飛機(jī)操縱系統(tǒng)設(shè)計(jì)與分析

1、飛機(jī)操縱系統(tǒng)設(shè)計(jì)與分析飛機(jī)操縱系統(tǒng)設(shè)計(jì)與分析 4.1 4.1 操縱系統(tǒng)的特性操縱系統(tǒng)的特性 飛機(jī)的操縱可以由飛行員進(jìn)行，也可以用自動(dòng)控制系飛機(jī)的操縱可以由飛行員進(jìn)行，也可以用自動(dòng)控制系統(tǒng)來(lái)實(shí)現(xiàn)。統(tǒng)來(lái)實(shí)現(xiàn)。操縱系統(tǒng)的特性操縱系統(tǒng)的特性駕駛員駕駛員-操縱系統(tǒng)操縱系統(tǒng)-飛機(jī)控制回路閉環(huán)系統(tǒng)：飛機(jī)控制回路閉環(huán)系統(tǒng)：操縱系統(tǒng)的特性操縱系統(tǒng)的特性 駕駛員作為控制回路的指令中心環(huán)節(jié)，用操縱機(jī)構(gòu)消除飛行參數(shù)駕駛員作為控制回路的指令中心環(huán)節(jié)，用操縱機(jī)構(gòu)消除飛行參數(shù)偏差量的系統(tǒng)原理圖：偏差量的系統(tǒng)原理圖：操縱系統(tǒng)的特性操縱系統(tǒng)的特性縱向運(yùn)動(dòng)縱向運(yùn)動(dòng) 在沒(méi)有自動(dòng)操縱系統(tǒng)的飛機(jī)上，要保證相應(yīng)的縱向靜穩(wěn)定度，在沒(méi)有自動(dòng)

2、操縱系統(tǒng)的飛機(jī)上，要保證相應(yīng)的縱向靜穩(wěn)定度，須有：須有： 縱向兩種模態(tài)：縱向兩種模態(tài)： 短周期運(yùn)動(dòng)短周期運(yùn)動(dòng) 長(zhǎng)周期運(yùn)動(dòng)長(zhǎng)周期運(yùn)動(dòng) 飛機(jī)縱向穩(wěn)定性和操縱性主要取決于飛機(jī)的下列參數(shù)：飛機(jī)縱向穩(wěn)定性和操縱性主要取決于飛機(jī)的下列參數(shù)： swLCmqC.mCLmCCaccgmCxxCL操縱系統(tǒng)的特性操縱系統(tǒng)的特性橫向運(yùn)動(dòng)橫向運(yùn)動(dòng) 橫向的三種模態(tài)：橫向的三種模態(tài)： 滾轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)滾轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng) 螺旋運(yùn)動(dòng)螺旋運(yùn)動(dòng) 荷蘭滾運(yùn)動(dòng)：其運(yùn)動(dòng)與偏航與滾轉(zhuǎn)密切相關(guān)，主要取決于荷蘭滾運(yùn)動(dòng)：其運(yùn)動(dòng)與偏航與滾轉(zhuǎn)密切相關(guān)，主要取決于 導(dǎo)數(shù)：導(dǎo)數(shù)： lCnCnrC4.2 現(xiàn)代高速飛機(jī)穩(wěn)定性和操縱性現(xiàn)代高速飛機(jī)穩(wěn)定性和操縱性 特點(diǎn)及設(shè)計(jì)特點(diǎn)

3、及設(shè)計(jì)現(xiàn)代高速飛機(jī)穩(wěn)定性和操縱性特點(diǎn)及設(shè)計(jì)現(xiàn)代高速飛機(jī)穩(wěn)定性和操縱性特點(diǎn)及設(shè)計(jì)基本特點(diǎn)：基本特點(diǎn)：n高速飛機(jī)的普遍特點(diǎn)是，在超音速時(shí)，操縱機(jī)構(gòu)的鉸鏈力矩高速飛機(jī)的普遍特點(diǎn)是，在超音速時(shí)，操縱機(jī)構(gòu)的鉸鏈力矩 急劇增大，增量隨速壓的增長(zhǎng)和超過(guò)臨界急劇增大，增量隨速壓的增長(zhǎng)和超過(guò)臨界M數(shù)時(shí)操縱舵面壓數(shù)時(shí)操縱舵面壓 力的重新分布而增加，也隨舵面尺寸的增大而增加。力的重新分布而增加，也隨舵面尺寸的增大而增加。n超音速飛機(jī)最重要的特點(diǎn)是縱向靜態(tài)過(guò)載穩(wěn)定性與飛行狀態(tài)超音速飛機(jī)最重要的特點(diǎn)是縱向靜態(tài)過(guò)載穩(wěn)定性與飛行狀態(tài) 密切相關(guān)。密切相關(guān)。n由于飛機(jī)在跨音速區(qū)焦點(diǎn)急劇后移，因而造成跨音速的速度由于飛機(jī)在跨音速

4、區(qū)焦點(diǎn)急劇后移，因而造成跨音速的速度 不穩(wěn)定，這種不穩(wěn)定性在向超音速加速時(shí)表現(xiàn)為不穩(wěn)定，這種不穩(wěn)定性在向超音速加速時(shí)表現(xiàn)為“自動(dòng)俯沖自動(dòng)俯沖”， 在從超音速向亞音速減速時(shí)表現(xiàn)為在從超音速向亞音速減速時(shí)表現(xiàn)為“自發(fā)增加過(guò)載自發(fā)增加過(guò)載” ” ?，F(xiàn)代高速飛機(jī)穩(wěn)定性和操縱性特點(diǎn)及設(shè)計(jì)現(xiàn)代高速飛機(jī)穩(wěn)定性和操縱性特點(diǎn)及設(shè)計(jì)n迎角達(dá)到迎角達(dá)到12121515時(shí)縱向靜態(tài)過(guò)載穩(wěn)定性喪失時(shí)縱向靜態(tài)過(guò)載穩(wěn)定性喪失。n所有的高速飛機(jī)的品質(zhì)變差是飛機(jī)繞所有三個(gè)軸的固有振蕩所有的高速飛機(jī)的品質(zhì)變差是飛機(jī)繞所有三個(gè)軸的固有振蕩 阻尼惡化。阻尼惡化。n對(duì)于所有飛機(jī)，縱向操縱舵面的偏轉(zhuǎn)和相應(yīng)的單位過(guò)載所需對(duì)于所有飛機(jī)，縱向操

5、縱舵面的偏轉(zhuǎn)和相應(yīng)的單位過(guò)載所需 操縱桿的位移，隨飛行速度的增大而減小的量是固定的。操縱桿的位移，隨飛行速度的增大而減小的量是固定的。 n橫向靜態(tài)穩(wěn)定性實(shí)質(zhì)上取決于飛行迎角和橫向靜態(tài)穩(wěn)定性實(shí)質(zhì)上取決于飛行迎角和M數(shù)。數(shù)?，F(xiàn)代高速飛機(jī)穩(wěn)定性和操縱性特點(diǎn)及設(shè)計(jì)現(xiàn)代高速飛機(jī)穩(wěn)定性和操縱性特點(diǎn)及設(shè)計(jì)n 對(duì)所有超音速飛機(jī)，保證橫向穩(wěn)定性的困難很大。對(duì)所有超音速飛機(jī)，保證橫向穩(wěn)定性的困難很大。n高速飛機(jī)橫向操縱性的特點(diǎn)之一是，在高速飛行時(shí)橫向操縱高速飛機(jī)橫向操縱性的特點(diǎn)之一是，在高速飛行時(shí)橫向操縱 效率顯著下降。效率顯著下降。 現(xiàn)代高速飛機(jī)穩(wěn)定性和操縱性特點(diǎn)及設(shè)計(jì)現(xiàn)代高速飛機(jī)穩(wěn)定性和操縱性特點(diǎn)及設(shè)計(jì) 現(xiàn)代

6、高速飛機(jī)操縱系統(tǒng)的構(gòu)成現(xiàn)代高速飛機(jī)操縱系統(tǒng)的構(gòu)成4.3 飛機(jī)主動(dòng)控制技術(shù)飛機(jī)主動(dòng)控制技術(shù) 放寬靜穩(wěn)定性要求放寬靜穩(wěn)定性要求 放寬靜穩(wěn)定性要求及飛行邊界控制是兩項(xiàng)最基本的隨控放寬靜穩(wěn)定性要求及飛行邊界控制是兩項(xiàng)最基本的隨控 布局技術(shù)。布局技術(shù)。 旅客機(jī)可以采用移動(dòng)重心法來(lái)解決超音速飛行時(shí)的配平旅客機(jī)可以采用移動(dòng)重心法來(lái)解決超音速飛行時(shí)的配平 阻力過(guò)大的問(wèn)題，但對(duì)于高機(jī)動(dòng)性的殲擊機(jī)來(lái)說(shuō)就不適用了，阻力過(guò)大的問(wèn)題，但對(duì)于高機(jī)動(dòng)性的殲擊機(jī)來(lái)說(shuō)就不適用了， 只有在只有在“放寬靜穩(wěn)定性要求放寬靜穩(wěn)定性要求”實(shí)現(xiàn)之后才可解決這個(gè)問(wèn)題。實(shí)現(xiàn)之后才可解決這個(gè)問(wèn)題。飛機(jī)主動(dòng)控制技術(shù)飛機(jī)主動(dòng)控制技術(shù) 機(jī)動(dòng)載荷控制機(jī)

7、動(dòng)載荷控制 機(jī)動(dòng)載荷控制的目的，對(duì)于大型（轟炸、運(yùn)輸）飛機(jī)和機(jī)動(dòng)載荷控制的目的，對(duì)于大型（轟炸、運(yùn)輸）飛機(jī)和 小型（殲擊）飛機(jī)是不同的。對(duì)于大型飛機(jī)是提高其巡航經(jīng)小型（殲擊）飛機(jī)是不同的。對(duì)于大型飛機(jī)是提高其巡航經(jīng) 濟(jì)性；對(duì)于小型飛機(jī)則是提高其機(jī)動(dòng)性。濟(jì)性；對(duì)于小型飛機(jī)則是提高其機(jī)動(dòng)性。飛機(jī)主動(dòng)控制技術(shù)飛機(jī)主動(dòng)控制技術(shù)n大型飛機(jī)的機(jī)動(dòng)載荷控制大型飛機(jī)的機(jī)動(dòng)載荷控制 NB52飛機(jī)的機(jī)動(dòng)載荷控制的控制面飛機(jī)主動(dòng)控制技術(shù)飛機(jī)主動(dòng)控制技術(shù)n殲擊機(jī)的機(jī)動(dòng)載荷控制殲擊機(jī)的機(jī)動(dòng)載荷控制 F4飛機(jī)使用機(jī)動(dòng)載荷控制飛機(jī)主動(dòng)控制技術(shù)飛機(jī)主動(dòng)控制技術(shù)直接力操縱直接力操縱 直接力操縱就是在不改變飛機(jī)飛行姿態(tài)的條件下，

8、通過(guò)操直接力操縱就是在不改變飛機(jī)飛行姿態(tài)的條件下，通過(guò)操 縱一些操縱面直接提供附加升力或側(cè)力，使飛機(jī)作垂直方向縱一些操縱面直接提供附加升力或側(cè)力，使飛機(jī)作垂直方向 或側(cè)向的平移運(yùn)動(dòng)來(lái)改變飛機(jī)的航跡，即所謂作或側(cè)向的平移運(yùn)動(dòng)來(lái)改變飛機(jī)的航跡，即所謂作“非常規(guī)機(jī)非常規(guī)機(jī) 動(dòng)動(dòng)”飛行。飛行。飛機(jī)主動(dòng)控制技術(shù)飛機(jī)主動(dòng)控制技術(shù)n直接升力操縱直接升力操縱飛機(jī)主動(dòng)控制技術(shù)飛機(jī)主動(dòng)控制技術(shù)n直接側(cè)力操縱直接側(cè)力操縱4.4 電傳操縱系統(tǒng)電傳操縱系統(tǒng) 對(duì)電傳操縱系統(tǒng)的分析設(shè)計(jì)，主要包括兩個(gè)方面：對(duì)電傳操縱系統(tǒng)的分析設(shè)計(jì)，主要包括兩個(gè)方面： 一是控制律；二是可靠性一是控制律；二是可靠性。 電傳操縱系統(tǒng)中可靠性與余度

9、技術(shù)電傳操縱系統(tǒng)中可靠性與余度技術(shù) 所謂采用余度技術(shù)就是引入多重所謂采用余度技術(shù)就是引入多重(套套)系統(tǒng)來(lái)執(zhí)行同一系統(tǒng)來(lái)執(zhí)行同一 指令，完成同一項(xiàng)工作任務(wù)。同時(shí)滿足下述三個(gè)條件的多指令，完成同一項(xiàng)工作任務(wù)。同時(shí)滿足下述三個(gè)條件的多 重系統(tǒng)稱為余度系統(tǒng)。重系統(tǒng)稱為余度系統(tǒng)。n 對(duì)組成系統(tǒng)的各個(gè)部分具有故障監(jiān)控、信號(hào)表決的能力。對(duì)組成系統(tǒng)的各個(gè)部分具有故障監(jiān)控、信號(hào)表決的能力。n一旦系統(tǒng)或系統(tǒng)中某部分出現(xiàn)故障后，必須具有故障隔一旦系統(tǒng)或系統(tǒng)中某部分出現(xiàn)故障后，必須具有故障隔 離的能力。離的能力。電傳操縱系統(tǒng)電傳操縱系統(tǒng)n當(dāng)系統(tǒng)中出現(xiàn)一個(gè)或數(shù)個(gè)故障時(shí)，它具有重新組織余下的當(dāng)系統(tǒng)中出現(xiàn)一個(gè)或數(shù)個(gè)故障時(shí)

10、，它具有重新組織余下的完好部分，使系統(tǒng)具有故障安全或雙故障安全的能力，即完好部分，使系統(tǒng)具有故障安全或雙故障安全的能力，即在性能指標(biāo)稍有降低的情況下，系統(tǒng)仍能繼續(xù)承擔(dān)任務(wù)。在性能指標(biāo)稍有降低的情況下，系統(tǒng)仍能繼續(xù)承擔(dān)任務(wù)。 圖示是四余度系統(tǒng)簡(jiǎn)圖：圖示是四余度系統(tǒng)簡(jiǎn)圖：電傳操縱系統(tǒng)電傳操縱系統(tǒng) 電傳操縱系統(tǒng)的組成電傳操縱系統(tǒng)的組成 電傳操縱系統(tǒng)可分為模擬式和數(shù)字式兩種，數(shù)字式是發(fā)展方向。電傳操縱系統(tǒng)可分為模擬式和數(shù)字式兩種，數(shù)字式是發(fā)展方向。 四余度模擬式電傳操縱系統(tǒng)原理圖四余度模擬式電傳操縱系統(tǒng)原理圖電傳操縱系統(tǒng)電傳操縱系統(tǒng)uF16飛機(jī)是世界上第一架現(xiàn)役的電傳操縱系統(tǒng)飛機(jī)。下圖為飛機(jī)是世界上第

11、一架現(xiàn)役的電傳操縱系統(tǒng)飛機(jī)。下圖為F16A飛機(jī)的電傳操縱系統(tǒng)原理圖：飛機(jī)的電傳操縱系統(tǒng)原理圖：4.5 4.5 綜合飛行控制系統(tǒng)綜合飛行控制系統(tǒng)綜合飛行火力控制系統(tǒng)綜合飛行火力控制系統(tǒng) 綜合飛行火力控制綜合飛行火力控制(IFFC)技術(shù)是美國(guó)在技術(shù)是美國(guó)在20世紀(jì)世紀(jì)70年代年代 中期提出的一種新的航空技術(shù)。它以飛機(jī)主動(dòng)控制技術(shù)為基礎(chǔ)，中期提出的一種新的航空技術(shù)。它以飛機(jī)主動(dòng)控制技術(shù)為基礎(chǔ)，通過(guò)飛行火力耦合器將能解耦操縱的飛行控制系統(tǒng)通過(guò)飛行火力耦合器將能解耦操縱的飛行控制系統(tǒng)(FCS)和和 攻擊瞄準(zhǔn)系統(tǒng)綜合成一個(gè)閉環(huán)武器自動(dòng)投放系統(tǒng)。攻擊瞄準(zhǔn)系統(tǒng)綜合成一個(gè)閉環(huán)武器自動(dòng)投放系統(tǒng)。綜合飛行控制系統(tǒng)綜

12、合飛行控制系統(tǒng)n綜合飛行綜合飛行/火力控制系統(tǒng)基本組成及特點(diǎn)火力控制系統(tǒng)基本組成及特點(diǎn)IFFC具有以下特點(diǎn)：具有以下特點(diǎn)：u飛機(jī)采用主動(dòng)控制技術(shù)，獲得多自由度解耦控制功能，或者至少載機(jī)飛飛機(jī)采用主動(dòng)控制技術(shù)，獲得多自由度解耦控制功能，或者至少載機(jī)飛行控制能部分地行控制能部分地(或近似地或近似地)實(shí)現(xiàn)飛行狀態(tài)和飛行姿態(tài)間的解耦控制。實(shí)現(xiàn)飛行狀態(tài)和飛行姿態(tài)間的解耦控制。u飛行控制系統(tǒng)能在火力控制系統(tǒng)的耦合下，操縱飛機(jī)進(jìn)行自動(dòng)攻擊。飛行控制系統(tǒng)能在火力控制系統(tǒng)的耦合下，操縱飛機(jī)進(jìn)行自動(dòng)攻擊。u采用適合于自動(dòng)機(jī)動(dòng)攻擊的火力控制系統(tǒng)。采用適合于自動(dòng)機(jī)動(dòng)攻擊的火力控制系統(tǒng)。綜合飛行控制系統(tǒng)綜合飛行控制系統(tǒng)

13、n綜合飛行火力控制對(duì)飛行控制系統(tǒng)的要求綜合飛行火力控制對(duì)飛行控制系統(tǒng)的要求 AFTIF-16通過(guò)提高飛行品質(zhì)和引入新的控制自由度來(lái)改進(jìn)飛行通過(guò)提高飛行品質(zhì)和引入新的控制自由度來(lái)改進(jìn)飛行軌跡的控制。軌跡的控制。 綜合飛行控制系統(tǒng)綜合飛行控制系統(tǒng)綜合飛行推進(jìn)控制系統(tǒng)綜合飛行推進(jìn)控制系統(tǒng) 綜合飛行推進(jìn)控制綜合飛行推進(jìn)控制(IFPC)技術(shù)就是把飛機(jī)與推進(jìn)技術(shù)就是把飛機(jī)與推進(jìn)(包括包括 進(jìn)氣道、發(fā)動(dòng)機(jī)和尾噴管進(jìn)氣道、發(fā)動(dòng)機(jī)和尾噴管)系統(tǒng)綜合考慮，在整個(gè)飛行包線系統(tǒng)綜合考慮，在整個(gè)飛行包線 內(nèi)最大限度地滿足飛行任務(wù)的要求，以滿足推力管理，提高內(nèi)最大限度地滿足飛行任務(wù)的要求，以滿足推力管理，提高 燃油效率和

14、飛機(jī)的機(jī)動(dòng)性，有效地處理飛機(jī)與推進(jìn)系統(tǒng)之間燃油效率和飛機(jī)的機(jī)動(dòng)性，有效地處理飛機(jī)與推進(jìn)系統(tǒng)之間 耦合影響及減輕駕駛員負(fù)擔(dān)等項(xiàng)要求，從而使系統(tǒng)達(dá)到整體耦合影響及減輕駕駛員負(fù)擔(dān)等項(xiàng)要求，從而使系統(tǒng)達(dá)到整體 性能優(yōu)化。性能優(yōu)化。綜合飛行控制系統(tǒng)綜合飛行控制系統(tǒng) 下面以某型殲擊機(jī)為例，說(shuō)明帶推力矢量綜合飛行推進(jìn)下面以某型殲擊機(jī)為例，說(shuō)明帶推力矢量綜合飛行推進(jìn) 控制系統(tǒng)的組成和功能。某殲擊機(jī)具有水平鴨翼的三翼面氣動(dòng)控制系統(tǒng)的組成和功能。某殲擊機(jī)具有水平鴨翼的三翼面氣動(dòng) 布局；該機(jī)裝有兩臺(tái)雙軸渦輪噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)；尾噴管安裝具有反布局；該機(jī)裝有兩臺(tái)雙軸渦輪噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)；尾噴管安裝具有反 推力能力的俯仰偏航矢量噴管

15、。該機(jī)綜合飛行推進(jìn)控制推力能力的俯仰偏航矢量噴管。該機(jī)綜合飛行推進(jìn)控制 系統(tǒng)的方塊圖如下圖所示：系統(tǒng)的方塊圖如下圖所示： 綜合飛行控制系統(tǒng)綜合飛行控制系統(tǒng) 飛行管理系統(tǒng)飛行管理系統(tǒng) 飛行管理系統(tǒng)飛行管理系統(tǒng)(FMS-Flight Management System) 是是 一個(gè)協(xié)助飛行員完成從起飛到著陸各項(xiàng)任務(wù)的系統(tǒng)，可管理、監(jiān)視一個(gè)協(xié)助飛行員完成從起飛到著陸各項(xiàng)任務(wù)的系統(tǒng)，可管理、監(jiān)視 和 自 動(dòng) 操 縱 飛 機(jī) ， 實(shí) 現(xiàn) 全 航 程 的 自 動(dòng) 飛 行 ， 是 當(dāng) 代 民 航和 自 動(dòng) 操 縱 飛 機(jī) ， 實(shí) 現(xiàn) 全 航 程 的 自 動(dòng) 飛 行 ， 是 當(dāng) 代 民 航 先進(jìn)飛機(jī)如波音公司的先進(jìn)飛機(jī)如波音公司的757767、空中客車公司的、空中客車公司的A310、 A320等采用的一種新型機(jī)載設(shè)備。它集導(dǎo)航、制導(dǎo)、控制及等采用的一種新型機(jī)載設(shè)備。它集導(dǎo)航、制導(dǎo)、控制及 座艙顯示于一體，將飛機(jī)的自動(dòng)化水平推到了一個(gè)嶄新的階段。飛行座艙顯示于一體，將飛機(jī)的自動(dòng)化水平推到了一個(gè)嶄新的階段。飛行管 理 系 統(tǒng) 的 主 要 功 能 一