固定翼飞机

固定翼飞行原理、操纵方式及航电系统调研报告固定翼飞机简称定翼机，常简称为飞机，是指由动力装置产生前进的推力或拉力，由机身的固定机翼产生升力，在大气层内飞行的重于空气的航空器。它是固定翼航空器的一种，也是最常见的一种，另一种固定翼航空器是滑翔机。飞机按照其使用的发动机类型又可被分为喷气飞机和螺旋桨飞机。1.飞机结构尽管可以被设计用于很多种不同的目的，大多数的固定翼飞机还是有相同的主要结构，主要包含机身，机翼，尾翼，起落架和发动机。如图1所示。图1：飞机结构机身是飞机的主体结构，其中有飞机的控制装置。另外，机身可能也提供货舱和其他主要飞机部件的挂载点。机翼是连接到机身两边的翅膀，也是支持飞机飞行的主要升力表面。很多飞机制造商设计了多种不同的机翼样式，尺寸和外形。每一种都是为了满足特定的需要，这些需要由具体飞机的目标性能决定。飞机尾巴部分的正确名字叫尾翼。尾翼包括整个的尾巴部分，由固定翼面如垂直尾翼和水平尾翼组成。可活动的表面包括方向舵，升降舵，一个或者多个配平片(补翼)。如图2。另一种尾翼的设计不需要升降舵。相反，在中央的铰链点安装一片水平尾翼，铰链轴是水平的。这种类型的设计叫全动式水平尾翼，使用控制轮移动，就像使用升降舵一样。例如，当你向后拉控制轮时，水平尾翼转动，拖尾边缘向上运动。水平尾翼还有一个沿尾部边缘的防沉降片。如图3。图2：飞机尾翼图3：全动式水平尾翼起落架是飞机停放，滑行，起飞或者着陆时的主要支撑部分。大多数普通类型的起落架由轮子组成，但是飞机也可以装备浮筒以便在水上运作，或者用于雪上着陆的雪橇。发动机一般包括引擎和螺旋推进器。引擎的主要作用是为螺旋推进器提供转动的动力。它也产生电力，为一些仪表提供真空源，在大多数单引擎飞机上，引擎为飞行员和乘客提供热量的来源。引擎飞机引擎罩盖住，或者在某些飞机上，它被飞机引擎机舱包围。引擎罩或者引擎机舱的作用是使得引擎周围的空气流动变得流线型，用管子引导气缸的空气来帮助冷却引擎。安装在引擎前面的推进器把引擎的转动力量转化为称为反冲力的前向作用力，帮助飞机在空气中移动。2.飞行原理大自然中有许多会飞行的生物，这些生物的一个共同特点是它们都有一对翅膀。对飞机来说，它的翅膀就是机身两边的机翼。机翼是飞机产生升力的部件，机翼后缘有可操纵的活动面，靠外侧的叫做副翼，用于控制飞机的滚转运动，靠内侧的则是襟翼，用于增加起飞着陆阶段的升力。机翼内部通常安装油箱，机翼下面则可供挂载副油箱和武器等附加设备。有些飞机的发动机和起落架也被安装在机翼下方。根据伯努利定律，气体流速越快，产生的压力就越小。机翼被设计成上表面较下表面突起，结果从机翼侧面剖面来看机翼的上半部气流的流动路线就比下半部长，因此机翼上半部气流流动速度较下半部流动速度的快，上方气压较小。飞机在跑道上冲刺到一定速度后这气压压力差就产生足够升力让飞机起飞。如图4。图4：飞机升力产生原理3.操纵方式飞行控制在高速飞机上，飞行控制分为主要飞行控制(primaryflightcontrol)和辅助飞行控制（secondaryflightcontrol）。主要飞行控制是控制飞机沿俯仰，侧滚，和偏航3轴的运动。它们包含副翼，升降舵和方向舵。副翼控制纵轴方向的侧滚。副翼安装在每一个机翼的后缘外侧，且运动方向彼此相反。副翼通过线缆，双臂曲柄，滑轮或推挽式管互相链接，然后相连到控制轮。向右移动控制轮导致右侧副翼向上偏转，左侧副翼向下偏转。右侧副翼的向上偏转降低了机翼的拱形，使右侧机翼的升力降低。相应的左侧副翼的向下偏转增加了拱形幅度，使左侧机翼的升力增加。因此，左侧机翼的升力增加和右侧机翼的升力降低使飞机向右侧滚。副翼的作用是进行飞机的横滚控制。固定翼飞机当产生横滚时，会向横滚方向进行转弯，同时会掉一定的高度。升降舵控制沿横轴的俯仰运动。类似小飞机上的副翼，升降舵通过一系列机械连杆机构连接到座舱中的控制杆。控制杆的向后移动使升降舵面的后缘向上偏转。这一般指上升降舵。升降舵是改变飞机俯仰姿态的主要控制手段。上升降舵位置减弱了升降舵的拱形，产生了一个向下的空气动力，它比平直飞行时的正常尾部向下的力要大。总体效果是导致飞机的尾部向下移动，机头上仰。俯仰运动绕重心发生。俯仰运动的强度由重心和水平尾翼面的距离和水平尾部翼面上气动力有效性决定。向前移动控制杆有相反的效果。这种情况下，升降舵的拱形度增加，水平安定面或者安定面上产生的升力更多(尾部向下的力更小)。这就把尾部向上移动，使机头下俯。此外，俯仰运动还是绕飞机重心发生的。升降舵的作用是进行飞机的俯仰控制，拉杆时飞机抬头爬升，动能朝势能的转换会使速度降低，因此在控制时要监视空速，避免因为过分拉杆而导致失速。方向舵控制飞机沿垂直轴的运动。这个运动称为偏航。和其他主要控制面类似，方向舵也是一个铰链到固定面的可运动面，在这里它是铰链到垂直安定面上。左右方向舵踏板的运动控制方向舵。当方向舵偏转到气流中时，会在相反的方向上施加水平方向的力。了解了各舵的控制作用，我们开始讨论一下升降舵和油门的控制。固定翼飞机都有一个最低时速被称做失速速度，当低于这个速度的时候飞机将由于无法获得足够的升力而导致舵效失效，飞机失控。通过飞机的空速传感器我们可以实时获知飞机的当前空速，当空速降低时必须通过增加油门或推杆使飞机损失高度而换取空速的增加，当空速过高时减小油门或拉杆使飞机获得高度而换取空速的降低。因此固定翼飞机有两种不同的控制模式，根据实际情况的使用而供用户选择：第一种控制方式是，根据设定好的目标空速，当实际空速高于目标空速时，控制升降舵拉杆，反之推杆；那空速的高低影响了高度的高低，于是采用油门来控制飞机的高度，当飞行高度高于目标高度时，减小油门，反之增加油门。由此我们可以来分析，当飞机飞行时，如果低于目标高度，飞控控制油门增加，导致空速增加，再导致飞控控制拉杆，于是飞机上升；当飞机高度高于目标高度，飞控控制油门减小，导致空速减小，于是飞控再控制推杆，使高度降低。这种控制方式的好处是，飞机始终以空速为第一因素来进行控制，因此保证了飞行的安全，特别是当发动机熄火等异常情况发生时，使飞机能继续保持安全，直到高度降低到地面。这种方式的缺点在于对高度的控制是间接控制，因此高度控制可能会有一定的滞后或者波动。第二种控制方式是：设定好飞机平飞时的迎角，当飞行高度高于或低于目标高度时，在平飞迎角的基础上根据高度与目标高度的差设定一个经过PID控制器输出的限制幅度的爬升角，由飞机当前的俯仰角和爬升角的偏差来控制升降舵面，使飞机迅速达到这个爬升角，而尽快完成高度偏差的消除。但飞机的高度升高或降低后，必然造成空速的变化，因此采用油门来控制飞机的空速，即当空速低于目标空速后，在当前油门的基础上增加油门，当前空速低于目标空速后，在当前油门的基础上减小油门。这种控制方式的好处是能对高度的变化进行第一时间的反应，因此高度控制较好，缺点是当油门失效时，比如发动机熄火发生时，由于高度降低飞控将使飞机保持经过限幅的最大仰角，最终由于动力的缺乏导致失速。除了上述的主要飞行控制装置，辅助飞行控制装置也在飞机的稳定控制中起了重要的作用，主要有襟翼、前缘装置、扰流板和配平装置。襟翼是几乎所有飞机都使用的最常见高升力装置。对任何设定的迎角，这些安装在机翼后缘的控制面既增加了升力又增加了诱导阻力。襟翼容许在高巡航速度和低着陆速度之间折衷，因为它可以在需要的时候伸出，不需要的时候收起到机翼结构里。有四种常见类型的襟翼：简单襟翼，分裂襟翼，开缝襟翼和福勒(Fowler)襟翼。如图4-13简单襟翼是四种类型中最简单的。它增加翼面弯度，导致一定迎角时的升力系数明显增加。同时它也大大的增加了阻力，而且把机翼压力中心向后移动，导致机头下俯运动。分裂襟翼从机翼的下表面分离出来，它比简单襟翼产生的升力有稍微的增加。但是，也由于在机翼后产生了紊乱的气流模式，所以产生的阻力更多。当完全伸出时，简单襟翼和分裂襟翼都产生高阻力，而升力增加不多。现今飞机上最流行的襟翼是开缝襟翼。这种设计的变体既用于小型飞机也用于大型飞机。开缝襟翼比简单襟翼和分裂襟翼明显的增加升力系数。对于小型飞机，铰链位于襟翼的下表面下面，当襟翼放下时，它在机翼的襟翼槽和襟翼前缘之间形成一个导气槽。当开缝襟翼放下时，来自下表面的高能量空气被输送到襟翼的上表面。来自导气槽的高能量空气加速了上表面边界层流，延迟了气流分离，提供了更高的升力系数。因此，开缝襟翼产生的最大升力系数(Clmax)比简单襟翼和分裂襟翼要增加很多。然而有很多中类型的开缝襟翼，大飞机通常有双开缝襟翼，甚至是三开缝襟翼。这些襟翼使阻力有最大增加而不会出现襟翼上的气流分离损害产生的升力。福勒襟翼是开缝襟翼的一种类型。这个襟翼设计不仅改变了机翼的曲面弯度，它也增加了机翼的面积。福勒襟翼不是在铰链上向下旋转，而是沿导轨向后滑动。在伸长的第一部分中，它增加的阻力非常小，但是由于增加面积和弯度而增加了很多升力。随着继续伸长，襟翼向下偏转，在襟翼行程的最后一部分，它增加了阻力而额外增加的升力很少。油门舵的作用是控制飞机发动机的转速，加大油门量会使飞机增加动力，加速或爬升，反之则减速或降低。高升力装置也可以应用到翼型的前缘。最常规的类型是固定裂缝，可动缝翼，和前缘襟翼。固定裂缝把气流引导到机翼的上表面，延迟了大迎角时的气流分离。裂缝不增加机翼的弯度，但是让机翼获得更高的最大升力系数，因为在机翼到达一个更大的迎角之前失速被延迟了。可动缝翼由前缘拱形片组成，它在导轨上移动。在小迎角时，每一缝翼都被机翼前缘形成的高压保持在平齐的靠着机翼前缘。当迎角增加时，高压区域沿着机翼下表面向后移动，使得缝翼向前移动。然而，某些缝翼是由飞行员控制的，可以在任何迎角下伸出。打开缝翼会让机翼下方的空气流过机翼的上表面，延迟了气流分离。前缘襟翼类似后缘襟翼，用来既增加最大升力系数有增加机翼的曲面弯度。这种类型的前缘装置经常和后缘襟翼结合使用，可以降低由于后者引起的机头下俯运动(前面说过襟翼的应用会导致升力中心后移，导致机头下俯)。相比后缘襟翼来说，前缘襟翼的一点增量会让升力比阻力增加多的多。随襟翼伸出的面积越大，阻力的增加比升力增加要快的多。在一些飞机上，称为扰流板的高阻力装置被安装在机翼上，以扰乱平滑的气流，降低升力和增加阻力。一些飞机上扰流板用于侧滚控制，一个好处是消除了逆偏转。例如要右转弯，右侧机翼上的扰流板抬起，损失了一些升力，在右边产生了更多的阻力。右边的机翼就下降，飞机就向右倾斜和偏航。两侧机翼同时使用扰流板使飞机下降而速度不增加。扰流板也用于帮助缩短着陆后的地面滑跑距离。通过损失升力，它们把重量转移到轮子上，改善了减速效力。配平系统用来接替飞行员对控制面施加恒定压力的需要。配平系统通常有座舱控制和链接到一个或多个主飞行控制面后缘的小铰链装置组成。通过空气动力学地帮助飞行控制面运动和定位到它们所安装的位置，设计的配平系统能够使飞行员工作量降到最低。普通类型的配平系统包括配平调整片，平衡片，反作用伺服调整片，地面可调节调整片，和可调节稳定器。4.航电系统航空电子系统是一系列子系统的综合，其主要目标是帮助飞行员更有效、更安全地完成任务及使命。对民机而言，主要就是运送旅客到达目的地；对军机而言，则可能是拦截敌机、对地攻击、侦察或海上巡逻。根据功能及角色可分划分为五大板块：（1）人机接口：包括显示系统、通信系统、数据输入及控制、飞行控制系统。显示系统在飞行员与飞机系统之间提供视觉接口，一般由平显（HUD）、头盔显示器（HMD）及下显（HDD）组成。通信系统非常重要，需满足地面台站与飞机之间、飞机与飞机之间的双工通信需求及空中交通管制的需求。无线电发射机及接收机是历史上第一个机载航空电子系统。现代飞机的通信系统非常复杂且覆盖多个频段。长距通信使用高频（HF/短波）频段2-30MHz；民用中近距通信一般使用甚高频（VHF/超短波）频段30-100MHz，军用飞机一般使用超高频（UHF）频段250-400MHz。（VHF及UHF均属于视距传播系统）。现代飞机上也安装卫星通信系统可提供可靠的全球通信。数