第3章 飞行操纵系统

第3章飞行操纵系统,3.1飞行操纵系统概述,定义：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。,副翼,升降舵,方向舵,前缘襟翼缝翼,后缘襟翼,扰流板,水平安定面,起飞警告,失速警告,操纵系统,主操纵系统,辅助操纵系统,警告系统,组成,1.操纵系统主要功用,驾驶员通过操纵飞机的各舵面和调整片实现飞机绕纵轴、横轴和立轴旋转，以完成对飞机的飞行姿态控制。,纵轴,横轴,立轴,机体坐标轴,横滚-飞机绕纵轴的转动俯仰-飞机绕横轴的转动偏航-飞机绕立轴的转动,2.飞机的操纵性,一、飞机的操纵性:飞机的操纵性是指飞机在飞行员操纵的情况下，改变其飞行姿态的特性。飞机在空中的操纵是通过三个操纵面升降舵、方向舵和副翼来进行的。转动这三个操纵面，在气流的作用下，就会对飞机产生操纵力矩，使其绕横轴、立轴和纵轴转动，从而改变飞机的飞行姿态。,B737-300飞行操纵面,A320,A320飞机的飞行操纵面,3.飞机的增升装置,为了保证飞机能在低速飞行时，仍具有足够的升力，就有必要在机翼上装设增加升力的装置。并可以大大减小起飞和着陆速度，缩短滑跑距离。缝翼和襟翼都是增升装置。作用是增加机翼升力和减小失速速度，同时飞机的阻力也增大。主要使用在起飞、低速机动飞行和着陆过程中。,前缘缝翼,前缘缝翼:是一个小的翼面，总是装在机翼前缘。当前缘缝翼打开时，它就与机翼表面形成一道缝隙。可以提高“临界攻角”，避免大攻角下的失速。增大最大升力系数50%左右。,襟翼:襟翼的种类很多，较常用的有：简单襟翼、分裂式襟翼、开缝式襟翼、后退襟翼、克鲁格襟翼等。这些襟翼的共同特点是，它们都位于机翼后缘，靠近机身，在副翼的内侧，所以又称为后缘襟翼。襟翼放下时既可增大升力，同时也增大了阻力。所以多用于飞机着陆。前缘襟翼:安装在机翼前缘的襟翼称为前缘襟翼。克鲁格襟翼:是前缘襟翼的一种。它一般位于机翼根部的前缘。,可鲁格襟翼,克鲁格襟翼:是前缘襟翼的一种。它一般位于机翼根部的前缘,后缘襟翼,开裂式襟翼,后退式襟翼,后退式三开缝襟翼,后退式三开缝襟翼,前缘缝翼,4.飞行操纵系统分类,根据操纵信号来源不同，操纵系统可分为：人工飞行操纵系统，其操纵信号由驾驶员发出。主操纵系统：飞机的俯仰、滚转和偏航操纵系统；操纵升降舵、方向舵、副翼、三个主舵面，实现飞机的俯仰、偏航和滚转操纵；辅助操纵系统：增升、增阻操纵系统；人工配平系统等。操纵襟翼、副翼、扰流板、调整片等增升、增阻及水平安定面配平、方向舵配平等系统。自动飞行控制系统，其操纵信号由系统本身产生，对飞机实施自动和半自动控制，协助驾驶员工作或自动控制飞机对扰动的响应。(另章介绍)自动驾驶仪；飞行指引自动油门,（1）机械式操纵系统如：B737、B747、B757、B767,按照指令的执行方式来分：,（2）电传操纵系统如：A320、A330、A340、A380、B777,人工飞行操纵系统,人工飞行操纵系统通常包括主飞行操纵系统和辅助操纵系统两部分。4-A.主飞行操纵系统用来操纵升降舵、方向舵和副翼,分别实现飞机的俯仰、航向和滚转操纵。4-B.辅助飞行操纵系统用来操纵增升装置、配平装置、绕流板等,其主要目的是改善飞机的飞行性能、减轻驾驶员的操纵负荷。,4-A.主飞行操纵系统,主飞行操纵系统包括：中央操纵机构和传动机构两部分。在主飞行操纵系统中，飞行员手、脚直接操纵的部分，称为中央操纵机构。中央操纵机构由手操纵机构和脚操纵机构所组成。手操纵机构:驾驶杆式和驾驶盘式；控制副翼和升降舵脚操纵机构：脚蹬。控制方向舵将操纵机构的动作传到舵面的部分，叫做传动机构。传动机构是由传动杆、摇臂、钢索、滑轮等组成。软式传动机构钢索、滑轮等；硬式传动机构传动杆、摇臂等；混合式传动机构！,（1）中央操纵机构手操纵机构,驾驶杆式手操纵机构推拉驾驶杆操纵升降舵；左右压杆操纵副翼！横、纵向操纵的独立性驾驶杆要操纵升降舵和副翼，但两者不会互相干扰！,中央操纵机构手操纵机构,驾驶盘式手操纵机构推拉驾驶盘操纵升降舵；左右转动驾驶盘可操纵副翼！,（1-2）中央操纵机构脚操纵机构,脚操纵机构有脚镫平放式和脚镫立放式两种。平放式脚操纵机构:飞行员蹬脚镫时，脚镫只作平移而不转动（如图中双点划线所示），以便于飞行员操纵。,（1-2）中央操纵机构脚操纵机构,立放式脚操纵机构:蹬脚镫时，它是通过传动杆和摇臂等构件的传动而使方向舵偏转的。左右脚镫的动作是协调的，即一个脚镫向前时，另一个脚镫向后。,扰流板调整片前/后缘襟翼前缘缝翼水平安定面,辅助操纵系统,4-B.辅助操纵系统,襟翼,前缘缝翼,升起扰流板可使飞机的升力减小，阻力增加。扰流板的功能是：（1）飞行扰流板可以辅助副翼横滚操纵；（2）飞行扰流板对称升起，可使飞机空中减速；（3）飞机落地后，飞行和地面扰流板同时升起，可以增大飞机阻力使飞机减速，提高刹车效能。,扰流板是铰链在机翼上表面的一种可活动翼板。扰流板分为飞行扰流板和地面扰流板。,扰流板,扰流板的收放,A320,方向舵配平,水平安定面配平手轮,4-B.辅助操纵系统特点,飞机辅助操纵系统与主操纵系统不同，操纵时不给驾驶员提供操纵力和位移的感觉，但驾驶员必须知道辅助操纵面的位置，故需设位置指示器或指示灯。辅助操纵系统工作中的特点是：当操纵面被操纵到需要的位置后，不会在空气动力作用下返回原来位置。,B737-300操纵面,A320,A320操纵面,A320,5.基本飞行操纵原理,1)飞机的俯仰操纵2)飞机的滚转操纵3)飞机的航向操纵,1）飞机的俯仰操纵,飞机的纵向操纵是通过操纵驾驶杆或驾驶盘控制升降舵来实现的。以驾驶杆为例，飞行中驾驶员拉杆，机头上仰；向前推杆，机头下俯。基本原理是：当驾驶员向后拉杆时，经传动机构的传动，升降舵向上偏转相应的角度，在水平尾翼上产生一个向下的附加气动力，形成对飞机重心的抬头力矩，使飞机抬头，迎角增大。如果飞机原来是平飞状态，则开始进入爬升状态。同理，当驾驶员向前推杆，则飞机低头，迎角减小。,飞机的纵向操纵（俯仰操纵）,后拉杆，升降舵后缘上偏，产生上仰力矩，飞机抬头。前推杆，升降舵后缘下偏，产生下俯力矩，飞机低头。,2)飞机的滚转操纵,飞机的滚转操纵是通过操纵驾驶杆或驾驶盘控制副翼来实现的。在飞行中,向左压杆或逆时针方向旋转驾驶盘,飞机向左滚转;向右压杆或顺时针方向旋转驾驶盘,飞机向右滚转。基本原理是:当驾驶员向右压杆时,经传动机构的传动,右副翼向上偏转一个角度,于是在右机翼上产生了一个向下的附加气动力,使右机翼升力减小;同时,左副翼向下偏转一个角度,在左机翼上产生向上的附加气动力。左机翼产生的升力大于右机翼升力,对飞机重心形成一个向右的滚转力矩,使飞机向右滚转。同理,当向左压杆,飞机左副翼上偏,右副翼下偏/使飞机相左滚转。,飞机的侧向操纵（滚转操纵）,左压盘，左副翼上偏，右副翼下偏，产生左横滚力矩，飞机左滚转。右压盘，右副翼上偏，左副翼下偏，产生右横滚力矩，飞机右滚转。,3)飞机的航向操纵,飞机的航向操纵是通过脚蹬控制方向舵来实现的。飞行中,蹬右脚蹬,机头向右偏,飞机向右偏转航向;蹬左脚蹬,机头向左偏,飞机向左偏转航向。基本原理是:当驾驶员向前蹬右脚蹬时,方向舵向右偏转一个角度,在垂直尾翼上产生一个向左的附加气动力,对飞机重心形成一个使机头向右偏转的偏航力矩,飞机向右偏转航向。同理,当向前蹬左脚蹬时,则方向舵向左偏转,飞机向左偏转航向。,飞机的方向操纵（偏航操纵）,蹬左舵，方向舵左偏，产生左转力矩，飞机左转。蹬右舵，方向舵右偏，产生右转力矩，飞机右转。,3.2典型飞行操纵系统,3.2.1简单（无助力）机械操纵系统3.2.2助力机械操纵系统3.2.3电传操纵系统,3.2.1简单（无助力）机械操纵系统,简单机械操纵系统是一种人力操纵系统，由于其构造简单，工作可靠，使用了30余年，才出现助力操纵系统。简单机械操纵系统现在仍广泛应用于低速飞机和一些运输机上。,软式传动系统,简单机械操纵系统,硬式传动系统,3.2.2助力机械操纵系统,现代高速飞机和重型飞机的操纵广泛采用助力操纵系统。助力操纵系统是指从驾驶舱中央操纵机构到舵面的机械联动装置中,利用助力器进行功率放大,从而利用液压或电力来操纵舵面的人工飞行操纵系统。助力机械操纵系统的分类可逆助力机械操纵系统（回力）不可逆助力机械操纵系统（无回力）助力机械操纵系统的主要元件液压助力器载荷感觉器(无回力)调整片效应机构,助力操纵系统形式,一、有回力的助力操纵系统:通常是利用回力连杆把舵面传来的一部分载荷传给驾驶杆二、无回力的助力操纵系统:液压助力器的一端直接与通向舵面的传动机构相连，舵面传来的载荷全部由助力器承受。,三、液压助力器,A、构造,四、载荷感觉器,载荷感觉器功用：无回力的助力操纵系统中，使飞行员能从驾驶杆上感受到力；有回力的助力操纵系统中，在舵面铰链力矩较小时，使驾驶杆不致过“轻”。,3.2.3电传操纵系统,目前采用电传操纵系统的民航运输机有A319、A320、A321、A330、B777等。,1.电传操纵系统的组成,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，如图所示。,电传操纵系统的组成与工作原理四余度系统,前置放大,计算机,舵机,传感器,2.工作原理,驾驶员发出操纵指令经传感器转换为电信号，并与来自飞机运动参数传感器测得的信号一起，传输给计算机处理计算机按预定的控制规律生成舵面操纵信号控制操纵面作动器动作，舵面偏转，从而实现对飞机进行操纵。,工作原理：,电传操纵系统的设计使得新型飞机比传统的飞机成本低，飞行更安全，也更便于操纵。,四余度电传操纵系统,它实质上由四套完全相同的单通道电传操纵系统组合而成的。在每个传输信号的通道中增加了表决器、监视器电路。用于监视、判断四个输入信号中有无故障信号，并输出一个从中选择的正确信号。,四余度模拟式电传操作系统原理图,四余度模拟式电传操作系统原理,当四套系统都工作正常时,驾驶员操纵驾驶杆经杆力传感器A、B、C、D产生四个同样的电指令信号,分别输入到相应的综合器/补偿器、表决器/监控器中,通过四个表决器/监控器的作用,分别输出一个正确的信号加到相应的舵回路。综上所述，电传操纵系统可定义为：驾驶员的操纵指令信号，只通过导线传递给计算机，经计算产生输出指令，操纵舵面偏转，以实现对飞机的操纵。显然，它是一种人工操纵系统，其安全可靠性是由余度技术来保证的。,3、电传操纵系统优点/缺点,优点：减轻了操纵系统的重量，减少体积消除了机械操纵系统中的非线性因素以及飞机结构变形的影响简化了主操纵系统与自动驾驶仪的组合可采用小侧杆操纵机构缺点：电传操纵系统的成本较高系统易受雷击和电磁脉冲波干扰影响,4、A320电传操纵系统,A320,A320操纵面,A320操纵机构,A320,A320,A320,A320,A320,3.3B737300操纵系统,B737300采用液压助力式操纵系统。飞行操纵面包括：（1）俯仰操纵：两个升降舵、一个电动的水平安定面。（2）滚转操纵：两个液压驱动的副翼、四个飞行扰流板。（3）航向操纵：一个液压驱动的方向舵和偏航阻尼器。在起飞过程中，速度在40至60海里/小时之间方向舵开始有效。（4）后缘襟翼、前缘襟翼和缝翼：为起飞、进近和着陆提供增升力。（5）扰流板：在空中，对称使用飞行扰流板可起到减速板的作用。在地面，对称使用空中和地面扰流板可抵消升力并增加刹车效能。,一、俯仰操纵,俯仰操纵面包括液压传动的升降舵和一个电动安定面。向前或向后操纵驾驶杆即可控制升降舵。安定面由驾驶盘上的安定面配平电门、自动驾驶或人工配平控制。俯仰操纵如图。,俯仰操纵,飞机的俯仰操纵系统,升降舵,升降舵操纵沿飞机横轴的俯仰,由飞行员驾驶杆控制。钢索将飞行员的驾驶杆和由液压A系统和B系统供压的升降舵动力控制组件相连接。如液压A和B系统失效,可以前后操纵驾驶杆机械调整升降舵位置。,水平安定面配平系统,配平:平衡飞机的纵向力矩和驾驶杆的杆力。这是操纵飞机的基本要求。配平作用:就在于消除不平衡力矩和稳态时的杆力。水平安定面配平系统的功能是提供飞机纵向配平。俯仰配平操纵一般有三种方式：人工机械配平、主电动配平和自动驾驶配平。,人工飞行时,通过安定面主电动配平电路,每个驾驶盘上的安定面配平电门控制电动配平马达。自动驾驶接通时,安定面配平通过自动驾驶安定面配平电路完成。主电动配平和自动驾驶安定面配平有两种速度方式:襟翼放出时高速配平;襟翼收上时低速配平。如自动驾驶接通,接通任何对安定面配平电门自动驾驶都将自动脱开。进行安定面电动配平时,安定面配平轮会转动。,水平安定面的配平操纵,升降舵感觉系统,升降舵感觉计算机根据空速输入信号(来自升降舵空速管系统)和安定面位置提供模拟的空气动力。升降舵感觉和定中组件将感觉传输给驾驶杆。操纵感觉系统时,升降舵感觉计算机使用液压A或B系统的压力,并优先使用压力高的液压系统。当液压系统或升降舵感觉空速管系统失效时,升降舵感觉计算机可感觉到压差过大且感觉压差指示灯亮。,典型升降舵感觉定中机构,马赫配平系统,马赫配平系统提供高马赫数飞行时的速度稳定性。飞机以较高马赫数飞行时，出现气动力作用中心后移的跨音速效应，造成机头自动下沉现象。对B737300飞机，马赫数大于0.615时，随速度的增加，升降舵可根据安定面位置而调整，从而自动完成马赫配平。,速度配平系统,在总重小、重心靠后和大推力情况下，速度配平系统能够改进飞行性能。它监控安定面位置输入信号、推力手柄位置、空速和垂直速率，然后使用自动驾驶安定面配平驱动安定面。该系统在起飞和复飞时使用最多。,二、横滚操纵,横滚操纵面包括:液压驱动的副翼和飞行扰流板，可通过转动任一驾驶盘控制。副翼操纵沿飞机纵轴的横滚;飞行扰流板根据驾驶盘指令辅助横滚操纵。,典型副翼操纵系统,副翼,副翼操纵沿飞机纵轴的横滚，由飞行员驾驶盘控制。使用飞行操纵电门A和B可以控制液压关断活门，从而连通或隔离与副翼、升降舵以及方向舵相应的液压系统。机长驾驶盘由钢索通过副翼感觉和定中组件与副翼动力控制组件连接。即机长驾驶盘直接操纵副翼。副驾驶驾驶盘由钢索通过扰流板混合器与扰流板动力控制组件连接。副驾驶的驾驶盘直接操纵扰流板。两个驾驶盘由钢索驱动系统连接，可以用任意驾驶盘操纵副翼和扰流板。液压动力全部失效后，可转动驾驶盘机械操纵副翼。由于摩擦力和空气动力载荷的影响，操纵力要大些。,副翼转换机构,通过机长和副驾驶盘的操纵力可判别哪个系统(副翼或扰流板)可用,哪个驾驶盘(机长或副驾驶的)可提供横滚操纵。如副翼操纵系统卡阻,则可通过用力操纵副驾驶的驾驶盘操纵扰流板提供横滚操纵,此时副翼和机长的驾驶盘不工作。如扰流板系统卡阻,则可通过操纵机长驾驶盘操纵副翼提供横滚操纵,此时扰流板和副驾驶的驾驶盘不工作。,副翼感觉和定中机构,助力操纵驾驶员的感觉力来自于副翼感觉和定中机构。当驾驶员操纵副翼时，感觉和定中机构给驾驶员提供感觉力，当没有输入时，它将驾驶盘回位到中立位置。,副翼感觉和定中机构,当驾驶盘转动时，凸轮随扭力轴转动，推动滚轮离开凸轮近心点，这使弹簧拉伸，为驾驶员提供模拟感觉力。当驾驶员松开驾驶盘，弹簧力使滚轮回到凸轮的近心点，系统回到中立配平位。,副翼配平,副翼配平作动器改变副翼和驾驶盘的中立位置，以实现配平。必须同时按压两个副翼配平电门才能进行副翼配平。副翼配平通过电动改变副翼感觉和定中组件的位置,使驾驶盘转动并重新调置副翼的中立位置。副翼配平值显示在各驾驶杆顶部的刻度上。,在配平操纵期间，副翼配平作动器使支架移动，弹簧保持滚轮在凸轮的近心点，带动凸轮一起转动：这就给副翼助力器一个输入信号，从而移动副翼，产生滚转力矩，维持飞机的气动力平衡；同时带动驾驶盘偏转到新中立位，此时操纵力为零，驾驶员能够松杆飞行；驾驶盘顶部有副翼配平指示器。,扰流板,升起扰流板可使飞机的升力减小，阻力增加。,扰流板是铰链在机翼上表面的一种可活动翼板。,扰流板功能,扰流板分为飞行扰流板和地面扰流板。每个机翼上表面各有两块飞行扰流板。,扰流板的功能是：（1）飞行扰流板可以辅助副翼横滚操纵；（2）飞行扰流板对称升起，可使飞机空中减速；（3）飞机落地后，飞行和地面扰流板同时升起，可以增大飞机阻力使飞机减速；同时提高刹车效能。,地面扰流板操纵原理图,扰流板手柄位于中央控制台上。飞机着陆前扰流板手柄置于“预位”，发动机处于慢车推力，且右侧主轮接地后，所有扰流板自动全位升起；如果自动升起失效，驾驶员可将手柄强制扳止“升起”位。复飞时,油门杆前推,则所有扰流板自动放下。中断起飞时,则扰流板自动升起。,三、偏航操纵,偏航操纵由液压驱动的方向舵和偏航阻尼器系统完成。偏航操纵示意图如图。,偏航操纵示意图,蹬方向舵脚蹬可控制方向舵。,偏航阻尼器速率陀螺控制偏航阻尼器。,方向舵,飞行操纵电门A和B控制方向舵和备用方向舵液压关断活门。,每套方向舵脚蹬均由钢索通过方向舵感觉和定中组件与主方向舵和备用方向舵动力控制组件连接。,方向舵,液压A和B系统向主方向舵动力控制组件供压;,备用液压系统向备用方向舵动力控制组件供压。如液压A和/或B系统失去压力,备用液压系统可用作备份,通过飞行操纵电门人工控制或自动启用。,偏航阻尼器,偏航阻尼器系统可防止不必要的荷兰滚并协调转弯。,“荷兰滚”运动这种飘摆运动的飞行轨迹呈S形，同时又左右偏航左右滚转，很像荷兰人滑冰的动作，故称荷兰滚。,偏航阻尼器系统,偏航阻尼器接收来自偏航速率陀螺和大气数据计算机的输入信号,然后通过主方向舵动力控制组件将这些信号传送给方向舵。,偏航阻尼器仅使用液压B系统。如液压B系统失去压力,偏航阻尼器系统不工作。,四、辅助操纵系统,辅助操纵系统包括：扰流板前缘缝翼前缘襟翼后缘襟翼调整片水平安定面,前缘装置和后缘襟翼示意图,襟翼和缝翼功用,襟翼和缝翼都是增升装置,作用是增加机翼升力和减小失速速度，同时飞机的阻力也增大。主要使用在起飞、低速机动飞行和着陆过程中。起飞时使用的后缘襟翼偏角较小。主要作用是增加升力，减少飞机起飞滑跑距离。着陆时使用后缘襟翼偏度较大。主要作用是减小失速速度，从而减小飞机进场速度，缩短飞机着陆滑跑距离。,飞机襟翼操纵系统,襟翼位置指示,后缘襟翼指示器指针采用双指针形式，正常只能看见左指针，但襟翼发