飛機系統(tǒng)的演變與發(fā)展(上)

飛機系統(tǒng)的演變與發(fā)展（上）對于一架飛機的評價，作為業(yè)余愛好者來說主要是看外表，往往對它的新奇外形設計感嘆不已。但是，對于專業(yè)人士，尤其是飛行員來說，他們關注的點很多，首先想到的是觀察這架飛機的座艙。在那里有很多值得了解的東西：飛機的操縱是否順手；儀表顯示是否已更新?lián)Q代，而且便于飛行員觀察；飛行控制和導航系統(tǒng)的自動化程度如何等等。這些統(tǒng)稱為飛機系統(tǒng)，它包括操縱系統(tǒng)、探測顯示系統(tǒng)、導航系統(tǒng)和通信系統(tǒng)，在軍用飛機上還有火力控制系統(tǒng)、電子對抗系統(tǒng)、飛行員防護和救生系統(tǒng)等。它們都是飛機必不可少的重要組成部分，最能反映一種飛機的技術水準。本文將對飛機系統(tǒng)的演變與發(fā)展分別作一介紹。操縱系統(tǒng)的演變有些老飛行員簡稱自己的工作是工桿兩舵”。別小看這工桿兩舵”，飛機能否上天、飛行操縱是否自如？就全靠它了。飛機發(fā)明后的半個多世紀內，駕駛飛機的典型操縱方法是這樣的：飛機的俯仰操縱（繞飛機橫軸的運動）是靠飛行員推、拉駕駛桿或駕駛盤，帶動升降舵偏轉來完成的；飛機的側向操縱（繞飛機縱軸的運動）是靠飛行員壓桿，帶動副翼偏轉（或打開擾流片）來完成的；飛機的方向操縱（繞飛機立軸的運動）是靠飛行員蹬腳蹬板，帶動方向舵偏轉來完成的。駕駛桿和腳蹬板與各操縱翼面之間，通過鋼索(軟式)、或連桿(硬式)，或二者兼用(混合式)來傳動的。被稱為空氣動力學之父的英國人喬治凱利(GeorgeCayley,1773-1857)，在他1809年設計的滑翔機上，已經(jīng)裝備了全動式升降舵。飛機發(fā)明的先驅者們，如英國的斯特林費洛(JohnStringfellow，1799-1883)、亨森(WilliamSamuelHenson，18121888)、德國的李林達爾(OttoLilienthal，1848-1896)、法國的阿方斯佩諾(AlphonsePenaud,1850-1880)和美國的萊特兄弟(WilburWright，1867-1912；OrvilleWright，1871-1948)，在他們設計的飛機上也都采用了全動式升降舵。直到飛機發(fā)明6年后的1909年8月29日，法國人萊昂勒瓦瓦瑟(LeonLevavasseur,1863-1922)在他設計的安托瓦內特IV型單翼飛機上，發(fā)明了現(xiàn)代飛機上使用的，由固定的水平安定面與活動的升降舵組成的水平尾翼和由固定的垂直安定面與活動的方向舵組成的垂直尾翼。這種飛機在世界上第一次飛到了155米的高度。1911年，勒瓦瓦瑟又設計了具有現(xiàn)代流線外形的新的安托瓦內特型飛機?？上У氖沁@位天才的設計師，晚年窮困潦倒，幾近乞丐。說到飛機上用于橫側操縱的副翼的發(fā)明，爭議較多。英國人博爾頓(M.P.W.Boulton)，在他1863年注冊的第392號專利中明確提出,“為了保證飛行器的安全飛行,需要設置可以實施側向(繞縱軸滾轉)操縱的葉片(翼面)”。這里實際上指的就是副翼，但因為當時還沒有成功的飛機，所以他的發(fā)明并沒有引起人們的注意。1891年至1896年，在李林達爾設計的滑翔機上，是靠移動飛行員身體的重心來實現(xiàn)橫側操縱的。1901年9月1日，威爾伯萊特在芝加哥發(fā)表的論文中，宣布了他們以機翼扭曲裝置實現(xiàn)飛機側向操縱的概念。1903年4月，出生于法國，而工作于美國的查紐特(OctaveChanute，1832-1910)，在巴黎的法國航空俱樂部集會上，首先介紹了萊特兄弟的這一概念。1905年，英國人科迪(S.F.Cody)在他設計的雙翼滑翔機下翼前緣的下方,裝了狹長的三角形翼片,用于側向和俯仰操縱。這實際上屬于升降副翼的概念。而法國人布萊里奧(LouisCharles-JosephBleriot，1872-1936)，在1901年設計的布萊里奧X1型飛機的原型機上，已裝有翼尖全動副翼。1909年7月25日，布萊里奧駕駛該機成功飛越英吉利海峽。1908年6月21日，美國人寇蒂斯(GlennHammondCurtiss，1878-1930)設計的“六月臭蟲”號飛機首次試飛，并于同年7月4日獲得美國首屆飛機飛行大賽的“科學美國人”獎杯。這種飛機的上、下翼裝有分離的三角形翼尖副翼。這種設施實際上是由美國的飛艇和跳傘先驅者鮑德溫(ThomasScottBaldwin，1860-1923)在他設計的“白翼”號飛機上首次采用的。1909年6月，寇蒂斯受科迪的啟發(fā)，在他設計的“金鳥”號飛機的雙翼之間安裝了獨立的“翼間副翼”。這架飛機當年在法國蘭斯首屆戈登貝內特飛行速度競賽中獲得冠軍，平均飛行速度為74公里/小時。萊特兄弟認為“翼間副翼”是他們的“機翼扭曲裝置”的變形，并向法院提出指控，并最終被法院判決勝訴。在中國航空博物館有一架由中國航空的先驅——馮如（1884-1912）于1911年制造的“馮如2號”飛機的復制品，在該機上還可以看到這種特殊形式的副翼。1909年，俄國發(fā)明家西烏科夫（Sivkov）在他的滑翔機上安裝了機翼后緣副翼。1912年，英國的阿弗羅504-K型教練機的原型機上，首次采用左、右協(xié)調動作的機翼后緣副翼?，F(xiàn)代的飛機普遍地使用這樣的副翼，配合方向舵進行橫側操縱。經(jīng)歷了不少爭執(zhí)之后，萊特兄弟終于在1915年設計的K型水上飛機上，以副翼取代了他們發(fā)明的翼尖扭曲裝置。有趣的是，1958年，在世界滑翔冠軍賽中獲勝的西德HKS-3型高性能滑翔機上，仍然是利用機翼扭曲技術來實現(xiàn)機翼增升和側向操縱的。20世紀70年代以來發(fā)展起來的任務適應機翼技術，利用機翼柔性蒙皮和變彎度機構，可以自動改變機翼的切面形狀。在這樣的機翼上，采用機翼扭曲技術可能是更為合理的設計。目前，美國國家航空航天局（NASA）就正在研究可以根據(jù)飛行狀態(tài)，改變外形的柔性機翼?？梢灶A見，智能結構和記憶合金材料的出現(xiàn)，完全可能使這項技術成為現(xiàn)實。在飛機發(fā)明的百年當中，飛機的操縱系統(tǒng)經(jīng)歷了兩次大的技術突破。第一次是實用陀螺儀的發(fā)明和應用。美國的埃爾默安布羅斯斯佩里(ElmerAmbroseSperry,1860-1930),從1896年開始研究實用的陀螺儀。1912年，他又協(xié)助飛機設計師寇蒂斯研制飛機上使用的自動穩(wěn)定器，并于第二年，在寇蒂斯設計的水上飛機上試飛驗證。1914年6月18日，埃爾默斯佩里的兒子勞倫斯伯斯特斯佩里(LawrenceBurstSperry，1892-1923)在法國巴黎的飛機安全飛行競賽上，駕駛裝有陀螺穩(wěn)定器的飛機進行了表演，證實了飛機可以依靠自動駕駛儀飛行(實際只是保持平飛，不是全飛行過程)。1918年，德國在對倫敦進行長距離夜間空襲時，使用的“哥達”式巨型轟炸機上，已經(jīng)裝有飛機姿態(tài)穩(wěn)定系統(tǒng)。埃爾默斯佩里后來又發(fā)明了陀螺羅盤、陀螺地平儀和側滑指示器等一系列飛行儀表，使飛行員可以在夜間和復雜氣象條件下，按儀表指示操縱飛機，對人類航空技術發(fā)展作出了突出的貢獻。1929年9月24日，美國陸軍中尉詹姆斯杜立特(JamesHaroldDoolittle，1896-1993)駕駛聯(lián)合NY-2型飛機，由飛行員本杰明凱爾西(BenjaminS.Kelsey)同乘，完成了世界上首次全過程暗艙儀表飛行(過去稱“盲目飛行”)。同一時期，英國的里德(Reid)和西格里斯特(FrederickSigrist，1880-1956，索普威思公司經(jīng)理）發(fā)明了指示飛機轉彎角速度的轉彎傾斜儀。陀螺是一個高速旋轉的剛體轉子，它具有保持自己的旋轉軸穩(wěn)定不變的特性——定軸性。利用這一特性，可以測定和保持飛機的飛行姿態(tài)。我國4000年前的仰韶文化遺址出土的文物中已經(jīng)有了石制的陀螺。2000多年前，漢朝長安巧匠丁緩發(fā)明了陀螺的平衡環(huán)（萬向支架）的原理。當時的裝置只是作為暖被子的用具（被中香爐）。公元1700年以后，陀螺傳入歐洲。1852年，法國天文學家傅科（JeanBernardLeonFoucault，1819-1868）為了說明地球的自轉現(xiàn)象，發(fā)明了原始的陀螺儀——傅科擺。它的原理是讓轉子（陀螺）通過軸承安裝在內外框架和基座上，使之可以實現(xiàn)有三個角運動自由度的旋轉?，F(xiàn)代的陀螺儀已經(jīng)從概念上產(chǎn)生了巨大的變化，甚至可以取消支承的框架和轉子，消除了一切機械摩擦，有著極高的精度。至今，陀螺仍是飛機自動控制系統(tǒng)和無人駕駛飛機控制系統(tǒng)中的核心部件。飛機操縱系統(tǒng)的第二次重大突破是電傳操縱系統(tǒng)的出現(xiàn)。電傳操縱系統(tǒng)真正使用于飛機，發(fā)生在20世紀70年代。在采用電傳操縱系統(tǒng)的飛機上，沒有了傳統(tǒng)的鋼索和連桿等機械傳動機構，飛行員完全通過電信號來操縱飛機。整個系統(tǒng)包括側桿、敏感元件、計算機、伺服機構和助力器等部件，并和人工增穩(wěn)、自動著陸和地形回避與跟隨系統(tǒng)等自動控制系統(tǒng)結合，組成一個全新的飛行控制系統(tǒng)。這樣的操縱系統(tǒng)與機械傳動系統(tǒng)比較，不僅有結構簡單、體積小、重量輕、易于安裝和便于維護等顯著的優(yōu)點，而且它是實現(xiàn)主動控制技術，如放寬靜穩(wěn)定度、陣風減緩和乘坐品質控制、直接力控制、機動載荷控制和結構振動控制等的基礎。實際上電傳操縱的發(fā)展歷史可以追溯到60年前。1943年，第二次世界大戰(zhàn)期間，美國在B-17E型轟炸機上安裝的C-1型自動駕駛儀，就是由陀螺測得飛機的滾轉、俯仰和方向等姿態(tài)變化參數(shù)，放大成電信號，再通過電纜輸入電磁閥門或伺服電動機，直接操縱升降舵、方向舵和副翼。這已經(jīng)是電傳操縱的雛形。1947年美國開始研制的“斗牛士”、“鯊蛇怪”等地地導彈，“波馬克”地空導彈和“惡徒”空地導彈上，都已采用了電傳控制系統(tǒng)，為研制乘人飛機上使用電傳操縱系統(tǒng)積累了寶貴的經(jīng)驗。從1961年至1972年，經(jīng)過了11年的技術攻關，終于在1972年4月29日，美國空軍的一架改裝的F-4型(*****號)戰(zhàn)斗機，首次進行了全電傳操縱系統(tǒng)的驗證飛行。由萊特兄弟開創(chuàng)的，借助機械傳動機構操縱飛機的飛行方式，在其70年之后，變成了飛行員通過電信號傳達對飛機的操縱指令。當時，人們對這種技術改革的新鮮感，不亞于1876年人們從亞歷山大格雷厄姆貝爾(AlexanderGrahamBell,1847-1922)發(fā)明的電話里，聽到電線傳來談話聲音時的驚奇。不過，此時人們對電傳操縱系統(tǒng)的可靠性還是心存疑慮的。1974年2月，通用動力F-16型戰(zhàn)斗機的原型機首次試飛，是世界上第一種采用電傳操縱系統(tǒng)的定型飛機。為了保險，在這種飛機上裝有4套備份操縱系統(tǒng)，也就是我們所說的四余度設計。和它同時研制的麥道和諾斯羅普公司的YF-18型戰(zhàn)斗機就沒有采用這樣的操縱系統(tǒng)。那時，有的飛機設計師還擔心，通過電信號操縱的飛機，會像機器人一樣，飛行動作不連貫。又過30年之后的今天，電傳操縱系統(tǒng)的優(yōu)越性已經(jīng)得到充分展現(xiàn)。20世紀70年代以后設計的第三、四代超音速戰(zhàn)斗機，都借助它，減輕了結構重量，提高了機動性能。90年代加入航線的民航客機，如美國的MD-90和波音777、歐洲空中客車的A330和A340等，也都采用數(shù)字式電傳操縱系統(tǒng)和放寬靜穩(wěn)定度技術，降低了配平阻力，提高了飛機的經(jīng)濟性。電傳操縱系統(tǒng)的應用，對飛機設計理念產(chǎn)生了深遠的影響。在飛機設計中，既然擺脫了為獲得固有安定性和相應的操縱性所必須遵循的戒律，設計師就可以發(fā)揮電傳操縱系統(tǒng)在改善飛機性能和飛行品質方面的潛力，并對飛機的氣動布局、結構和動力裝置進行統(tǒng)一調配。電傳操縱技術也為創(chuàng)造新的飛機運動方式和新的飛機氣動外形提供了可能性。1966年，英籍華人高錕(CharlesK.Kao)和英國人霍克漢姆(GeorgeA.Hockham)提出了利用玻璃纖維傳遞光信號的設想。同年，美國阿穆爾研究所的湯斯發(fā)明了光學纖維。1970年，美國康寧公司制造出第一條低損耗光導纖維。1976年，英國在哈德福郡敷設的光纜，可以同時提供1920條電話通路；用它傳輸整套《大英百科全書》只需2秒鐘。這種通信手段效率之高，令人難以置信。光纖通信技術的發(fā)展，促進了全球網(wǎng)絡時代的到來。如今，在飛機的先進電子設備中，纖維光纜正日益取代傳統(tǒng)的金屬電纜。電傳操縱系統(tǒng)有易受電磁波和核輻射干擾的缺點，在大量使用復合材料的飛機上，由于沒有金屬蒙皮的屏蔽作用，這一問題就顯得更加嚴重，而采用光纖技術就有利于解決這一問題。1975年，美國空軍在A-7D型飛機上試驗數(shù)字戰(zhàn)術飛行控制系統(tǒng)時，開始使用光纖作為數(shù)據(jù)傳輸線。光