飞机飞行控制系统

飞机系统原理大作业南昌航空大学题目：飞机飞行控制系统课程：飞机系统原理学院：飞行器工程学院学号：12063110姓名：孙洪望任课教师：钟若瑛2015年5月18日1飞机飞行控制系统孙洪望摘要：本文阐述了飞机操纵系统的方式、发展，系统组成和工作原理，重点论述了飞行控制系统的功能、工作特点等。关键词：飞行控制、阻尼、增稳系统、控制增稳系统、电传系统引言根据《有人驾驶飞机飞行控制系统通用规范》（GJB2191—94）第1.3条的规定，飞行控制系统（FCS）分为人工飞行控制系统（MFCS）和自动飞行控制系统（AFCS）两大类。机械飞行控制系统（国内习惯称为机械飞行操纵系统或飞行操纵系统）、电传飞行控制系统（即电飞行控制系统）皆属于人工飞行控制系统。人工飞行控制系统还包括稳定与增强系统（SACAS），即增稳系统（SAS），与控制增强系统（CAS），统称增强系统（AS），以及性能限制、飞机变几何形状控制等。[1]接下来我将针对飞行控制系统和飞行操纵系统做具体的论述。1.飞行操纵系统飞机飞行操纵系统是飞机上用来传递操纵指令，驱动舵面运动的所有部件和装置的总称，用于飞机飞行姿态、速度、轨迹的控制。飞行员操纵飞机的副翼、升降舵、方向舵和其它可动舵面，从而实现飞机的侧向、纵向、方向运动，并且无论在有人驾驶还是在自动驾驶的状态下，均可使飞机保持或改变飞行姿态。飞机操纵系统的方式一般分为机械式、液压式、电传式、光纤式。1.1飞行操纵系统的发展飞机操纵系统经历了由简单初级到复杂完善的发展过程。先后出现了机械式操纵、可逆、不可逆助力操纵和电传操纵，并在电传操纵基础上发展了主动控制技术。早期的人工飞行操纵系统，是一种简单机械传动的直接操纵系统。随着航空技术的发展，这种系统经历了两次大的变革：一是20世纪50年代初，演变为不可逆助力操纵系统；二是70年代，进而演进为飞机电传操纵系统。直接操纵系统由驾驶杆(或驾驶盘)、脚蹬及其与2操纵面连接的拉杆(或钢索)等组成。推、拉驾驶杆，带动升降舵，使飞机俯、仰；左、右压驾驶杆，带动副翼，使飞机向左、右侧滚转；蹬左、右脚蹬，带动方向舵，使飞机向左、右偏转。这种系统中，操纵面气动载荷通过拉杆直接逆传到驾驶杆和脚蹬上，行员可凭借操纵力的感觉实施操纵。在高速飞机和重型飞机上，普遍增设助力器，构成助力操纵系统。它开始为可逆的，即操纵面气动载荷的小部分逆传给飞行员，提供操纵感觉。飞机作跨音速飞行时，操纵面气动载荷分布发生急剧变化，难以使操纵力符合习惯要求，为此，在超音速飞机上都采用不可逆助力操纵系统，操纵面气动载荷全部传给助力器，不再与飞行员发生直接联系，操纵力由人工感觉模拟装置提供。随着飞行高度、速度进一步增大，飞机自身稳定性不足的问题日益突出，为此，50年代以后某些超音速飞机在其不可逆助力操纵系统中加装了增稳系统，构成增稳操纵系统。增稳操纵系统由运动传感器、放大器、舵机组成，与飞行员、助力器、操纵面、飞机构成一个闭环控制系统。飞行中，运动传感器将外界扰动转换成反馈电信号，驱动舵机、助力器、操纵面，进行增稳，以利于提高飞机跟踪和武器投射的精度。但它削弱了飞机操纵性，故到60年代又发展为控制增稳操纵系统，其主要特点是增设了由杆力传感器和指令模型组成的前馈通道。飞行员操纵时，除产生机械信号外，还发出电信号加入到系统。这个电信号与来自运动传感器起稳定作用的电信号的极性相反，因而较好地解决了稳定性与操纵性之间的矛盾，并可改善操纵性。电传操纵系统是在控制增稳操纵系统的基础上演变而来的，它用电子线路取代驾驶杆到助力器之间的机械元件，完全摆脱了机械信号；系统部件和数据总线采用余度技术。它具有重量轻，精度高，易与火控系统和推进系统交联，便于控制更多操纵面和为采用主动控制技术提供条件等优点，使飞机飞行品质和作战性能得到明显改善。80年代，电传操纵系统已普遍由模拟式转向数字式，抗电磁干扰能力强。利用光纤传递信号的光传操纵系统正在研制与试用。1.2飞行操纵系统组成和工作原理通常习惯把操作系统分为三部分，在驾驶舱内、由飞行员直接操纵的部分称为中央操纵机构，由此一直连到舵面的部分称为传动系统以及用于驱动舵面运动的驱动机构。中央操纵机构包括由手操纵并控制飞机的纵、横向运动的驾驶杆（或驾驶盘）和由脚操纵并控制飞机航向运动的脚蹬两部分。传动系统则主要由多组拉杆和摇臂（或钢索和滑轮）3按一定规律连接而成。驱动机构主要分为液压驱动和电动驱动。中央操纵机构手操纵机构——驾驶杆/驾驶盘/侧杆,控制副翼和升降舵脚操纵机构——脚蹬，控制方向舵（1）手操纵机构①驾驶杆前后推拉操纵升降舵；左右压杆操纵副翼。②驾驶盘式前后压驾驶盘操纵升降舵；左右转动驾驶盘可操纵副翼。③侧杆（电传）输入力信号，输出电信号，可以代替驾驶杆（或驾驶盘）。（2）脚操纵机构①平放式脚镫：脚镫只作平移而不转动。②立放式脚镫：通过传动杆和摇臂等构件的传动而使方向舵偏转的。传动机构①机械传动机构软式传动机构——主要由钢索、滑轮等构件所组成；硬式传动机构——主要由传动杆、摇臂等构件所组成；混合式传动机构——由软式、硬式传动机构混合组成。②电传操纵系统（Fly-By-Wire）电传操纵系统主要由驾驶杆或侧杆（含杆力传感器）、前置放大器、传感器、机载计算机和执行机构组成。驱动机构①液压驱动助力机械操纵系统——采用液压助力协助驾驶员克服舵面铰链力矩的操纵系统。包括：有回力助力机械操纵系统、无回力助力机械操纵系统。②电动驱动用电助力器代替液压助力器；控制方式由各种手柄改为各种电门；电动控制常用于各种辅助操纵系统，如水平安定面的配平操纵。图3中显示了飞机的三个假想的轴。通过使用飞行控制,飞机可以对一个或多个轴旋转。飞机的纵轴穿过中心线从鼻子到尾巴。飞机通过纵轴实现滚动。横轴横向穿过飞机从机翼的一端到另一端。通过横轴可以实现俯仰。竖轴从上到下穿过飞机经过驾驶舱到飞机副部。飞机通过这个轴实现偏航。[5]飞行员通过控制驾驶舱内的中央操纵4机构进而实现对飞机副翼、平尾和方向舵的控制，从而实现飞机的滚转、俯仰和偏航。当飞行员前后移动驾驶杆，力通过力臂自动调节器，助力器到达平尾，实现平尾的向下和向上偏转，使飞机实现低头和抬头操作。力臂自动调节器用来实现平尾大小转角的自动控制，利于飞行操作。助力器用于放大飞行员力的作用。载荷机构使飞行员能够感受杆力并且消除轻微扰动带来的杆的移动。当杆要长时间处于某一位置时，调整片效应机构用于平衡杆力，防止飞行员长期操作产生疲劳。飞行员左右移动驾驶杆，力通过载荷机构、非线性传动机构、助力器传到副翼，实现副翼的上下倾转，使飞机左右滚转。非线性传动机构，顾名思义，副翼倾转量与力的作用不呈线性变化，主要是为了防止轻微扰动造成的翼面大的变化。飞行员左右踩脚踏板，力通过非线性传动机构到达方向舵，实现舵面左右倾转，使飞机向左向右改变方向。为了追求经济性，一般在低速飞机的方向舵操纵机构上没有液压助力装置，有时会对方向舵做一定的调整，比如移轴调整或加调整片等。2.飞行控制系统国家军用标准是这样定义飞行控制系统（FlightControlSystem，FCS）的：“一种飞机系统，它包括驾驶员或其他信号源进行下述一项或多项控制所应用的飞机所有分系统和部件：飞机航迹、姿态、空速、空气外形、乘坐品质和结构模态等的控制。通常分为人工飞行控制（操纵）系统和自动飞行控制系统”根据飞行控制系统的功能和作用，基本的飞行自动控制系统包括阻尼器（damper）、增稳系统（stabilityaugmentationsystems，SAS）、控制增稳系统(controlaugmentationsystem，CAS)、自动驾驶仪(Autopilot)等。[2]2.1飞控系统结构飞行控制系统自动驾驶飞机的过程与驾驶员人工驾驶飞机的过程是相似。首先，需要敏感部件测量飞机的飞行状态，然后由综合计算装置根据预置指令进行比较计算，输出控制信号给执行机构来驱动操舵面，从而产生空气动力和力矩来控制飞机的飞行状态。典型的飞行控制系统一般由下列三个反馈回路构成，5即舵回路、稳定回路和控制回路。2.2飞控系统功能a.基本功能：实现飞机的自动飞行飞机的自动飞行控制就是利用一套专门的控制，在无人参与的条件下，自动操纵飞机按规定的姿态和航迹飞行：通常可实现对飞机的三轴姿态角及飞机三个方向空间位置的自动控制和稳定。例如，对于完全无人驾驶飞行器（如无人机和导弹等），其飞行可以实现完全自动控制：对有人驾驶的飞机（如民用客机或军用飞机），虽然有人参与驾驶，但在某些飞行阶段（如巡航等），驾驶员可以不直接参与操纵，而由飞行控制系统实现对飞机飞行的自动控制，但驾驶员应完成对自动飞行指令的设置和监督自动飞行的进行，并可以随时切断自动控制而实现人工驾驶。采用自动飞行的好处主要有以下几点。（1）长距离飞行时消除驾驶员的疲劳，减轻驾驶员的工作负担；（2）在一些坏天气或复杂的环境下，驾驶员难于精确控制飞机的姿态和航迹，自动飞行控制系统可以实现对飞机姿态和航迹精确控制；（3）有一些飞行操纵任务，驾驶员难于精确完成，如进场着陆，采用自动飞行控制则可以较好地完成这些任务。其具体的功能包括：姿态（俯仰和滚转）保持（改平）、航向保持、高度保持、空速保持、高度选择、航向选择、自动舰基着陆、自动仪表低速进场、自动导航、自动地形跟踪/回避、自动航向/交通（飞行）管理、自动模态导引，等等。直升机飞行控制系统还有其独特的功能，如垂直升降、自动悬停、自转、自动过渡飞行、自动载荷稳定和控制吊放声呐功能等。改善飞机的性能一般来说，飞机的性能和飞行品质是有飞机本身的气动特性和发动机特性决定的。但随着飞机飞行高度和速度的增加，机身的自身特性将会变坏。如飞机在高空飞行时，由于空气稀薄，飞机的阻尼特性变坏，致使飞机角运动产生严重的摆动，靠驾驶员人工操纵将会很困难。此外，设计飞机时，为了减小质量和阻力，提高有用升力，常将飞机设计成静不稳定的。对于这种静不稳定的飞机，驾驶员是难于操纵的。为了解决这类问题，可以在飞机上安装不同类型的飞行控制系统，使静不稳定的飞机变成静稳定的，使阻尼特性不好的飞机变成好的。这就是现代飞机上常用的增稳系统和阻尼器系统。这种系统也是一种控制系统，但它不是用来实现飞机的自动飞行控制，而是用来改善飞机的某些特性，实现所要求的飞行品质和飞行特性的。这种系统虽然不能实现飞行自动控制，但仍用于飞行控制，是飞机不可缺少的组成部分。[3]b.协助航迹控制；c.全自动航迹控制；d.监控和任务规划；e.飞行管理功能：为满足飞行器未来发展的要求，一确6定的航空飞行器的功能可分为明晰的两类：（1）载荷功能（paylodfunctions）;（2）飞行器管理功能（vehiclemanagementfunctions）；载荷功能（paylodfunctions）主要包括：监视；目标探测与跟踪；敌我识别；火力控制；任务通讯；传感器控制与融合；飞行器管理功能（vehiclemanagementfunctions）主要包括：飞行控制（包括飞行管理、阵风载荷减缓、操纵品质等）；推进控制；飞行路径控制；多功能和综合导航；大气数据；燃油系统；电源电气；环控系统；飞行器健康监控；2.3工作特点飞行控制系统复杂的系统原理和实现过程也决定了它举足轻重的地位。（1）地位重要“飞行器从发明开始，飞行控制就是最难的难题！”1901年维尔伯·赖特（WilburWright）在西方工程师协会上说：“人类已经知道如何制造机翼或飞机，当其在空气中以足够的速度进行驱动，不仅能支撑它们自身的重量，同时也能支持发动机和工程师的重量，人类也知道如何制造发动机和足够轻的螺旋桨以一定地速度驱动飞机···，无法平衡和驾驶飞机仍然是研究者们面对的飞行难题，一旦此问题得以解决，飞行机器时代就会到来，其它难题都显得微不足道。”[4]和飞机上的其他系统相比，飞行控制系统占据着举足轻重的地位。没有了飞行控制系统，飞机就是一个铁疙瘩。众所周知，不管是飞机的起飞、着陆、平飞、转弯等等在内的每一个动作，都是靠每个舵面的偏转来实现的，而舵面