航空電傳飛控構(gòu)造分析范文

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本文作者：嚴雅琳單位：上海飛機設(shè)計研究院25研究室

1基本的電傳飛行控制

電傳飛行控制的方案能提供很多收益，包括提高了性能與舒適度，增強安全性并降低駕駛員的工作負荷。這些收益是否能夠?qū)崿F(xiàn)很大程度上取決于如何實現(xiàn)電傳飛行控制。最簡單的電傳控制系統(tǒng)是開環(huán)的，沒有控制反饋回路。許多駕駛艙內(nèi)的加速腳蹬不是通過機械桿系，而是通過電線系統(tǒng)與發(fā)動機相連。腳蹬被推到多遠發(fā)動機的轉(zhuǎn)速就有多高。在這層次上，這是一個開環(huán)系統(tǒng)，速度是由駕駛員的腳蹬力控制的。采用巡航控制保持需要的速度使該回路閉合。發(fā)動機轉(zhuǎn)速通過一個反饋電路調(diào)節(jié)以保持恒定的速度。許多飛機的電傳控制系統(tǒng)是開環(huán)的———例如，Embraer飛鴻100/300上的電控剎車系統(tǒng)就是開環(huán)的。同時，該系統(tǒng)還有一個防尾撬著地的功能，剎車腳蹬行程沒有設(shè)定減速率———它只是確定了在剎車片上施加多大的壓力。Embraer在民用飛機上首個主要的FBW應(yīng)用是E-Jet的電傳飛控系統(tǒng)。俯仰軸（升降舵）與偏航軸（方向舵）的控制是數(shù)字的。在滾轉(zhuǎn)軸，擾流板是數(shù)字控制的，但副翼是常規(guī)控制的。雖然整個系統(tǒng)的架構(gòu)是數(shù)字控制的，實際俯仰控制大部分是開環(huán)的。Embraer在E-Jet俯仰軸的目標是使常規(guī)的俯仰控制“數(shù)字化”。駕駛盤位移與飛機的速度是“查找表”的主要輸入，該表確定了升降舵應(yīng)該偏轉(zhuǎn)多少行程。只有在攻角接近臨界水平時，升降舵行程的控制回路才會閉合，以預防失速。飛鴻300上的電傳飛控擾流板控制器與新型波音747-8是兩個在FBW控制系統(tǒng)上采用開環(huán)回路的例子。

2遺產(chǎn)公務(wù)機上電傳飛控的實現(xiàn)

Embraer的控制律設(shè)計理念是設(shè)定確定正常飛行包線邊界的“軟限制”，并確定限制飛行包線邊界的“硬限制”。正常飛行包線的控制律將俯仰姿態(tài)限制在+30°至-15°，將坡度傾斜角限制在33°，速度在最大操縱速度（VMO）與高出失速速度10%的最小速度（1.1VSTALL）的范圍之間。

可以通過使側(cè)桿脫離中位來超越這些軟限制，但釋放側(cè)桿會使飛機自動地回到正常飛行包線內(nèi)。限制飛行包線不是通過預設(shè)的俯仰/滾轉(zhuǎn)限制實現(xiàn)，而是通過實際的結(jié)構(gòu)與控制性的限制實現(xiàn)的。在不超出限制的情況下，任何俯仰與滾轉(zhuǎn)姿態(tài)的結(jié)合都是可以的。

Embraer將確定遺產(chǎn)450/500的特定控制律。在Embraer的飛行控制開發(fā)模擬器中飛行，并首次看到了Embraer努力的成果。Embraer已經(jīng)選擇駕駛艙側(cè)桿控制器，但與空客飛機不同，可以像在波音飛機上一樣向后推油門。

側(cè)桿將是在每個軸上安裝了固定力梯度的行程控制器。兩個側(cè)桿不是互連的，它們的輸入相加，并向飛行控制面發(fā)出指令信號。如果輸入重復，提供目視，聲音與觸覺的告警信號。偏航軸是由裝有彈簧的互連的兩套方向舵腳蹬系統(tǒng)控制。

閉環(huán)FBW控制系統(tǒng)追求的是無論飛機的飛行狀態(tài)如何，使飛機對駕駛員的輸入做出正確的反應(yīng)。一個確定的側(cè)桿輸入通常會產(chǎn)生相同的飛機響應(yīng)。在常規(guī)控制的飛機上，偏轉(zhuǎn)升降舵僅僅改變了水平安定面的攻角，這就會改變飛機的俯仰姿態(tài)。

俯仰姿態(tài)的改變多少取決于速度，姿態(tài)，總重與重心。飛行控制律開發(fā)者的挑戰(zhàn)是選擇一個模擬常規(guī)控制系統(tǒng)，同時仍然能夠提供正常的響應(yīng)的控制方案。在離地升空飛行的狀態(tài)下，而不是在起飛或著陸的構(gòu)型下，縱向控制桿行程控制航跡角（gamma）變化率(gammadot)。

從廣義上來說，Embraer的航跡角變化率控制類似于空客民用飛機在低速上使用俯仰速率（thetadot）控制。然而，在更高的速度，空客飛機的縱向（俯仰）控制轉(zhuǎn)由g指令系統(tǒng)完成。

雖然更傾向于在整個速度范圍內(nèi)采用單一的俯仰控制律，飛行經(jīng)驗顯示g指令系統(tǒng)可能在低速時過于敏感，這導致了采用g指令與thetadot的縱向控制相結(jié)合的方案。考慮到Embraer在整個速度范圍內(nèi)采用了單一的控制方案，看看gammadot指令系統(tǒng)在高速度時如何工作將很有趣的。

常規(guī)的俯仰控制只移動升降舵，這給了常規(guī)控制飛機速度穩(wěn)定性。在配平的狀態(tài)下，加大或減少推力將導致飛機在配平速度下爬升或下降。g指令或thetadot/gammadot之類的控制方案在設(shè)計上不會展示速度穩(wěn)定性。是否需要速度穩(wěn)定性是一個存在爭議的問題，不會顯示速度的穩(wěn)定性———空客沒有采用具有速度穩(wěn)定性的設(shè)計，而波音飛機在777上提供了表面的速度穩(wěn)定性。Embraer正在調(diào)查低速時增加配平控制速度設(shè)計的理念使遺產(chǎn)飛機達到表面上的速度穩(wěn)定性。我是在著陸構(gòu)型很短暫地體驗了該設(shè)計，這使人感覺遺產(chǎn)公務(wù)機更像是常規(guī)控制飛機。在常規(guī)的飛機上，橫向軸（滾轉(zhuǎn)-偏航）是互連的，任何經(jīng)歷了荷蘭滾的駕駛員都可以證明這一點。在電傳飛行控制系統(tǒng)中，如果需要，這兩個軸可以解耦。并使側(cè)桿成為一個滾轉(zhuǎn)角速度控制器。空客與Embraer都解耦滾轉(zhuǎn)與偏航軸。并使側(cè)桿成為一個滾轉(zhuǎn)角速度控制器。橫向側(cè)桿行程只會使飛機滾轉(zhuǎn)，在常規(guī)控制的飛機上不會產(chǎn)生不利的偏航。使側(cè)桿回到中位就會使?jié)L轉(zhuǎn)的角速度為零，根據(jù)制造商的特定限制方案，使飛機保持一個設(shè)定的坡度傾斜角。777飛機的滾轉(zhuǎn)軸控制更像常規(guī)控制的飛機，駕駛盤橫向行程控制副翼與滾轉(zhuǎn)擾流板的偏轉(zhuǎn)，而不是需要滾轉(zhuǎn)角速度。飛過777與幾架空客飛機后，在離地高空飛行狀態(tài)，兩個飛機的滾轉(zhuǎn)控制方案都工作得很好。偏航阻尼器與副翼-方向舵互連的設(shè)計出現(xiàn)，大型常規(guī)控制飛機上方向舵的使用多數(shù)被限制在飛行的起飛與著陸階段。在常規(guī)的飛機上，側(cè)滑通常產(chǎn)生了方向舵腳蹬輸入方向的滾轉(zhuǎn)，這被稱為偏航導致的滾轉(zhuǎn)。在FBW控制方案下，滾轉(zhuǎn)與偏航軸能夠被再次解耦；方向舵行程僅產(chǎn)生了機翼級的側(cè)滑。雖然駕駛員預計到會一些偏航導致的滾轉(zhuǎn)。一些偏航效應(yīng)導致的表面滾轉(zhuǎn)可以納入FBW控制系統(tǒng)。在發(fā)動機失效過程中，很明顯需要一些偏航導致滾轉(zhuǎn)。使發(fā)動機失效那側(cè)的機翼下沉是觸發(fā)緊急情況的一個好告警。空客飛機失效發(fā)動機側(cè)的機翼下沉。Embraer仍然在精細調(diào)整它的橫向控制律，但發(fā)動機失效可能導致輕微的機翼水平的轉(zhuǎn)動（外側(cè)滑）。

3電傳的收益

電傳控制方案可以提供許多收益，最大的收益就是安全性的改進。設(shè)計及控制律的設(shè)計可以駕駛員不會超越許可的飛行包線，不會出現(xiàn)超速或過載事件。Embraer的俯仰軸系統(tǒng)在更高的速度限制g載荷，在更低速的速度由攻角限制器控制俯仰。攻角限制器的功能使飛機可以不需要振桿器，因為飛機不會被拉到一個危險的攻角，g與攻角限制設(shè)計為駕駛員提供了在受控的飛行中撞入突起的地形以及從風切變的恢復操縱性機動的最佳性能。最后一點，對發(fā)動機失效的馴服反應(yīng)在非常嚴酷的條件下對駕駛員有利。

FBW控制方案還增強了飛機的性能。Embraer的FBW控制方案可以還為更輕飛機留下的余地，因為安全性裕度可以降低。對于偏航軸，情況也是如此，因為側(cè)滑可以降低垂尾的載荷，結(jié)構(gòu)重量可以更輕。雖然Embraer在遺產(chǎn)公務(wù)機上沒有使用這一技術(shù)，許多大型飛機上的主動載荷減緩系統(tǒng)可以進一步降低結(jié)構(gòu)重量。降低結(jié)構(gòu)重量意味著阻力更小。而超速限制設(shè)計允許巡航速度接近VD/MD的最大設(shè)計速度。攻角保護功能提升了跑道的性能，因為飛起飛與進近的速度能夠更加接近失速速度。

FBW飛行控制系統(tǒng)好能夠增強乘客的乘坐舒適度，同時降低駕駛員的工作負荷，因為動力或構(gòu)型變化導致的飛機的瞬態(tài)運動會改變飛機的平衡，對于駕駛員與乘客來說，這都是福音，因為紊流導致的不受指令控制的運動可以很快被阻尼，不會降低飛機對駕駛員控制輸入的響應(yīng)。最后飛行控制系統(tǒng)可以在整個飛行包線的范圍內(nèi)為飛機提供對控制輸入的可預期響應(yīng)。

4結(jié)論

多年以來，Embraer已經(jīng)有計劃地逐漸獲得了FBW控制系統(tǒng)的設(shè)計經(jīng)驗，開發(fā)E-Jet的電控剎車以及擾流板，方向舵與俯仰數(shù)字控制系統(tǒng)給了Embraer應(yīng)對開發(fā)FBW遺產(chǎn)450/500型號的更大的挑戰(zhàn)的基礎(chǔ)。根據(jù)在Embraer飛行控制開發(fā)模擬器中的短暫飛行，該模擬器似乎能處理龐大的工作，并且正在為遺產(chǎn)500原型機的首飛開發(fā)飛行控制系統(tǒng)。然而，很有前景的模擬結(jié)果并不總是代表Embraer的真實飛行，Embraer為了電傳的遺產(chǎn)飛機取證還有很長一段路要走。如果過去只是序曲的話，Embraer無疑可以交付飛行品質(zhì)優(yōu)異，有競爭力的中型公務(wù)噴氣機。