萬(wàn)博士的航空講堂深入篇 [12]

十四、飛行控制系統(tǒng)

飛機(jī)在空中飛行的時(shí)間有時(shí)很長(zhǎng)（十幾個(gè)小時(shí)），且飛行姿態(tài)變化較小，使飛行員感到非常疲勞；另一方面，飛機(jī)一旦在空中突然遭遇氣流不穩(wěn)定的情況（例如陣風(fēng)或紊流），由于變化快，飛行員往往很難操縱飛機(jī)。因此，為了減輕飛行員的負(fù)擔(dān)、提高飛機(jī)的安全性、操縱性和穩(wěn)定性，就需要發(fā)展控制系統(tǒng)。

飛機(jī)的操縱可分為人工操縱和自動(dòng)控制兩類(lèi)。人工操縱是指駕駛員通過(guò)操縱裝置操縱氣動(dòng)舵面、發(fā)動(dòng)機(jī)油門(mén)桿或閥門(mén)開(kāi)關(guān)等方式控制飛行器的飛行。自動(dòng)控制是指通過(guò)飛行自動(dòng)控制系統(tǒng)，自動(dòng)完成對(duì)氣動(dòng)舵面和發(fā)動(dòng)機(jī)油門(mén)桿的操縱，駕駛員只進(jìn)行監(jiān)控和在必要的時(shí)候切換到人工操縱。

1.飛機(jī)的操縱系統(tǒng)

是將飛行員的操縱動(dòng)作指令傳達(dá)給氣動(dòng)舵面或其它操縱機(jī)構(gòu)的系統(tǒng)，經(jīng)歷了從機(jī)械操縱系統(tǒng)、液壓助力操縱系統(tǒng)到電傳操縱系統(tǒng)的發(fā)展過(guò)程。

（1）機(jī)械和液壓助力操縱系統(tǒng)

機(jī)械操縱系統(tǒng)隨著飛機(jī)的發(fā)明同時(shí)出現(xiàn)，由連桿、搖臂、支座、鋼索、滑輪等零部件組成（圖1）。機(jī)械操縱系統(tǒng)屬于飛機(jī)的結(jié)構(gòu)部分，一般不將其列入機(jī)載設(shè)備，目前仍舊在一些輕小型飛機(jī)和直升機(jī)上使用。

隨著飛機(jī)飛行速度的提高，氣動(dòng)舵面的載荷越來(lái)越大，以至于僅憑飛行員個(gè)人的力量不能完成必要的操縱動(dòng)作。為了克服這一問(wèn)題，發(fā)展了液壓助力操縱系統(tǒng)（圖2）。這樣，飛行員只需將操縱桿的位移量傳輸給液壓系統(tǒng)，由它去承擔(dān)驅(qū)動(dòng)氣動(dòng)舵面的較大的操縱力，自己只需用很小的力就可移動(dòng)操縱桿和腳蹬。

（2）電傳操縱系統(tǒng)

機(jī)械操縱系統(tǒng)存在間隙、摩擦和變形等缺點(diǎn)，液壓助力操縱系統(tǒng)則重量和尺寸都較大。為了改善飛機(jī)的操縱品質(zhì)和減小操縱系統(tǒng)的重量和尺寸，又發(fā)展了電傳操縱系統(tǒng)。

電傳操縱系統(tǒng)將飛行員的操縱動(dòng)作通過(guò)操縱桿轉(zhuǎn)變?yōu)殡娭噶钚盘?hào)，由電纜傳輸?shù)叫盘?hào)處理系統(tǒng)處理后，控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)和助力器（如液壓舵機(jī)、電動(dòng)舵機(jī)）輸出力和位移，操縱氣動(dòng)舵面來(lái)駕駛飛機(jī)。由于是用電纜代替操縱系統(tǒng)的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)和液壓助力操縱系統(tǒng)的液壓管路傳遞操縱信號(hào)，因而得名電傳操縱系統(tǒng)。

電傳操縱系統(tǒng)主要由電子器件構(gòu)成，屬于機(jī)載設(shè)備范疇。電傳操縱系統(tǒng)包括駕駛桿、桿力傳感器（或桿位移傳感器）、信號(hào)放大器、信號(hào)綜合處理和余度管理計(jì)算機(jī)、飛行參數(shù)傳感器（如高度、速度傳感器等）、執(zhí)行機(jī)構(gòu)與助力器等部件（圖3）。

由于操縱指令要通過(guò)許多元器件，因此相對(duì)機(jī)械操縱系統(tǒng)而言，電傳操縱系統(tǒng)故障概率要高一些。為了提高可靠性，目前主要采用余度技術(shù)。所謂余度技術(shù)，是指在同一架航空器上并行著三套（或四套）相同（或相似）的電傳操縱裝置，通過(guò)計(jì)算機(jī)軟件把它們組合在一起，形成幾個(gè)操縱通道。幾套裝置同時(shí)工作、互相監(jiān)測(cè)，發(fā)現(xiàn)故障自動(dòng)并隔離有故障的通道，其余通道則繼續(xù)正常工作，保持原有的操縱性能，從而提高了系統(tǒng)的可靠性。

2.飛機(jī)的自動(dòng)控制系統(tǒng)

電傳操縱系統(tǒng)的出現(xiàn)，使得發(fā)展自動(dòng)駕駛儀成為可能。自動(dòng)駕駛儀不僅可以代替駕駛員操縱飛機(jī)，還可以對(duì)飛機(jī)進(jìn)行增穩(wěn)、提高其飛行性能和避免危險(xiǎn)飛行等。自動(dòng)駕駛系統(tǒng)是現(xiàn)代飛行器的主要機(jī)載設(shè)備。軍用殲擊機(jī)、轟炸機(jī)，民用客機(jī)、運(yùn)輸機(jī)，航天飛機(jī)、飛船等均采用了自動(dòng)駕駛系統(tǒng)，代替駕駛員完成一定的飛行任務(wù)。而無(wú)人駕駛飛機(jī)則完全由自動(dòng)駕駛系統(tǒng)根據(jù)預(yù)先給定的程序飛行。自動(dòng)駕駛系統(tǒng)能夠幫助飛行員完成預(yù)定的航線飛行；完成復(fù)雜氣象條件下的自動(dòng)起飛、著陸；還可在其它導(dǎo)航系統(tǒng)的協(xié)助下，完成如地形跟蹤等難度較大的特殊飛行任務(wù)。

為了介紹自動(dòng)駕駛儀的工作原理，下面以飛機(jī)的等速直線飛行為例，說(shuō)明飛行員操縱飛機(jī)俯仰運(yùn)動(dòng)的過(guò)程。所圖4所示，飛行員通過(guò)眼睛觀察地平儀或座艙外景物來(lái)判斷飛機(jī)俯仰姿態(tài)的變化。如果飛機(jī)偏離水平狀態(tài)，飛行員用手操縱駕駛桿，由傳動(dòng)系統(tǒng)將駕駛桿的運(yùn)動(dòng)傳遞到升降舵；升降舵的偏轉(zhuǎn)引起飛機(jī)俯仰力矩變化，使其恢復(fù)到水平狀態(tài)。在這個(gè)過(guò)程中，飛行員要根據(jù)姿態(tài)角的變化不斷改變駕駛桿量，調(diào)整升降舵，使飛機(jī)保持水平飛行狀態(tài)。

采用自動(dòng)駕駛儀代替飛行員時(shí)，它會(huì)模仿飛行員的駕駛過(guò)程，用測(cè)量姿態(tài)角的敏感元件代替飛行員的眼睛，判斷飛機(jī)偏離給定姿態(tài)角的情況，然后傳輸給綜合放大裝置（代替飛行員的大腦）進(jìn)行運(yùn)算處理，并結(jié)合飛機(jī)當(dāng)時(shí)的其它飛行參數(shù)（速度、高度等）給出合理的操縱指令，并傳達(dá)給執(zhí)行裝置（用以代替飛行員的手和腳）直接操縱舵面，使飛機(jī)回到給定的飛行姿態(tài)。

自動(dòng)駕駛儀主要包括敏感元件、綜合放大裝置、執(zhí)行裝置三個(gè)部分，以及人工操縱指令輸入裝置。在自動(dòng)駕駛儀工作過(guò)程中，駕駛員可輸入飛行參數(shù)（速度、高度、航向等），以便自動(dòng)駕駛儀按照給定的參數(shù)操縱飛機(jī)飛行。飛行員也可隨時(shí)中斷自動(dòng)駕駛儀的操縱，改為人工操縱飛行（圖5）。

自動(dòng)駕駛儀不僅能在長(zhǎng)時(shí)間的巡航飛行中使用，還能在起飛和著陸過(guò)程中使用?，F(xiàn)代無(wú)人機(jī)從起飛到任務(wù)飛行再到著陸都可進(jìn)行自動(dòng)駕駛。艦載無(wú)人機(jī)還可利用自動(dòng)駕駛儀自主著艦并掛上攔阻索。著陸是飛行中一個(gè)非常重要的階段，飛行員必須在很短的時(shí)間內(nèi)完成許多要求很高的操作，特別是在機(jī)場(chǎng)區(qū)域能見(jiàn)度不良的情況下，如云層低，有霧、雨及夜間等目視識(shí)別困難或完全不能識(shí)別時(shí)，采用自動(dòng)駕駛儀自主著陸或輔助駕駛員著陸，可以大大提高飛機(jī)的著陸安全。

3.航模級(jí)小型無(wú)人機(jī)的

飛行控制系統(tǒng)

航模級(jí)小型無(wú)人機(jī)上使用的飛行控制系統(tǒng)（也稱(chēng)自駕儀或飛控），原理上與上面介紹的相同，只是系統(tǒng)的尺寸和重量更小、也更簡(jiǎn)化。

國(guó)外小型無(wú)人機(jī)及其飛控技術(shù)發(fā)展較早，目前己有十幾種較成熟的飛行控制系統(tǒng)產(chǎn)品，有些精度己達(dá)戰(zhàn)術(shù)級(jí)無(wú)人機(jī)的水平。典型的產(chǎn)品有：美國(guó)的AP50系列、Piccolo系列（圖6），加拿大的MP2028、MP2128系列（圖7），以及由瑞士蘇黎世聯(lián)邦理工大學(xué)實(shí)驗(yàn)室和一些優(yōu)秀個(gè)人組成的團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)并更新的APM開(kāi)源飛行控制系統(tǒng)（圖8）。

國(guó)內(nèi)近年來(lái)在小型無(wú)人機(jī)的飛行控制系統(tǒng)方面取得了很大的進(jìn)展，多個(gè)公司擁有自己的品牌產(chǎn)品，如：零度智控公司出品的"雙子星”（GEMINI）多旋翼飛控（圖9）、YS09固定翼飛控，大疆公司出品的WooKong系列多旋翼飛控，普洛特公司出品的UPx系列飛控。

這些產(chǎn)品采用低功耗的運(yùn)算處理器，集成有GPS、氣壓高度計(jì)、三軸慣性器件、雙軸磁力計(jì)等多種傳感器，并提供標(biāo)準(zhǔn)的舵機(jī)接口（控制油門(mén)、升降、方向、副翼、傘降的舵機(jī)）和地面站通信接口，完全能夠滿(mǎn)足小型無(wú)人機(jī)所需要的主要功能：穩(wěn)定飛行器、導(dǎo)航和任務(wù)控制。（未完待續(xù)）