第四章飞机操纵系统设计与分析 4.1操纵系统的特性 4.1操纵系统的特性 设计飞机操纵系统与设计飞机其它部件的主要区别与操纵系统 的特点有关。这就是说,操纵系统是将飞行员与操纵机构连在一起 的一种随动系统。因此,在设计这种系统时,在很大程度上必须考 虑“人”的因素。除此之外,为了使所设计的操纵系统能保证飞机 有良好的操纵性,不仅需要考虑这个系统所驱动的舵面的特性,它 的铰链力矩、惯性、重量、刚度等,而且还要考虑飞机本身的气动 特性、惯性和动态特性 飞机的操纵可以由飞行员进行,也可以用自动控制系统来实现。 将飞行员视为控制回路的一个组成部分,也可以简化地组成一个自 动调节系统,这个系统由彼此互相密切连在一起的飞行员、操纵系 统和飞机三个主要环节构成。飞行员作为操纵回路中的一个环节
4.1 操纵系统的特性 4.1 操纵系统的特性 设计飞机操纵系统与设计飞机其它部件的主要区别与操纵系统 的特点有关。这就是说，操纵系统是将飞行员与操纵机构连在一起 的一种随动系统。因此，在设计这种系统时，在很大程度上必须考 虑“人”的因素。除此之外，为了使所设计的操纵系统能保证飞机 有良好的操纵性，不仅需要考虑这个系统所驱动的舵面的特性，它 的铰链力矩、惯性、重量、刚度等，而且还要考虑飞机本身的气动 特性、惯性和动态特性。 飞机的操纵可以由飞行员进行，也可以用自动控制系统来实现。 将飞行员视为控制回路的一个组成部分，也可以简化地组成一个自 动调节系统，这个系统由彼此互相密切连在一起的飞行员、操纵系 统和飞机三个主要环节构成。飞行员作为操纵回路中的一个环节, 第四章 飞机操纵系统设计与分析
4.1操纵系统的特性 其本身可简化为由三个相互关联环节所组成的自动调节系统(图 41.1):敏感器官(感受机构一“传感器”),中心神经系统(完成 信息加工和选择决定的系统),以及执行机构(手臂、腿、背部肌 肉) E(E) 飞行7(),x( 揉纵系統 V7.2.o 传感器 指令脉冫 执行机构 F(E),x() 中枢神经系统 力反馈 位移反馈 图41.1(a)“驾驶员一操纵系统一飞机”控制回路闭环系统图;(b)驾驶员 作为控制回路的指令中心环节,用操纵机构消除飞行参数偏差量的系统原理图
4.1 操纵系统的特性 其本身可简化为由三个相互关联环节所组成的自动调节系统（图 4.1.1）：敏感器官（感受机构－“传感器”），中心神经系统（完成 信息加工和选择决定的系统），以及执行机构（手臂、腿、背部肌 肉）。 图4.1.1 （a）“驾驶员－操纵系统－飞机”控制回路闭环系统图；（b）驾驶员 作为控制回路的指令中心环节，用操纵机构消除飞行参数偏差量的系统原理图
4.1操纵系统的特性 飞机作为控制对象在空间有6个自由度,其运动由6个微分方程 (欧拉方程)所描述。在一般情况下,只要这些方程的解能确定任何 瞬间飞机在空间运动的特性,特别是飞行员对操纵机构操作之后的运 动特性,也就能判断这种运动的稳定性。但是,直接解这些方程是相 当困难的。如果在初始飞行状态就采取无侧滑的直线稳定飞行,并且 认为对初始运动参数值的偏离很小,那么由于飞机的对称性就可将含 有6个运动方程的方程组分为两个独立的方程组,这两个方程组以已 知的精度分别描述飞机在垂直平面内的运动(称为纵向运动)和其它两 个平面内的运动(称为侧向运动)。 在利用存在运动交联的方程求解飞机运动时,每一个运动(纵向 和侧向)均由有四个微分方程的方程组来描述。纵向运动方程组描述 两种振荡运动,该振荡运动是在飞机上外部干扰(气动干扰、操纵舵 面偏转、发动机推力变化等)停止作用之后产生的。这种振荡运动中
4.1 操纵系统的特性 飞机作为控制对象在空间有6个自由度，其运动由6个微分方程 （欧拉方程）所描述。在一般情况下，只要这些方程的解能确定任何 瞬间飞机在空间运动的特性，特别是飞行员对操纵机构操作之后的运 动特性，也就能判断这种运动的稳定性。但是，直接解这些方程是相 当困难的。如果在初始飞行状态就采取无侧滑的直线稳定飞行，并且 认为对初始运动参数值的偏离很小，那么由于飞机的对称性就可将含 有6个运动方程的方程组分为两个独立的方程组，这两个方程组以已 知的精度分别描述飞机在垂直平面内的运动(称为纵向运动)和其它两 个平面内的运动（称为侧向运动）。 在利用存在运动交联的方程求解飞机运动时，每一个运动（纵向 和侧向）均由有四个微分方程的方程组来描述。纵向运动方程组描述 两种振荡运动，该振荡运动是在飞机上外部干扰（气动干扰、操纵舵 面偏转、发动机推力变化等）停止作用之后产生的。这种振荡运动中
4.1操纵系统的特性 的一个进行得很快,周期不长(数量级为1~5秒),称为短周期运动; 另一个进行得较慢,并且周期较长(数量级为几十秒),称为长周期 运动。 求解侧向运动方程组得出,在现代飞机上,通常侧向运动是两个非 周期性运动和一个周期性振荡运动之和。 短周期纵向运动和侧向振荡运动在外干扰作用和舵面偏转之后所 生的运动特性是飞行员评价飞机稳定性和操纵性的标准 飞机纵向稳定性和操纵性主要取决于飞机的下列参数:W/S, 飞机的侧向振荡运动,其特点是与偏航和滚转运动密切相关,这种 运动的特点主要取决于导数C1B,CnB和Cny,以及惯性质量特性 r 2=4I /mb2, r 2=4I, /mb2FHIV/I
4.1 操纵系统的特性 的一个进行得很快，周期不长（数量级为1～5秒），称为短周期运动； 另一个进行得较慢，并且周期较长（数量级为几十秒），称为长周期 运动。 求解侧向运动方程组得出，在现代飞机上，通常侧向运动是两个非 周期性运动和一个周期性振荡运动之和。 短周期纵向运动和侧向振荡运动在外干扰作用和舵面偏转之后所产 生的运动特性是飞行员评价飞机稳定性和操纵性的标准。 飞机纵向稳定性和操纵性主要取决于飞机的下列参数：W/S, ry 2=Iy /mcA ,CLα，CmCL，Cmq，Cmα。 飞机的侧向振荡运动，其特点是与偏航和滚转运动密切相关，这种 运动的特点主要取决于导数Clβ，Cnβ和Cnγ，以及惯性质量特性 rx 2=4Ix/mb2,rz 2=4Iz/mb2和Ix/Iz
4.2现代高速飞机稳定性和操纵性的基本特 点与操纵系统设计 髙速飞机的普遍特点是,在超音速时,操纵机构的铰链力矩急剧 增大,增量随速压的增长和超过临界M数时操纵舵面压力的重新分布 而增加,也随舵面尺寸的增大而增加 超音速飞机最重要的特点是纵向静态过载稳定性与飞行状态密切 相关。 由于飞机在跨音速区焦点急剧后移,因而造成跨音速的速度不稳 定,这种不稳定性在向超音速加速时表现为“自动俯冲”,在从超音 速向亚音速减速时表现为“自发增加过载”(“过载急增” 迎角达到12°~15°时纵向静态过载稳定性丧失。 所有的高速飞机的品质变差是飞机绕所有三个轴的固有振荡阻尼 恶化 对于所有飞机,纵向操纵舵面的偏转和相应的单位过载所需操纵 杆的位移,随飞行速度的增大而减小的量是固定的
4.2 现代高速飞机稳定性和操纵性的基本特 点与操纵系统设计 ⚫ 高速飞机的普遍特点是，在超音速时，操纵机构的铰链力矩急剧 增大，增量随速压的增长和超过临界M数时操纵舵面压力的重新分布 而增加，也随舵面尺寸的增大而增加。 ⚫ 超音速飞机最重要的特点是纵向静态过载稳定性与飞行状态密切 相关。 ⚫ 由于飞机在跨音速区焦点急剧后移，因而造成跨音速的速度不稳 定，这种不稳定性在向超音速加速时表现为“自动俯冲” ，在从超音 速向亚音速减速时表现为“自发增加过载”（“过载急增”）。 ⚫ 迎角达到12°～15°时纵向静态过载稳定性丧失。 ⚫ 所有的高速飞机的品质变差是飞机绕所有三个轴的固有振荡阻尼 恶化。 ⚫ 对于所有飞机，纵向操纵舵面的偏转和相应的单位过载所需操纵 杆的位移，随飞行速度的增大而减小的量是固定的
4.2现代高速飞机稳定性和操纵性的基本特 点与操纵系统设计 横向静态稳定性实质上取决于飞行迎角和M数 对所有超音速飞机,保证侧向稳定性的困难很大(CnB>0) 髙速飞杋横向操纵性的特点之一是,在高速飞行时横向操纵效 率显著下降。 飞行参教「传感器 n♀ 中央处理机 第一液压系统 第二液压系统 第三液压系统 图421现代高速飞机操纵系统的构成 1-操纵杆;2-载荷机构;3-调整片效应机构;4机械传动; 5-复合摇臂;6-自动控制系统的多通道传动;7-多余度舵面传动 8-舵面;9-驾驶和舵的协调信号;10-指示仪表和信号
4.2 现代高速飞机稳定性和操纵性的基本特 点与操纵系统设计 ⚫ 横向静态稳定性实质上取决于飞行迎角和M数。 ⚫ 对所有超音速飞机，保证侧向稳定性的困难很大（Cn.β>0）。 ⚫ 高速飞机横向操纵性的特点之一是，在高速飞行时横向操纵效 率显著下降。 图4.2.1 现代高速飞机操纵系统的构成 1-操纵杆；2-载荷机构；3-调整片效应机构；4-机械传动； 5-复合摇臂；6-自动控制系统的多通道传动；7-多余度舵面传动； 8-舵面；9-驾驶和舵的协调信号；10-指示仪表和信号
4.3飞机主动控制技术 4.3.1引言 在70年代初,当模拟式四余度电传飞行操纵系统作为飞机主操纵系 统,代替不可逆的助力机械操纵系时,出现了一种用附加在电传(主)操 纵系统上的某些飞行控制系统来提高飞行品质的飞机,称之为随控布局 飞机(CCV)。 随控布局飞杋设计思想是根据控制的需要,在飞机上设置一些操纵 面,利用其偏转,或利用原有操纵面的偏转来改变飞机的气动力布局和 结构上的载荷分布,以减小飞机的阻力和减轻飞机结构的重量。 在随控布局技术的项目中,已经在飞机上应用的有:放宽静稳定性、 机动载荷控制和飞行边界控制等,已经进行飞行试验的有:直接力控制、 阵风减载、乘座品质控制和机动增强等;仍在研究中的有:颤振主动抑 制。除直接力控制外,其它各项均属于“主动控制技术(ACT)”。由此可 见,随控布局技术包含了主动控制技术,但其内容更广泛一些
4.3 飞机主动控制技术 4.3.1 引 言 在70年代初，当模拟式四余度电传飞行操纵系统作为飞机主操纵系 统，代替不可逆的助力机械操纵系时，出现了一种用附加在电传(主)操 纵系统上的某些飞行控制系统来提高飞行品质的飞机，称之为随控布局 飞机(CCV)。 随控布局飞机设计思想是根据控制的需要，在飞机上设置一些操纵 面，利用其偏转，或利用原有操纵面的偏转来改变飞机的气动力布局和 结构上的载荷分布，以减小飞机的阻力和减轻飞机结构的重量。 在随控布局技术的项目中，已经在飞机上应用的有：放宽静稳定性、 机动载荷控制和飞行边界控制等,已经进行飞行试验的有：直接力控制、 阵风减载、乘座品质控制和机动增强等；仍在研究中的有：颤振主动抑 制。除直接力控制外，其它各项均属于“主动控制技术(ACT)” 。由此可 见，随控布局技术包含了主动控制技术，但其内容更广泛一些
4.3飞机主动控制技术 432放宽静稳定性要求 放宽静稳定性要求及飞行边界控制是两项最基本的随控布局技术。 旅客机可以采用移动重心法来解决超音速飞行时的配平阻力过大的问 题,但对于高机动性的歼击机来说就不适用了。只有在“放宽静稳定 性要求”实现之后才可解决这个问题。 4.3.3机动载荷控制 机动载荷控制的目的,对于大型(轰炸、运输)飞机和小型(歼 击)飞机是不同的。对于大型飞机是提高其巡航经济性;对于小型飞 机则是提高其机动性
4.3 飞机主动控制技术 4.3.2 放宽静稳定性要求 放宽静稳定性要求及飞行边界控制是两项最基本的随控布局技术。 旅客机可以采用移动重心法来解决超音速飞行时的配平阻力过大的问 题，但对于高机动性的歼击机来说就不适用了。只有在“放宽静稳定 性要求”实现之后才可解决这个问题。 4.3.3机动载荷控制 机动载荷控制的目的，对于大型（轰炸、运输）飞机和小型（歼 击）飞机是不同的。对于大型飞机是提高其巡航经济性；对于小型飞 机则是提高其机动性
4.3飞机主动控制技术 高g动行 机动载衠控制 普通翼一体升力中心 机动载荷 操纵面 NB—52飞机的机动载荷控制的控制面 F-4飞机使用机动载荷控制
NB－52飞机的机动载荷控制的控制面 F－4飞机使用机动载荷控制 4.3 飞机主动控制技术
B-52 o wwairshowpics. com -photo: O T. Kieboom-Nellis AFB NV 25 Apri/ 1997
B-52