飛機操縱系統(tǒng)設(shè)計與分析

1、飛機操縱系統(tǒng)設(shè)計與分析飛機操縱系統(tǒng)設(shè)計與分析 4.1 4.1 操縱系統(tǒng)的特性操縱系統(tǒng)的特性 飛機的操縱可以由飛行員進行，也可以用自動控制系飛機的操縱可以由飛行員進行，也可以用自動控制系統(tǒng)來實現(xiàn)。統(tǒng)來實現(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)-飛機控制回路閉環(huán)系統(tǒng)：飛機控制回路閉環(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)的特性縱向運動縱向運動 在沒有自動操縱系統(tǒng)的飛機上，要保證相應(yīng)的縱向靜穩(wěn)定度，在沒有自動

2、操縱系統(tǒng)的飛機上，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)： 短周期運動短周期運動 長周期運動長周期運動 飛機縱向穩(wěn)定性和操縱性主要取決于飛機的下列參數(shù)：飛機縱向穩(wěn)定性和操縱性主要取決于飛機的下列參數(shù)： swLCmqC.mCLmCCaccgmCxxCL操縱系統(tǒng)的特性操縱系統(tǒng)的特性橫向運動橫向運動 橫向的三種模態(tài)：橫向的三種模態(tài)： 滾轉(zhuǎn)運動滾轉(zhuǎn)運動 螺旋運動螺旋運動 荷蘭滾運動：其運動與偏航與滾轉(zhuǎn)密切相關(guān)，主要取決于荷蘭滾運動：其運動與偏航與滾轉(zhuǎn)密切相關(guān)，主要取決于 導(dǎo)數(shù)：導(dǎo)數(shù)： lCnCnrC4.2 現(xiàn)代高速飛機穩(wěn)定性和操縱性現(xiàn)代高速飛機穩(wěn)定性和操縱性 特點及設(shè)計特點

3、及設(shè)計現(xiàn)代高速飛機穩(wěn)定性和操縱性特點及設(shè)計現(xiàn)代高速飛機穩(wěn)定性和操縱性特點及設(shè)計基本特點：基本特點：n高速飛機的普遍特點是，在超音速時，操縱機構(gòu)的鉸鏈力矩高速飛機的普遍特點是，在超音速時，操縱機構(gòu)的鉸鏈力矩 急劇增大，增量隨速壓的增長和超過臨界急劇增大，增量隨速壓的增長和超過臨界M數(shù)時操縱舵面壓數(shù)時操縱舵面壓 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超音速飛機最重要的特點是縱向靜態(tài)過載穩(wěn)定性與飛行狀態(tài)超音速飛機最重要的特點是縱向靜態(tài)過載穩(wěn)定性與飛行狀態(tài) 密切相關(guān)。密切相關(guān)。n由于飛機在跨音速區(qū)焦點急劇后移，因而造成跨音速的速度由于飛機在跨音速

4、區(qū)焦點急劇后移，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表現(xiàn)為不穩(wěn)定，這種不穩(wěn)定性在向超音速加速時表現(xiàn)為“自動俯沖自動俯沖”， 在從超音速向亞音速減速時表現(xiàn)為在從超音速向亞音速減速時表現(xiàn)為“自發(fā)增加過載自發(fā)增加過載” ” ?，F(xiàn)代高速飛機穩(wěn)定性和操縱性特點及設(shè)計現(xiàn)代高速飛機穩(wěn)定性和操縱性特點及設(shè)計n迎角達到迎角達到12121515時縱向靜態(tài)過載穩(wěn)定性喪失時縱向靜態(tài)過載穩(wěn)定性喪失。n所有的高速飛機的品質(zhì)變差是飛機繞所有三個軸的固有振蕩所有的高速飛機的品質(zhì)變差是飛機繞所有三個軸的固有振蕩 阻尼惡化。阻尼惡化。n對于所有飛機，縱向操縱舵面的偏轉(zhuǎn)和相應(yīng)的單位過載所需對于所有飛機，縱向操

5、縱舵面的偏轉(zhuǎn)和相應(yīng)的單位過載所需 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)定性實質(zhì)上取決于飛行迎角和橫向靜態(tài)穩(wěn)定性實質(zhì)上取決于飛行迎角和M數(shù)。數(shù)?，F(xiàn)代高速飛機穩(wěn)定性和操縱性特點及設(shè)計現(xiàn)代高速飛機穩(wěn)定性和操縱性特點及設(shè)計n 對所有超音速飛機，保證橫向穩(wěn)定性的困難很大。對所有超音速飛機，保證橫向穩(wěn)定性的困難很大。n高速飛機橫向操縱性的特點之一是，在高速飛行時橫向操縱高速飛機橫向操縱性的特點之一是，在高速飛行時橫向操縱 效率顯著下降。效率顯著下降。 現(xiàn)代高速飛機穩(wěn)定性和操縱性特點及設(shè)計現(xiàn)代高速飛機穩(wěn)定性和操縱性特點及設(shè)計 現(xiàn)代

6、高速飛機操縱系統(tǒng)的構(gòu)成現(xiàn)代高速飛機操縱系統(tǒng)的構(gòu)成4.3 飛機主動控制技術(shù)飛機主動控制技術(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最基本的隨控 布局技術(shù)。布局技術(shù)。 旅客機可以采用移動重心法來解決超音速飛行時的配平旅客機可以采用移動重心法來解決超音速飛行時的配平 阻力過大的問題，但對于高機動性的殲擊機來說就不適用了，阻力過大的問題，但對于高機動性的殲擊機來說就不適用了， 只有在只有在“放寬靜穩(wěn)定性要求放寬靜穩(wěn)定性要求”實現(xiàn)之后才可解決這個問題。實現(xiàn)之后才可解決這個問題。飛機主動控制技術(shù)飛機主動控制技術(shù) 機動載荷控制機

7、動載荷控制 機動載荷控制的目的，對于大型（轟炸、運輸）飛機和機動載荷控制的目的，對于大型（轟炸、運輸）飛機和 小型（殲擊）飛機是不同的。對于大型飛機是提高其巡航經(jīng)小型（殲擊）飛機是不同的。對于大型飛機是提高其巡航經(jīng) 濟性；對于小型飛機則是提高其機動性。濟性；對于小型飛機則是提高其機動性。飛機主動控制技術(shù)飛機主動控制技術(shù)n大型飛機的機動載荷控制大型飛機的機動載荷控制 NB52飛機的機動載荷控制的控制面飛機主動控制技術(shù)飛機主動控制技術(shù)n殲擊機的機動載荷控制殲擊機的機動載荷控制 F4飛機使用機動載荷控制飛機主動控制技術(shù)飛機主動控制技術(shù)直接力操縱直接力操縱 直接力操縱就是在不改變飛機飛行姿態(tài)的條件下，

8、通過操直接力操縱就是在不改變飛機飛行姿態(tài)的條件下，通過操 縱一些操縱面直接提供附加升力或側(cè)力，使飛機作垂直方向縱一些操縱面直接提供附加升力或側(cè)力，使飛機作垂直方向 或側(cè)向的平移運動來改變飛機的航跡，即所謂作或側(cè)向的平移運動來改變飛機的航跡，即所謂作“非常規(guī)機非常規(guī)機 動動”飛行。飛行。飛機主動控制技術(shù)飛機主動控制技術(shù)n直接升力操縱直接升力操縱飛機主動控制技術(shù)飛機主動控制技術(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) 對電傳操縱系統(tǒng)的分析設(shè)計，主要包括兩個方面：對電傳操縱系統(tǒng)的分析設(shè)計，主要包括兩個方面： 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)來執(zhí)行同一系統(tǒng)來執(zhí)行同一 指令，完成同一項工作任務(wù)。同時滿足下述三個條件的多指令，完成同一項工作任務(wù)。同時滿足下述三個條件的多 重系統(tǒng)稱為余度系統(tǒng)。重系統(tǒng)稱為余度系統(tǒng)。n 對組成系統(tǒng)的各個部分具有故障監(jiān)控、信號表決的能力。對組成系統(tǒng)的各個部分具有故障監(jiān)控、信號表決的能力。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)一個或數(shù)個故障時，它具有重新組織余下的當(dāng)系統(tǒng)中出現(xiàn)一個或數(shù)個故障時

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)簡圖：圖示是四余度系統(tǒng)簡圖：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飛機是世界上第一架現(xiàn)役的電傳操縱系統(tǒng)飛機。下圖為飛機是世界上第

11、一架現(xiàn)役的電傳操縱系統(tǒng)飛機。下圖為F16A飛機的電傳操縱系統(tǒng)原理圖：飛機的電傳操縱系統(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)是美國在技術(shù)是美國在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)。它以飛機主動控制技術(shù)為基礎(chǔ)，中期提出的一種新的航空技術(shù)。它以飛機主動控制技術(shù)為基礎(chǔ)，通過飛行火力耦合器將能解耦操縱的飛行控制系統(tǒng)通過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)綜合成一個閉環(huán)武器自動投放系統(tǒng)。攻擊瞄準(zhǔn)系統(tǒng)綜合成一個閉環(huán)武器自動投放系統(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)基本組成及特點火力控制系統(tǒng)基本組成及特點IFFC具有以下特點：具有以下特點：u飛機采用主動控制技術(shù)，獲得多自由度解耦控制功能，或者至少載機飛飛機采用主動控制技術(shù)，獲得多自由度解耦控制功能，或者至少載機飛行控制能部分地行控制能部分地(或近似地或近似地)實現(xiàn)飛行狀態(tài)和飛行姿態(tài)間的解耦控制。實現(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，操縱飛機進行自動攻擊。飛行控制系統(tǒng)能在火力控制系統(tǒng)的耦合下，操縱飛機進行自動攻擊。u采用適合于自動機動攻擊的火力控制系統(tǒng)。采用適合于自動機動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飛行控制系統(tǒng)的要求綜合飛行火力控制對飛行控制系統(tǒng)的要求 AFTIF-16通過提高飛行品質(zhì)和引入新的控制自由度來改進飛行通過提高飛行品質(zhì)和引入新的控制自由度來改進飛行軌跡的控制。軌跡的控制。 綜合飛行控制系統(tǒng)綜合飛行控制系統(tǒng)綜合飛行推進控制系統(tǒng)綜合飛行推進控制系統(tǒng) 綜合飛行推進控制綜合飛行推進控制(IFPC)技術(shù)就是把飛機與推進技術(shù)就是把飛機與推進(包括包括 進氣道、發(fā)動機和尾噴管進氣道、發(fā)動機和尾噴管)系統(tǒng)綜合考慮，在整個飛行包線系統(tǒng)綜合考慮，在整個飛行包線 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、飛機的機動性，有效地處理飛機與推進系統(tǒng)之間燃油效率和飛機的機動性，有效地處理飛機與推進系統(tǒng)之間 耦合影響及減輕駕駛員負擔(dān)等項要求，從而使系統(tǒng)達到整體耦合影響及減輕駕駛員負擔(dān)等項要求，從而使系統(tǒng)達到整體 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) 下面以某型殲擊機為例，說明帶推力矢量綜合飛行推進下面以某型殲擊機為例，說明帶推力矢量綜合飛行推進 控制系統(tǒng)的組成和功能。某殲擊機具有水平鴨翼的三翼面氣動控制系統(tǒng)的組成和功能。某殲擊機具有水平鴨翼的三翼面氣動 布局；該機裝有兩臺雙軸渦輪噴氣發(fā)動機；尾噴管安裝具有反布局；該機裝有兩臺雙軸渦輪噴氣發(fā)動機；尾噴管安裝具有反 推力能力的俯仰偏航矢量噴管

15、。該機綜合飛行推進控制推力能力的俯仰偏航矢量噴管。該機綜合飛行推進控制 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 一個協(xié)助飛行員完成從起飛到著陸各項任務(wù)的系統(tǒng)，可管理、監(jiān)視一個協(xié)助飛行員完成從起飛到著陸各項任務(wù)的系統(tǒng)，可管理、監(jiān)視 和 自 動 操 縱 飛 機 ， 實 現(xiàn) 全 航 程 的 自 動 飛 行 ， 是 當(dāng) 代 民 航和 自 動 操 縱 飛 機 ， 實 現(xiàn) 全 航 程 的 自 動 飛 行 ， 是 當(dāng) 代 民 航 先進飛機如波音公司的先進飛機如波音公司的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載設(shè)備。它集導(dǎo)航、制導(dǎo)、控制及等采用的一種新型機載設(shè)備。它集導(dǎo)航、制導(dǎo)、控制及 座艙顯示于一體，將飛機的自動化水平推到了一個嶄新的階段。飛行座艙顯示于一體，將飛機的自動化水平推到了一個嶄新的階段。飛行管 理 系 統(tǒng) 的 主 要 功 能 一