侧杆在民用飞机控制系统中的应用

侧杆在民用飞机控制系统中的应用
作者：于维倩
来源：《科教导刊·电子版》2016年第17期
摘要本文对侧杆控制器的发展及其在民用飞机控制系统中的应用进行了介绍，分析了侧杆与中央杆的比较和优缺点，并对空客飞机侧杆控制器的工作原理进行了研究。

关键词侧杆民用飞机控制系统
中图分类号：V227 文献标识码：A
1侧杆的发展和应用情况
飞机操纵装置按形式可分为驾驶盘（Yoke/Wheel）和操纵杆（Stick）两类，驾驶盘都安装在飞行员座位的正前方，如波音系列客机。

驾驶盘通过推拉前后位置控制升降舵，通过旋转角度控制副翼横滚机动，驾驶盘有利于飞行员合理使用手臂力量，但是助力系统的出现，使得力量对飞机操纵显得无关紧要。

操纵杆按安装位置的不同还可分为中央杆（Center Stick）和侧杆（Side Stick）两类。

莱特兄弟等一些航空先驱研制的早期飞机基本都采用侧杆操纵方式，由于早期飞机的结构过于简单，副翼没有复杂的机械连动装置，飞行员直接通过左右侧杆改变机翼翼形，控制飞机姿态。

到了二战末期，飞机操纵杆基本都使用安装在飞行员座位前两腿间位置的中央杆，但侧杆也曾应用在B-24轰炸机上，用于自动飞行模式下切入控制，帮助投弹瞄准员在近进目标时进行偏航控制。

在Tu-16喷气式轰炸机上，也安装有侧杆用于自动飞行切入控制。

20世纪五十年代，侧杆设计几经浮沉，由于要加入助力器，安装侧杆机械连接的空间非常紧张，所以侧杆一直作为辅助控制使用。

直到电传操纵技术基本成熟，侧杆才开始真正大规模地应用在飞机控制上。

20世纪八十年代，第一架使用侧杆作为主级控制的电传操纵飞机空客A320投入生产，其后系列产品都沿袭使用侧杆为主级操纵设备。

与此同时，波音公司生产的B-707至B-777产品都仍使用传统的驾驶盘作为主控制输入装置。

军用飞机方面，侧杆已经应用在F-16， F-22，F-35，法国阵风和Su-37等飞机上，但使用侧杆还是中央杆哪个更好，仍然没有定论。

2侧杆与中央杆的差异比较
侧杆由于不像中央杆安装在机体的对称轴线位置上，且只能单手操纵，需要飞机提供更大的助力，其机械传动装置设计更为复杂，以致直到电传操纵技术的出现，侧杆才开始大规模应用，因此侧杆继承了电传控制系统的优缺点。

电传控制系统与机械连接系统相比，可以省却机械传动设备，减轻机体重量，同时电传操纵中的电缆连接要比机械连接灵活得多，且能量的使用效率更高，由于是电信号的处理，可以很方便地引入飞行包线保护，而且电传控制系统中的设备趋于模块化，便于进行故障检测和更换维修。

比较操纵杆和驾驶盘，由于都使用了助力器，从操纵省力角度来看，二者的差别已经不大，但通常的被动式操纵杆会自动归零位，使用的是增量式输入，一般没有反馈舵面角位置信息，而驾驶盘与传动机械绞连，传动机械可以驱动驾驶盘反馈舵面的当前位置。

比较侧杆与中央杆在安装位置上的优点，侧杆的优点有：侧杆不会遮挡正面仪表；飞行员使用侧杆可以将手臂放在托台上，在高过载大机动条件下，可以减小对手臂关节的冲击；侧杆可提供更高的操作精度，在高过载大机动条件下，操作更省力，减小飞行员疲劳；没有中央杆，飞行员更容易快速拉动弹射拉栓；侧杆占用更小的驾驶舱空间；使用侧杆可以节省出飞行员正面的空间，安装其它操作设备，如键盘。

中央杆的优点：沿袭二战后飞机传统的操纵杆结构，结构设计可以参考很多以前机型，但使用电传操作系统后，一般都改为使用侧杆；中央杆与传动机械相连，可以直观反馈舵面位置；中央杆体积更大，可为战术功能按键提供更多的安装空间，而集成化的操纵杆使飞行员能快速按键选择进行攻击，在作战中至关重要；如果飞行员一只手受伤，另一只手仍可操纵飞机；在飞行员正前方两腿间抱着一个操纵杆，可以给飞行员提供一定的安全感。

以上所列出的侧杆与中央杆的优点，大部分都适用战斗机，而民航客机飞行一般不会进行大机动，也不涉及弹射和战术功能键的问题，民航客机操纵杆的选择应当更多地考虑操作的简单、方便和舒适等因素。

3空客的侧杆的结构和工作原理
A320的侧杆主要由手柄、机械连杆、弹簧、阻尼器、变送器，线圈和按键七部分组成，用于飞机俯仰轴和横滚轴的机动控制，侧杆上的两个按键一个用于操纵优先级切换，另一个为通话开关。

当驾驶员拉动侧杆手柄时，带动机械连杆克服弹簧和阻尼器阻力转动，使变送器输入杠产生角位移，其在变送器内部连接有电位计，根据电位计输出电压就可以确定输入杠的角位置，进而可以得到侧杆的输入杆量。

A320的正副驾驶操纵时，侧杆的杆量输出首先要送入飞控计算机处理后才发送指令到舵面执行，由于侧杆采用电气耦合且没有引入力反馈，正副驾驶侧杆在操纵中无法获得对方的杆量位置信息，在自动驾驶模式下，也无法获得自动驾驶仪的舵面控制量。

以下分几种情况，说明正副驾驶侧杆的逻辑关系。

3.1没有接通自动驾驶仪的条件下
（1）正副驾驶都没有按下优先级按键，这时正副驾驶两个侧杆杆量代数和作为总的杆量输出，但杆量的代数和的上界和下界都不超过一个侧杆的输出量，即对杆量输出作了限幅。

当正副驾驶同时操纵时，显示面板上的SIDE STICK PRIORITY下的CAPT和F/O绿色灯会闪亮。

（2）当正副驾驶其中一人按下了优先级按键，另外一人的侧杆输出则被隔离，同时与被隔离侧杆同侧的显示面板上的SIDE STICK PRIORITY下的红箭头灯会点亮，指示当前操纵优先级在另一侧。

如果被隔离的侧杆偏离了中心位置，这时与获得优先权的侧杆同侧的SIDE STICK PRIORITY下的绿色指示灯会点亮，直到被隔离的侧杆回到中心位置（距中心位置的距离小于阈值）才熄灭。

当优先级按键松开时，侧杆的隔离状态即被解除。

当正副驾驶同时按下优先级按键时，最后按下的一侧获得优先权。

当一侧侧杆获得优先级超过40秒，另一侧杆则被永久隔离，直至另一侧优先级按键按下，解除永久隔离。

3.2自动驾驶仪工作的条件下
（1）如果没有按下优先级按键，当侧杆偏离中心位置（距中心位置的距离大于阈值，这个阈值一般比较大，由阈值线圈决定），自动驾驶仪被自动切断。

同时系统会语音和提示灯告警，提示自动驾驶仪已被切断。

（2）如果正副驾驶其中一人按下优先级按键，自动驾驶也会被切断，同时系统会语音和提示灯告警，提示自动驾驶仪已被切断。

由图1的双侧杆的逻辑分析可知，在没有确定优先级的条件下，正副驾驶对侧杆的操纵都会对飞机舵面产生影响，一般情况下，不推荐正副驾驶同时操纵飞机。

另外，当由自动驾驶状态回到手动控制状态时，驾驶员无法从侧杆上了解当前飞机舵面的位置，切换时可能造成舵面角位置急剧变化。

因此，自动驾驶仪在切换时要在飞机平飞等平稳的运行状态下进行。

4总结
民机设计中被动侧杆由于缺乏反驱装置，无法实现左、右侧杆的联动，因此更容易出现叠加操纵。

所以，一方面应当从视觉、听觉、触觉全方位对叠加操纵进行提示，同时借鉴已有的接替操纵操作程序，以提高飞行员的适应性；另一方面，也需要基于自身特点，采取一些具有针对性的创新设计来加以完善，从而更加符合飞行员的操纵习惯，减少或避免人为差错的发生，提高飞行安全。

目前，世界上的先进系统制造商如Honeywell、BAE 等公司已提出了较为成熟的主动侧杆技术，甚至已经应用于部分取证机型，是未来民机操纵系统的发展方向。