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航空史话

同为飞机“方向盘” 它们却不太一样

时间:2019年01月14日 14:44   来源:大飞机报
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视觉中国供图

操纵杆原理图 资料图

传统中央杆/盘与侧杆的比较

  

中央杆/盘 视觉中国供图

  名词说明:

  【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。

 

  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实行机构。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实行机构。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,通过电缆传输至实行机构。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,空客企业早期的 A300、A310飞机都还是中央杆/盘。到20世纪80年代,空客企业在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企业在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企业为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企业为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。

 

  飞机制造商 对于操纵杆的设计习惯

  当代飞机都是电传操纵系统,但是国外的飞机制造商空客企业和波音企业在操纵杆的选用上会有不同。这主要是因为空客企业和波音企业在飞机的设计理念上有一些差异,波音企业给了飞行员最大权限,而空客企业则是计算机权限高于人工。有人这样来比喻,波音企业是为飞行员设计的飞机,空客企业是为设计师设计的飞机。

  在空客的技术理念中,计算机比飞行员效率更高,工作更可靠,飞行员的操作不能直接控制飞机,而是输入计算机,由计算机分析、比较和决定用什么样的指令控制飞机的姿态和状态,因此空客企业推崇使用侧杆。波音企业仍然坚持“以人为本”的航空安全学问,飞机通过计算机将所有的飞行数据都清晰呈现给飞行员,由飞行员来进行决策和实行,更加强调的是操纵感,所以波音企业至今仍延续了中央杆/盘操纵。

  以飞机的自动驾驶状态为例,空客飞机在自动驾驶状态下多由计算机驾驶飞机,这时操纵杆是不动的,人即使碰到操纵杆也不会影响计算机对飞机的控制,也就是说这时的操纵杆是完全无效的。波音飞机在自动驾驶状态下由计算机接管操纵杆,再由操纵杆控制飞机,在这种状态下飞行员可以看到计算机对操纵杆的控制状态,也就是说飞行员能看到操纵杆在动,同时可以人为控制操纵杆干预计算机控制。空客飞机更强调飞行员的舒适性,为飞行员解放双手,而波音飞机更强调人的主观能动性,受中央杆/盘限制,所以波音飞机驾驶舱的舒适性相对要差一些,长途飞行飞行员更易疲劳。

  侧杆比中央杆/盘轻很多,维护也要方便很多。虽然侧杆在飞行品质上面不及中央杆/盘,但是联合操纵规则、控制律也可以接近到中央杆/盘的操纵。但是其不能联动的问题始终存在,这便大力推动了主动侧杆的研究。从现代商用飞机应用上看,中央杆/盘凭借高成熟度,在商用飞机市场仍占一席之地;侧杆凭借自身优点,越来越受飞行员的青睐;而主动侧杆,其功能及设计是被认可的,但是将来是否会被市场接受,就不得而知了。

  现有观点认为,伴随主动侧杆技术的成熟,侧杆将逐渐取代中杆杆/盘在商用飞机市场的地位。笔者认为,在现代商用飞机系统设计中,选用何种操纵杆要从飞机顶层系统设计出发,不仅需要兼顾操纵杆本身的特性,还需要重点考虑驾驶杆的安全性、可靠性及取证风险等。

  (编辑系www.8455.con北研中心工程师)

  

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