性能飞机操纵系统发展的方向。

电传操纵的重要性在于打破了飞机设计中需要保持静稳定性的布局，设计师们可以为战斗任务选择和优化最有效的布局，然后由储存在飞行控制计算机软件中的相应控制律增加人工稳定性。

现役战斗机中已经有多种飞机采用电传操纵系统。

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，在计算计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。

光传操纵系统是在电传操纵系统上发展起来的，也是后者的发展趋势。

电传操纵系统的致命弱点是易受雷电和电磁干扰及核辐射的影响。

现代飞机性能不断提高，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。

解决这一问题的根本办法就是采用光传操纵系统。

采用光纤作为传输介质，以光信号的形式传输，使得光传操纵系统具有很多优点。

首先，它具有抗电磁干扰、抗电磁脉冲辐射和防雷电等特点，且光纤本身不辐射能量，这就提高了可靠性和安全性。

其次，光缆可减轻控制系统的重量、缩小体积，从而大大改进飞机的稳定性和可操纵性。

再次，光纤的故障隔离性好，当一个通道发生故障时不会影响其他通道。

第四章结论

飞机的操纵系统经过机械操纵系统、助力机械操纵系统、电传操纵系统和光传操纵系统，每一次操纵系统的变革是承上启下，是航空史上重大变革。

每一次的变革都是上一个问题的解决和延续，这是一种继承发展。

现在随着信号“光学化”研究进展，我相信不远的将来，飞机性能又会更上一层楼。

通过这次论文写作，我对飞机飞行操纵系统有了更深刻的了解，同时对所学知识有了更深的体会，收获颇丰。

参考文献

[1]徐鑫福.飞机飞行操纵系统.北京航空航天大学出版社.1989.

[2]瞿福存.飞行控制系统的演变.飞行试验.1997.

[3]刘畅.飞机操纵系统的发展以及典型飞机操纵系统的对比分析.2013