飞机操纵系统设计与分析

1、飞机操纵系统设计与分析飞机操纵系统设计与分析 4.1 4.1 操纵系统的特性操纵系统的特性 飞机的操纵可以由飞行员进行，也可以用自动控制系飞机的操纵可以由飞行员进行，也可以用自动控制系统来实现。统来实现。操纵系统的特性操纵系统的特性驾驶员驾驶员-操纵系统操纵系统-飞机控制回路闭环系统：飞机控制回路闭环系统：操纵系统的特性操纵系统的特性 驾驶员作为控制回路的指令中心环节，用操纵机构消除飞行参数驾驶员作为控制回路的指令中心环节，用操纵机构消除飞行参数偏差量的系统原理图：偏差量的系统原理图：操纵系统的特性操纵系统的特性纵向运动纵向运动 在没有自动操纵系统的飞机上，要保证相应的纵向静稳定度，在没有自动

2、操纵系统的飞机上，要保证相应的纵向静稳定度，须有：须有： 纵向两种模态：纵向两种模态： 短周期运动短周期运动 长周期运动长周期运动 飞机纵向稳定性和操纵性主要取决于飞机的下列参数：飞机纵向稳定性和操纵性主要取决于飞机的下列参数： swLCmqC.mCLmCCaccgmCxxCL操纵系统的特性操纵系统的特性横向运动横向运动 横向的三种模态：横向的三种模态： 滚转运动滚转运动 螺旋运动螺旋运动 荷兰滚运动：其运动与偏航与滚转密切相关，主要取决于荷兰滚运动：其运动与偏航与滚转密切相关，主要取决于 导数：导数： lCnCnrC4.2 现代高速飞机稳定性和操纵性现代高速飞机稳定性和操纵性 特点及设计特点

3、及设计现代高速飞机稳定性和操纵性特点及设计现代高速飞机稳定性和操纵性特点及设计基本特点：基本特点：n高速飞机的普遍特点是，在超音速时，操纵机构的铰链力矩高速飞机的普遍特点是，在超音速时，操纵机构的铰链力矩 急剧增大，增量随速压的增长和超过临界急剧增大，增量随速压的增长和超过临界M数时操纵舵面压数时操纵舵面压 力的重新分布而增加，也随舵面尺寸的增大而增加。力的重新分布而增加，也随舵面尺寸的增大而增加。n超音速飞机最重要的特点是纵向静态过载稳定性与飞行状态超音速飞机最重要的特点是纵向静态过载稳定性与飞行状态 密切相关。密切相关。n由于飞机在跨音速区焦点急剧后移，因而造成跨音速的速度由于飞机在跨音速

4、区焦点急剧后移，因而造成跨音速的速度 不稳定，这种不稳定性在向超音速加速时表现为不稳定，这种不稳定性在向超音速加速时表现为“自动俯冲自动俯冲”， 在从超音速向亚音速减速时表现为在从超音速向亚音速减速时表现为“自发增加过载自发增加过载” ” 。现代高速飞机稳定性和操纵性特点及设计现代高速飞机稳定性和操纵性特点及设计n迎角达到迎角达到12121515时纵向静态过载稳定性丧失时纵向静态过载稳定性丧失。n所有的高速飞机的品质变差是飞机绕所有三个轴的固有振荡所有的高速飞机的品质变差是飞机绕所有三个轴的固有振荡 阻尼恶化。阻尼恶化。n对于所有飞机，纵向操纵舵面的偏转和相应的单位过载所需对于所有飞机，纵向操

5、纵舵面的偏转和相应的单位过载所需 操纵杆的位移，随飞行速度的增大而减小的量是固定的。操纵杆的位移，随飞行速度的增大而减小的量是固定的。 n横向静态稳定性实质上取决于飞行迎角和横向静态稳定性实质上取决于飞行迎角和M数。数。现代高速飞机稳定性和操纵性特点及设计现代高速飞机稳定性和操纵性特点及设计n 对所有超音速飞机，保证横向稳定性的困难很大。对所有超音速飞机，保证横向稳定性的困难很大。n高速飞机横向操纵性的特点之一是，在高速飞行时横向操纵高速飞机横向操纵性的特点之一是，在高速飞行时横向操纵 效率显著下降。效率显著下降。 现代高速飞机稳定性和操纵性特点及设计现代高速飞机稳定性和操纵性特点及设计 现代

6、高速飞机操纵系统的构成现代高速飞机操纵系统的构成4.3 飞机主动控制技术飞机主动控制技术 放宽静稳定性要求放宽静稳定性要求 放宽静稳定性要求及飞行边界控制是两项最基本的随控放宽静稳定性要求及飞行边界控制是两项最基本的随控 布局技术。布局技术。 旅客机可以采用移动重心法来解决超音速飞行时的配平旅客机可以采用移动重心法来解决超音速飞行时的配平 阻力过大的问题，但对于高机动性的歼击机来说就不适用了，阻力过大的问题，但对于高机动性的歼击机来说就不适用了， 只有在只有在“放宽静稳定性要求放宽静稳定性要求”实现之后才可解决这个问题。实现之后才可解决这个问题。飞机主动控制技术飞机主动控制技术 机动载荷控制机

7、动载荷控制 机动载荷控制的目的，对于大型（轰炸、运输）飞机和机动载荷控制的目的，对于大型（轰炸、运输）飞机和 小型（歼击）飞机是不同的。对于大型飞机是提高其巡航经小型（歼击）飞机是不同的。对于大型飞机是提高其巡航经 济性；对于小型飞机则是提高其机动性。济性；对于小型飞机则是提高其机动性。飞机主动控制技术飞机主动控制技术n大型飞机的机动载荷控制大型飞机的机动载荷控制 NB52飞机的机动载荷控制的控制面飞机主动控制技术飞机主动控制技术n歼击机的机动载荷控制歼击机的机动载荷控制 F4飞机使用机动载荷控制飞机主动控制技术飞机主动控制技术直接力操纵直接力操纵 直接力操纵就是在不改变飞机飞行姿态的条件下，

8、通过操直接力操纵就是在不改变飞机飞行姿态的条件下，通过操 纵一些操纵面直接提供附加升力或侧力，使飞机作垂直方向纵一些操纵面直接提供附加升力或侧力，使飞机作垂直方向 或侧向的平移运动来改变飞机的航迹，即所谓作或侧向的平移运动来改变飞机的航迹，即所谓作“非常规机非常规机 动动”飞行。飞行。飞机主动控制技术飞机主动控制技术n直接升力操纵直接升力操纵飞机主动控制技术飞机主动控制技术n直接侧力操纵直接侧力操纵4.4 电传操纵系统电传操纵系统 对电传操纵系统的分析设计，主要包括两个方面：对电传操纵系统的分析设计，主要包括两个方面： 一是控制律；二是可靠性一是控制律；二是可靠性。 电传操纵系统中可靠性与余度

9、技术电传操纵系统中可靠性与余度技术 所谓采用余度技术就是引入多重所谓采用余度技术就是引入多重(套套)系统来执行同一系统来执行同一 指令，完成同一项工作任务。同时满足下述三个条件的多指令，完成同一项工作任务。同时满足下述三个条件的多 重系统称为余度系统。重系统称为余度系统。n 对组成系统的各个部分具有故障监控、信号表决的能力。对组成系统的各个部分具有故障监控、信号表决的能力。n一旦系统或系统中某部分出现故障后，必须具有故障隔一旦系统或系统中某部分出现故障后，必须具有故障隔 离的能力。离的能力。电传操纵系统电传操纵系统n当系统中出现一个或数个故障时，它具有重新组织余下的当系统中出现一个或数个故障时

10、，它具有重新组织余下的完好部分，使系统具有故障安全或双故障安全的能力，即完好部分，使系统具有故障安全或双故障安全的能力，即在性能指标稍有降低的情况下，系统仍能继续承担任务。在性能指标稍有降低的情况下，系统仍能继续承担任务。 图示是四余度系统简图：图示是四余度系统简图：电传操纵系统电传操纵系统 电传操纵系统的组成电传操纵系统的组成 电传操纵系统可分为模拟式和数字式两种，数字式是发展方向。电传操纵系统可分为模拟式和数字式两种，数字式是发展方向。 四余度模拟式电传操纵系统原理图四余度模拟式电传操纵系统原理图电传操纵系统电传操纵系统uF16飞机是世界上第一架现役的电传操纵系统飞机。下图为飞机是世界上第

11、一架现役的电传操纵系统飞机。下图为F16A飞机的电传操纵系统原理图：飞机的电传操纵系统原理图：4.5 4.5 综合飞行控制系统综合飞行控制系统综合飞行火力控制系统综合飞行火力控制系统 综合飞行火力控制综合飞行火力控制(IFFC)技术是美国在技术是美国在20世纪世纪70年代年代 中期提出的一种新的航空技术。它以飞机主动控制技术为基础，中期提出的一种新的航空技术。它以飞机主动控制技术为基础，通过飞行火力耦合器将能解耦操纵的飞行控制系统通过飞行火力耦合器将能解耦操纵的飞行控制系统(FCS)和和 攻击瞄准系统综合成一个闭环武器自动投放系统。攻击瞄准系统综合成一个闭环武器自动投放系统。综合飞行控制系统综

12、合飞行控制系统n综合飞行综合飞行/火力控制系统基本组成及特点火力控制系统基本组成及特点IFFC具有以下特点：具有以下特点：u飞机采用主动控制技术，获得多自由度解耦控制功能，或者至少载机飞飞机采用主动控制技术，获得多自由度解耦控制功能，或者至少载机飞行控制能部分地行控制能部分地(或近似地或近似地)实现飞行状态和飞行姿态间的解耦控制。实现飞行状态和飞行姿态间的解耦控制。u飞行控制系统能在火力控制系统的耦合下，操纵飞机进行自动攻击。飞行控制系统能在火力控制系统的耦合下，操纵飞机进行自动攻击。u采用适合于自动机动攻击的火力控制系统。采用适合于自动机动攻击的火力控制系统。综合飞行控制系统综合飞行控制系统

13、n综合飞行火力控制对飞行控制系统的要求综合飞行火力控制对飞行控制系统的要求 AFTIF-16通过提高飞行品质和引入新的控制自由度来改进飞行通过提高飞行品质和引入新的控制自由度来改进飞行轨迹的控制。轨迹的控制。 综合飞行控制系统综合飞行控制系统综合飞行推进控制系统综合飞行推进控制系统 综合飞行推进控制综合飞行推进控制(IFPC)技术就是把飞机与推进技术就是把飞机与推进(包括包括 进气道、发动机和尾喷管进气道、发动机和尾喷管)系统综合考虑，在整个飞行包线系统综合考虑，在整个飞行包线 内最大限度地满足飞行任务的要求，以满足推力管理，提高内最大限度地满足飞行任务的要求，以满足推力管理，提高 燃油效率和

14、飞机的机动性，有效地处理飞机与推进系统之间燃油效率和飞机的机动性，有效地处理飞机与推进系统之间 耦合影响及减轻驾驶员负担等项要求，从而使系统达到整体耦合影响及减轻驾驶员负担等项要求，从而使系统达到整体 性能优化。性能优化。综合飞行控制系统综合飞行控制系统 下面以某型歼击机为例，说明带推力矢量综合飞行推进下面以某型歼击机为例，说明带推力矢量综合飞行推进 控制系统的组成和功能。某歼击机具有水平鸭翼的三翼面气动控制系统的组成和功能。某歼击机具有水平鸭翼的三翼面气动 布局；该机装有两台双轴涡轮喷气发动机；尾喷管安装具有反布局；该机装有两台双轴涡轮喷气发动机；尾喷管安装具有反 推力能力的俯仰偏航矢量喷管

15、。该机综合飞行推进控制推力能力的俯仰偏航矢量喷管。该机综合飞行推进控制 系统的方块图如下图所示：系统的方块图如下图所示： 综合飞行控制系统综合飞行控制系统 飞行管理系统飞行管理系统 飞行管理系统飞行管理系统(FMS-Flight Management System) 是是 一个协助飞行员完成从起飞到着陆各项任务的系统，可管理、监视一个协助飞行员完成从起飞到着陆各项任务的系统，可管理、监视 和 自 动 操 纵 飞 机 ， 实 现 全 航 程 的 自 动 飞 行 ， 是 当 代 民 航和 自 动 操 纵 飞 机 ， 实 现 全 航 程 的 自 动 飞 行 ， 是 当 代 民 航 先进飞机如波音公司的先进飞机如波音公司的757767、空中客车公司的、空中客车公司的A310、 A320等采用的一种新型机载设备。它集导航、制导、控制及等采用的一种新型机载设备。它集导航、制导、控制及 座舱显示于一体，将飞机的自动化水平推到了一个崭新的阶段。飞行座舱显示于一体，将飞机的自动化水平推到了一个崭新的阶段。飞行管 理 系 统 的 主 要 功 能 一