直升机电传飞行控制系统操纵装置发展分析
时间：2022-09-09 13:35:05 来源：千叶帆 本文已影响人
[摘 要]直升机飞行操纵系统和飞行控制系统是直升机上重要的两个系统，直升机由于其独特的飞行方式，导致它的操纵方式与固定翼飞机完全不同，直升机飞行控制系统是在飞行操纵系统的基础上通过加装辅助舵机，提高全机的稳定性和操纵性；直升机旋翼的特点决定了直升机具有强耦合，弱稳定的等特性，这也给飞行操纵及控制系统的设计提出了很高的要求。本文简单描述了直升机飞行操纵及控制系统的特点，以及两者之间的交联设计特点及其应用。
[关键词]直升机；电转飞行控制系统；操纵装置
中图分类号：G711 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2019）13-0097-01
直升机上通过机械传动链的方式，将飞行员的操纵指令传递到操纵面，从而实现飞行控制的目的的机构称为机械操纵系统，为了同引入直升机运动信息反馈的飞行控制系统相区别，此类无反馈的机械操纵系统称为常规飞行操纵系统。直升机电传飞行控制系统，是指利用电气信号形式，通过电缆实现飞行员对直升机运动轨迹和姿态操纵的飞行控制系统。从上述定义我们可以看出：电传飞行控制系统是由电缆替代机械杆系从而建立操纵信号链的一种特定的飞行控制系统。为了实现自飞行员到直升机操纵面（一般指旋翼系统）的操纵链，必须首先将飞行员的操纵量，纵向、横向、总距和脚蹬的操纵位移或力变换为电气指令信号，然后再在直升机操纵面前，将该电气指令转换成作动机构的机械位移，从而达到操纵直升机操纵面，控制直升机航迹和姿态的目的。电传飞行控制系统利用其电气信号易于综合、校正和转换的便捷性，实际上是应用反馈控制原理而使飞行器运动成为被控参量的电气飞行控制系统。电传飞行控制系统的应用的意义在于：它对直升机设计方法所产生的影响，以及给直升机飞行方式带来的改变。电传飞行控制系统的电气信号传递特点，为主动控制技术和操纵方式的改变提供了物质基础。
一、直升机飞行操纵系统结构及其特点
直升机在空中有六个自由度，即沿X、Y、Z三轴的移动和绕这三个轴的转动。稳定飞行时，直升机处于一种平衡状态，作用在它上面的力和力矩合力为零。若要改变直升机的飞行状态，必须对它进行操纵。所谓操纵就是改变作用在直升机上的力和力矩，即打破原来的平衡状态，建立新的平衡状态，直升机操纵具有以下特点：
1）对于直升机的6个运动自由度，只有4个直接的飞行操纵，（注：还有一个操纵是对发动机转速或功率控制），因而对各自由度的控制并非彼此独立。
2）直升机对操纵的响应，各轴间耦合严重（对扰动的响应也是如此），须由驾驶员或scAs的修正动作予以消除。
3）升降、俯仰、滚转操纵，皆经过旋翼挥舞这一环节，所以直升机响应滞后较大，而且挥舞惯性抑制了对于高频操纵输入的响应，起着过滤器的作用。驾驶员通过飞行操纵系统改变主旋翼和尾桨的桨距角，从而改变直升机的高度、速度和航向，以控制直升机的飞行。总桨距操纵杆能同时改变所有桨叶的桨距角，从而改变主旋翼的升力（FN）的大小。周期变距操纵杆能使主桨叶桨距角产生周期性的改变，来操纵旋翼桨盘的倾斜角，从而控制升力（FN）的方向。脚蹬的作用是改变尾桨的推力（TY）的大小来实现直升机的航向操纵。
二、国内研究与发展
先进的直升机电传飞行控制系统操纵装置能有效提升直升机的操纵品质。美欧对此进行了全面系统的研究，其中美国的研究和应用走在最前面，实现了主动操纵装置的型号应用。国内重点对电传飞行控制系统顶层设计技术、多模态轴间解耦控制律设计、舵机和飞控计算机等技术进行了研究，未对电传飞行控制系统操纵装置开展全面系统的研究和发展，因此积极推进该项技术研究就变得尤为必要和迫切。结合美国和欧洲操纵装置技术研究和发展特点，本文提出建议：
1） 研究操纵装置单座舱布置构型、参数与直升机操纵响应类型相互之间的关系
操纵装置单座舱布置构型应用较多的是 2 + 1+1 和（3 +1）总距，其中 2 +1 +1 中的 2（纵向和横向）可以是中央杆或侧杆，（3 + 1）总距构型中 3 一般为 3 轴侧杆。操纵装置参数主要包括位移、启动力、力梯度、自然频率、惯量和阻尼等。直升机的响应类型包括速度响应类型和姿态响应类型。对上述之间的关系进行充分的仿真和试验研究，积累相关经验和数据，制定技术规范，形成操纵装置参数、座舱布置构型定义能力。
2） 研究触感提示与直升机操纵限制相互之间的关系
操纵装置触感提示包括软限位、坡度力、制动、阻尼和抖动等。直升机操纵限制有扭矩功率限制、操纵过载限制、操纵范围限制和操纵速率限制等。需要研究哪一种类型触感提示匹配多大触感强度以最适用于某种操纵限制。合理有效的触感提示，一方面让飞行员能够得到充分有效的操纵限制提示以促进飞行员直升机状态感知能力，提高操纵安全和操纵品质；另一方面不得导致不适宜的杆操纵负担和潜在的诱发振荡。
3）积极开展新一代操纵装置软硬件开发
操纵装置涉及的飞行危险程度使得它们必须达到高的完整性、可靠性和安全性的等级。制造出可供型号使用的新一代操纵装置，如小位移唯一配平位置侧杆或中央杆，不论是被动式，还是主动式，都必须满足相关的军用和民用安全标准。为了达到安全标准，余度、交叉监控和故障失效管理是必需的，操纵装置必须集成多余度的计算、作动和传感器，同时也必须在合适的重量、尺寸和成本之内。因此需要积极开展新一代操纵装置软硬件研究，提高软硬件技术成熟度。由于操纵装置由大位移多配平位置向小位移唯一配平位置发展，是与电传飞行控制系统控制律的发展密不可分的，使用小位移唯一配平位置操纵装置时，电传飞行控制系统控制律必需采用全权限高速模型跟踪架构控制律，所以，应该实现新一代操纵装置与新一代电传飞控系统控制律一起协调发展。
结束语
随着直升机电传飞行控制系统技术的进步，操纵装置朝小型化、主动化的方向发展，极大扩展了飞行员操纵感知能力，降低了工作负荷，提高了操纵品质，也是新一代电传操纵系统的标志之一。我们国内直升机电传飞行控制系统的操纵装置技术水平与国际先进技术水平相比，差距是巨大的。我们应从被动式小位移唯一配平位置操纵装置入手，通过操纵装置的参数设计、飞行仿真模拟试验、演示验证试验、型号应用等的研究，突破新一代操纵装置座舱布置、参数定义、余度及故障管理技术，在飞控系统指令模型跟蹤控制律设计技术的支持下，逐步朝主动操纵装置方向发展。
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