飞机电传操纵系统

电传操纵系统概况

一、电传操纵系统的概念及发展概况

1、电传操纵系统的概念

电传操纵系统是将从驾驶员的操纵装置发出的信号转换成电信号，通过电缆直接传输到自主式舵机的一种系统。也就是说，电传操纵系统也是一个全时、全权限的“电信号系统+控制增稳”的飞行操纵系统。电传操纵系统是人工操作和自动控制在功能上和操纵方式上较好地融为一体。电传操纵系统主要依靠电信号传递驾驶员的操纵指令，所以这种系统不再含有机械操纵系统。带有机械备份的电传操纵系统成为准电传操纵系统。控制增稳系统是电传操纵系统不可分割的组成部分，只有具备控制增稳功能的电信号系统才能称为电传操纵系统。

2、电传操纵系统发展概况

20世纪前半期,采用闭环反馈原理的自动控制技术作为机械操纵系统的辅助手段,其主要作用是针对已设计好的飞机刚体动力学特性的缺陷进行补偿,实现精确的姿态和航迹控制,减轻驾驶员长期、紧张工作的负担。到了20世纪60年代,飞机的发展遇到了一些重大难题。例如:大型飞机挠性机体气动弹性模态问题,进一步提高战斗机机动性和战斗生存性问题等。这些问题仅靠气动力、结构和动力装置协调设计技术已经不能解决,或者要在性能、重量、复杂性和成本方面付出巨大代价才能得到某种折衷的解决方案。研制设计者将注意力转向采用闭环反馈原理的自动控制技术,通过对一系列单项技术和组合技术的研究、开发和验证,产生了两个具有划时代意义的新飞行控制概念:主动控制技术(ACT)和电传飞行控制(FBW)系统。这两项新技术的出现对飞机的发展产生了巨大的影响。

1.采用主动控制技术的电传操纵系统

采用主动控制技术的电传操纵系统,可使飞机的飞行控制、推力控制和火力控制的主要控制功能综合成为可能,从而极大地改善了飞机的性能。如采用主动控制技术的电传操纵系统后,放宽静稳定性(RSS)控制技术使B-52轰炸机平尾面积减少45%,结构总重量减少6.4%,航程增加了4.3%;使战斗机升阻比提高了8%~15%。机动载荷控制NILC)技术使C-5A运输机翼根弯曲力矩减少30%~50%;使F4E

战斗机盘旋角速度增加了33%。主动涡流控制(AVC)技术与方向舵协调使用时,使X29在低速大攻角飞行时的偏航速率增加50%。采用任务适应性机翼(MAW)比采用常规机翼可使飞机航程增加30%,机翼承载能力提高50%。

2.数字式电传操纵系统

数字式电传操纵系统具有高度的灵活性,容易实现多种逻辑运算和电子综合化,实施复杂控制律和修改控制律都很方便,尤其容易与自动驾驶仪、火力控制系统、导航和推力控制系统交连,从而使飞机的性能和攻击精度均发生质的变化。为保证飞机安全可靠性,在系统中常有备分系统,凡其工作原理与主系统是不相似的,则均可成为备分系统,如机械操纵系统、电气操纵系统和模拟式电传操纵系统。对于数字式电传操纵系统,目前不采用体大笨重的机械杆系作为备用系统,而常采用模拟式电传备用系统。如果主系统的安全可靠性相当高,则可以不采用备用系统。此外,再通过四余度或自监控的三余度系统,使电传操纵系统达到双故障安全等。

数字电传操纵系统和主动控制技术已广泛地应用于第三代军机和先进的民机。综合控制技术也成为第四代军机的典型标志之一,在F-22战斗机上,综合飞行/推力控制功能由列为飞行关键系统第一位的飞行器管理系统提供,飞行器管理系统的支柱就是三余度数字电传操纵系统。

随着电子技术的发展和飞机性能的不断提高,目前,电传操纵系统正在向自适应飞行控制系统的方向发展。美国早在20世纪60年代初就对自适应飞行控制系统作了试飞,此后还在不断进行研究和试验,但始终没有在生产型飞机上使用过,究其原因可能是性能还不够完善。但未来随着马赫数高达6~8的高超音速飞机的到来,以及为减小阻力和提高隐身特性的无尾飞机的出现,飞机的气动特性变化范围很大,用常规飞行控制方法很难胜任,必须采用自适应控制。新一代的自适应飞控系统由于计算工作量很大,将采用并行处理和神经网络技术,并将采用光纤来传输大量数据,而由电传飞行控制系统发展成光传飞行控制系统。

二、电传操纵系统的主要特点

1、电传操纵系统的主要优点

机械操纵系统的系统组合比较复杂,而电气组合比较简单。采用电气控制的电传操纵系统,很容易实现主操纵系统与其他系统的交连。

传统的飞机机械操纵系统一般都采用中央驾驶

杆,而电传操纵系统则可采用小侧杆操纵,这样既可减轻飞行员的工作负担,又可使飞行员观察仪表的视线不再受中央驾驶杆的影响,同时也消除了重力加速度对飞行员和驾驶杆输入量的影响。

电传操纵系统可有效地减轻操纵系统的重量。如战斗机可减轻58%,大型、高性能战略轰炸机可减轻84%,直升机上可减轻86%。

电传操纵系统可有效地减少操纵系统的体积。如战斗机可减少体积2400cm3,战略轰炸机可减少4.39m3。一般情况下,采用电传操纵系统后,可减少原机械操纵系统所占有空间的50%。

电传操纵系统可提高作战飞机的战伤生存力。电传操纵系统采用多余度设计后,可在机翼和机身内分散布置其总线。若以电气方式提供能源,即采用/动力电传0,可有效地提高战伤生存力。2、电传操纵系统的主要缺点

单通道电传操纵系统的可靠性不够高。由于单通道电传操纵系统中的电子元件质量和设计因素关系,所以单通道电传操纵系统的可靠性不够高。为了提高电传操纵系统的可靠性,现代军用和民用飞机均采用三余度或四余度电传操纵系统,并利用非相似余度技术设计备分系统,如四余度电传操纵加二余度模拟热备分系统。

电传操纵系统的成本较高。如果就单通道电传操纵系统而言,电传操纵系统的成本低于机械操纵系统。但电传操纵系统必须采用余度系统才能可靠工作,所以电传操纵系统的总体成本还是比较高的,需要进一步简化余度和降低各部件的成本。

电传操纵系统容易受雷击和电磁脉冲干扰影响。据不完全统计,平均雷击率为7×107/飞行小时。所以,电传操纵系统需要解决雷击和电磁脉冲干扰的危害。此外,由于现代飞机越来越多地采用复合材料,其使用率可达30%左右。这样系统中的电子元件失去金属蒙皮屏蔽的保护,故抗电磁干扰和抗核辐射的问题更为突出。

三、电传操纵系统举例

1、波音系列飞机：

波音737-NG系列（B737-600,700,800，900），波音777采用机械备份式的数字式电传操纵系统2、空客系列飞机：