飞机操纵系统发展史

飞机飞行操纵系统大作业飞机飞行操纵系统发展史班级:100321学号:100311xx姓名:王尼玛专业:自动化指导老师:于黎明二零一三年六月二十一日1飞机飞行操纵系统发展史【摘要】本文主要论述了的飞机飞行操纵系统的发展史，对飞机机械操纵、增稳操纵、控制增稳操纵、电传操纵、光传操纵做了详细的描述，并对未来飞机的操纵系统进行了展望。关键词:飞机飞行操纵系统；机械操纵系统；增稳操纵系统；控制增稳操纵系统；电传操纵系统；光传操纵系统2目录【摘要】.................................................1目录.....................................................2第一章飞机操纵系统的发展历程............................3第二章机械操纵系统......................................3第三章增稳操纵系统......................................4第四章控制增稳操纵系统..................................4第五章电传操纵系统......................................4第六章光传操纵系统......................................5第七章飞机操纵系统的发展趋势............................5参考文献.................................................63第一章飞机操纵系统的发展历程最初的飞机操纵系统是由简单的钢索、滑轮、连杆和曲柄等机械部件组成，即我们所说的机械传动操纵系统。飞行员通过直接操纵机械传动系统来控制飞机的操纵舵面，实现对飞机姿态和飞行轨迹的控制，此时可不考虑系统本身的动特性，只需对摩擦，间隙和系统的弹性形变加以限制，便可获得满意的系统性能。随着飞机设计的发展和飞机速度的不断提高，即使使用看气动力补偿，飞行员的体力还不能适应作用于操纵舵面上的空气动力载荷，这时便产生了液压助力器，此系统实际上仍是一个除飞行员外开环的机液伺服系统。伴随着飞行包线的进一步扩大，飞机的稳定性与可操纵性之间的矛盾更加突出，相继出现了增稳操纵系统和控制增稳操纵系统，这时的系统已在局部使用了电传操纵技术，但操纵系统仍以机械通道为主控通道。为实现最佳气动布局的飞机设计，在电传操纵余度技术逐渐趋于成熟的条件下，操纵系统的机械通道有被电传通道完全取代的趋势，这便产生了现在以被广泛使用的电传操纵系统。但电传操纵系统难以克服自身易受干扰的缺陷，为了改善电传操纵系统的性能，克服自身的缺陷，在电传操纵系统内采用了新的信号传导材料——光纤。光纤作为信号传导材料与电传操纵系统相比，在抗电磁干扰、减轻重量、提高可靠性等方面有明显的优势。运用新的信号传导材料与电传操纵系统相结合所产生的操纵系统，这便是光传操纵系统的雏形。光传操纵系统对提高飞机的稳定性和满足日益提升的飞行性能产生了深远的影响。第二章机械操纵系统驾驶员通过机械传动装置直接偏转舵面。舵面上的气动铰链力矩通过机械联系使驾驶员获得力和位移的感觉。这种系统由两部分组成：①位于驾驶舱内的中央操纵机构；②构成中央操纵机构和舵面之间机械联系的传动装置。中央操纵机构由驾驶杆(或驾驶盘)和脚蹬组成。驾驶员前推或后拉驾驶杆可带动升降舵下偏或上偏，使飞机下俯或上仰。向左或向右压驾驶杆（或转动驾驶盘）则带动副翼偏转，使飞机向左侧或向右侧滚转。脚蹬连结着方向舵，驾驶员蹬左脚时，方向舵向左偏转，机头向左偏；反之，机头向右偏。对于各类飞机，中央操纵机构的尺寸、操纵行程和操纵力均有标准规定。通常在被操纵舵面(升降舵、副翼和方向舵)上，用气动补偿措施减少气动铰链力矩，把操纵力控制在规定范围内。机械传动装置直接带动舵面，有软式和硬式两种基本型式。软式传动装置由钢索和滑轮组成，特点是重量轻，容易绕过障碍，但是弹性变形和摩擦力较大。硬式传动装置由传动拉杆和摇臂组成，优点是刚度大，操纵灵活。软式和硬式可以混合使用。简单机械式操纵系统广泛用在亚音速飞机上。在大型高速飞机上，舵面上的气动铰链力矩很大，虽然用气动补偿的方法可以减小力矩，但很难在高低速范围内达到同样效果。40年代末出现了液压助力系统，舵面由液压助力器驱动，驾驶员通过中央操纵机构、机械传动装置控制助力器的伺服活门，间接地使舵面偏转。它同时通过杠杆系统把舵面一部分气动载荷传给中央操纵机构，使驾驶员4获得操纵力的感觉,构成所谓“机械反馈”,这就是可逆助力操纵系统。可逆助力操纵系统虽可解决杆力过大的问题，但在超音速飞机上还会出现所谓杆力反向变化的问题。由于杆力反向变化，会使驾驶员产生错觉而无法正确驾驶飞机。为此，须把可逆助力操纵系统中的机械反馈取消，即舵面气动载荷全部由液压助力器承受。为了使驾驶员获得操纵力感觉，在系统中增加了人工载荷机构（通常是弹簧的）以及其他改善操纵特性的装置,形成不可逆助力操纵系统。在高空超音速飞行时，由于空气密度减小，飞机容易发生频率很高的俯仰和横侧振荡，驾驶员来不及作出反应。为了克服振荡，在超音速飞机上普遍安装自动增稳装置，如俯仰阻尼器和方向阻尼器等。第三章增稳操纵系统现在战斗机为了使气动布局有较好的效益，飞机本身的静稳定度设计的较小现代战斗机又往往在大迎角下飞行，而飞机的纵向静稳定度随迎角增大而减小，甚至改变符号，纵向静不稳定，驾驶员难以操作。因此有了增稳操纵系统。增稳控制系统一般由引入迎角反馈信号、法向过载反馈信号或迎角与俯仰角速度组合反馈信号构成闭环控制系统，使飞机的飞行操纵品种得到了很大的提升。但是增稳操纵系统在提高飞机稳定性的同时，降低了飞机的操纵性，为了解决这个问题，出现了控制增稳操纵系统。第四章控制增稳操纵系统飞机的稳定性与操作性是飞机飞行品质特性中一对基本的矛盾。增稳操纵系统的采用，在提高飞机稳定性的同时，降低了飞机的操作性。为了解决稳定性与操作性的矛盾，在增稳系统的基础上，发展了控制增稳操纵系统。控制增稳操纵系统是在增稳操纵系统的基础上增加一个杆力传感器和一个指令模型构成，即系统由机械通道、电气通道和增稳回路组成、电气和机械两通道并行，电气通道的作用是增大传递系数。控制增稳系统对操作性的改善主要表现在：增加杆力灵敏度；改善单位过载杆力、不受飞机固有频率影响；增加静操纵系数。第五章电传操纵系统在不可逆助力操纵系统中，存在着间隙、摩擦、弹性变形等影响，难以解决微弱信号的传递问题。又由于普遍采用增稳装置，机械联杆装置越来越复杂，重量增加。自动控制和微电子技术的发展，为取消机械传动装置创造了条件，可用电信号综合传感器信号和驾驶员的操纵指令，对飞机进行有效的操纵。如果在电传操纵系统之外,还保留机械操纵系统作为备用，则称为准电传操纵系统。电传操纵系统的关键是系统的可靠性问题，它的可靠性至少不能低于机械操纵系统。为此需要采用余度技术，对于关键部件和线路采用多重布置的原则，5以提高系统的可靠性。电传操纵系统的优点是体积小、重量轻、通过性好，便于采用主动控制技术，易于与其他系统交联，生存力强，维护性好，可提高飞机操纵品质和性能，是高性能飞机操纵系统发展的方向。电传操纵的重要性在于打破了飞机设计中需要保持静稳定性的布局，设计师们可以为战斗任务选择和优化最有效的布局，然后由储存在飞行控制计算机软件中的相应控制律增加人工稳定性。现役战斗机中已经有多种飞机采用电传操纵系统。第六章光传操纵系统光传操纵系统是以光代替电作为传输载体，以光导纤维作为物理传输媒质，在计算计之间或计算机与远距离终端（如舵机等）之间传递指令和反馈信息的飞行控制系统。光传操纵系统是在电传操纵系统上发展起来的，也是后者的发展趋势。电传操纵系统的致命弱点是易受雷电和电磁干扰及核辐射的影响。现代飞机性能不断提高，电子设备日趋复杂，这必然导致电缆用量的增加以及线路布局的复杂化，从而加大了线路之间的干扰，使电传操纵系统不能正常工作。解决这一问题的根本办法就是采用光传操纵系统。采用光纤作为传输介质，以光信号的形式传输，使得光传操纵系统具有很多优点。首先，它具有抗电磁干扰、抗电磁脉冲辐射和防雷电等特点，且光纤本身不辐射能量，这就提高了可靠性和安全性。其次，光缆可减轻控制系统的重量、缩小体积，从而大大改进飞机的稳定性和可操纵性。再次，光纤的故障隔离性好，当一个通道发生故障时不会影响其他通道。光传操纵系统的研究始于上个世纪70年代。1975年，美国空军试验中心在A-7D飞机上利用光纤作为传输线。1979年，洛克希德公司在一架喷气滑翔机上试验了光传操纵系统，取得成功。目前光传操纵系统的研究重点是开发各类光传感器、光处理器等。光传操纵系统的好处有以下几点：1）在强电磁干扰下飞行2）减轻机载设备重量3）数据传输速率高和传输容量大4）改善系统的动态特性5）提高飞机的总体性能及燃油经济性6）降低验证费用，改善成本-效益指标第七章飞机操纵系统的发展趋势现在对于飞机操纵系统的研究有许多，例如：1）光传/电传混合计划2）信号光传/能量电传（FBL/PBW）计划3）先进光传硬件计划6参考文献[1]徐鑫福.飞机飞行操纵系统.北京航空航天大学出版社.1989.[2]瞿福存.飞行控制系统的演变.飞行试验.1997.