航空電傳飛控構(gòu)造分析范文

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本文作者：嚴(yán)雅琳單位：上海飛機(jī)設(shè)計(jì)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(qiáng)安全性并降低駕駛員的工作負(fù)荷。這些收益是否能夠?qū)崿F(xiàn)很大程度上取決于如何實(shí)現(xiàn)電傳飛行控制。最簡(jiǎn)單的電傳控制系統(tǒng)是開(kāi)環(huán)的，沒(méi)有控制反饋回路。許多駕駛艙內(nèi)的加速腳蹬不是通過(guò)機(jī)械桿系，而是通過(guò)電線系統(tǒng)與發(fā)動(dòng)機(jī)相連。腳蹬被推到多遠(yuǎn)發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速就有多高。在這層次上，這是一個(gè)開(kāi)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(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速通過(guò)一個(gè)反饋電路調(diào)節(jié)以保持恒定的速度。許多飛機(jī)的電傳控制系統(tǒng)是開(kāi)環(huán)的———例如，Embraer飛鴻100/300上的電控剎車系統(tǒng)就是開(kāi)環(huán)的。同時(shí)，該系統(tǒng)還有一個(gè)防尾撬著地的功能，剎車腳蹬行程沒(méi)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(jī)上首個(gè)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(gè)系統(tǒng)的架構(gòu)是數(shù)字控制的，實(shí)際俯仰控制大部分是開(kāi)環(huán)的。Embraer在E-Jet俯仰軸的目標(biāo)是使常規(guī)的俯仰控制“數(shù)字化”。駕駛盤位移與飛機(jī)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(shí)，升降舵行程的控制回路才會(huì)閉合，以預(yù)防失速。飛鴻300上的電傳飛控?cái)_流板控制器與新型波音747-8是兩個(gè)在FBW控制系統(tǒng)上采用開(kāi)環(huán)回路的例子。

2遺產(chǎn)公務(wù)機(jī)上電傳飛控的實(shí)現(xiàn)

Embraer的控制律設(shè)計(jì)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(guò)使側(cè)桿脫離中位來(lái)超越這些軟限制，但釋放側(cè)桿會(huì)使飛機(jī)自動(dòng)地回到正常飛行包線內(nèi)。限制飛行包線不是通過(guò)預(yù)設(shè)的俯仰/滾轉(zhuǎn)限制實(shí)現(xiàn)，而是通過(guò)實(shí)際的結(jié)構(gòu)與控制性的限制實(shí)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(kāi)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(jī)不同，可以像在波音飛機(jī)上一樣向后推油門。

側(cè)桿將是在每個(gè)軸上安裝了固定力梯度的行程控制器。兩個(gè)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(hào)。如果輸入重復(fù)，提供目視，聲音與觸覺(jué)的告警信號(hào)。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(wú)論飛機(jī)的飛行狀態(tài)如何，使飛機(jī)對(duì)駕駛員的輸入做出正確的反應(yīng)。一個(gè)確定的側(cè)桿輸入通常會(huì)產(chǎn)生相同的飛機(jī)響應(yīng)。在常規(guī)控制的飛機(jī)上，偏轉(zhuǎn)升降舵僅僅改變了水平安定面的攻角，這就會(huì)改變飛機(jī)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(kāi)發(fā)者的挑戰(zhàn)是選擇一個(gè)模擬常規(guī)控制系統(tǒng)，同時(shí)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(lái)說(shuō)，Embraer的航跡角變化率控制類似于空客民用飛機(jī)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(jī)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(gè)速度范圍內(nèi)采用單一的俯仰控制律，飛行經(jīng)驗(yàn)顯示g指令系統(tǒng)可能在低速時(shí)過(guò)于敏感，這導(dǎo)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(gè)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(shí)如何工作將很有趣的。

常規(guī)的俯仰控制只移動(dòng)升降舵，這給了常規(guī)控制飛機(jī)速度穩(wěn)定性。在配平的狀態(tài)下，加大或減少推力將導(dǎo)致飛機(jī)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(jì)上不會(huì)展示速度穩(wěn)定性。是否需要速度穩(wěn)定性是一個(gè)存在爭(zhēng)議的問(wèn)題，不會(huì)顯示速度的穩(wěn)定性———空客沒(méi)有采用具有速度穩(wěn)定性的設(shè)計(jì)，而波音飛機(jī)在777上提供了表面的速度穩(wěn)定性。Embraer正在調(diào)查低速時(shí)增加配平控制速度設(shè)計(jì)的理念使遺產(chǎn)飛機(jī)達(dá)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(yàn)了該設(shè)計(jì)，這使人感覺(jué)遺產(chǎn)公務(wù)機(jī)更像是常規(guī)控制飛機(jī)。在常規(guī)的飛機(jī)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(diǎn)。在電傳飛行控制系統(tǒng)中，如果需要，這兩個(gè)軸可以解耦。并使側(cè)桿成為一個(gè)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(gè)滾轉(zhuǎn)角速度控制器。橫向側(cè)桿行程只會(huì)使飛機(jī)滾轉(zhuǎn)，在常規(guī)控制的飛機(jī)上不會(huì)產(chǎn)生不利的偏航。使側(cè)桿回到中位就會(huì)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(jī)保持一個(gè)設(shè)定的坡度傾斜角。777飛機(jī)的滾轉(zhuǎn)軸控制更像常規(guī)控制的飛機(jī)，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(guò)777與幾架空客飛機(jī)后，在離地高空飛行狀態(tài)，兩個(gè)飛機(jī)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(jì)出現(xiàn)，大型常規(guī)控制飛機(jī)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(jī)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(dǎo)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(jī)翼級(jí)的側(cè)滑。雖然駕駛員預(yù)計(jì)到會(huì)一些偏航導(dǎo)致的滾轉(zhuǎn)。一些偏航效應(yīng)導(dǎo)致的表面滾轉(zhuǎn)可以納入FBW控制系統(tǒng)。在發(fā)動(dòng)機(jī)失效過(guò)程中，很明顯需要一些偏航導(dǎo)致滾轉(zhuǎn)。使發(fā)動(dòng)機(jī)失效那側(cè)的機(jī)翼下沉是觸發(fā)緊急情況的一個(gè)好告警。空客飛機(jī)失效發(fā)動(dòng)機(jī)側(cè)的機(jī)翼下沉。Embraer仍然在精細(xì)調(diào)整它的橫向控制律，但發(fā)動(dòng)機(jī)失效可能導(dǎo)致輕微的機(jī)翼水平的轉(zhuǎn)動(dòng)（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(jìn)。設(shè)計(jì)及控制律的設(shè)計(jì)可以駕駛員不會(huì)超越許可的飛行包線，不會(huì)出現(xiàn)超速或過(guò)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(jī)可以不需要振桿器，因?yàn)轱w機(jī)不會(huì)被拉到一個(gè)危險(xiǎn)的攻角，g與攻角限制設(shè)計(jì)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(fēng)切變的恢復(fù)操縱性機(jī)動(dòng)的最佳性能。最后一點(diǎn)，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)失效的馴服反應(yīng)在非常嚴(yán)酷的條件下對(duì)駕駛員有利。

FBW控制方案還增強(qiáng)了飛機(jī)的性能。Embraer的FBW控制方案可以還為更輕飛機(jī)留下的余地，因?yàn)榘踩栽６瓤梢越档汀?duì)于偏航軸，情況也是如此，因?yàn)閭?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(jī)上沒(méi)有使用這一技術(shù)，許多大型飛機(jī)上的主動(dòng)載荷減緩系統(tǒng)可以進(jìn)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(jì)允許巡航速度接近VD/MD的最大設(shè)計(jì)速度。攻角保護(hù)功能提升了跑道的性能，因?yàn)轱w起飛與進(jìn)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(qiáng)乘客的乘坐舒適度，同時(shí)降低駕駛員的工作負(fù)荷，因?yàn)閯?dòng)力或構(gòu)型變化導(dǎo)致的飛機(jī)的瞬態(tài)運(yùn)動(dòng)會(huì)改變飛機(jī)的平衡，對(duì)于駕駛員與乘客來(lái)說(shuō)，這都是福音，因?yàn)槲闪鲗?dǎo)致的不受指令控制的運(yùn)動(dòng)可以很快被阻尼，不會(huì)降低飛機(jī)對(duì)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(gè)飛行包線的范圍內(nèi)為飛機(jī)提供對(duì)控制輸入的可預(yù)期響應(yīng)。

4結(jié)論

多年以來(lái)，Embraer已經(jīng)有計(jì)劃地逐漸獲得了FBW控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，開(kāi)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(duì)開(kāi)發(fā)FBW遺產(chǎn)450/500型號(hào)的更大的挑戰(zhàn)的基礎(chǔ)。根據(jù)在Embraer飛行控制開(kāi)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(jī)的首飛開(kāi)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(shí)飛行，Embraer為了電傳的遺產(chǎn)飛機(jī)取證還有很長(zhǎng)一段路要走。如果過(guò)去只是序曲的話，Embraer無(wú)疑可以交付飛行品質(zhì)優(yōu)異，有競(jìng)爭(zhēng)力的中型公務(wù)噴氣機(jī)。