飛機的自動駕駛

王行仁

駕駛飛機是一件很復雜的事情，駕駛員須要完成許多任務，譬如操縱飛機爬高或下降，操縱飛機轉彎，減小或加大發(fā)動機油門，確定飛機已飛過的路程及當時飛機所處的空間位置。此外，還要用無線電與地面取得連系，對于作戰(zhàn)飛機來說還要操縱武器轟炸與射擊。上面只是稍微列舉一下駕駛員的任務，就可看出駕駛術是不容易的。特別對于只有一個駕駛員的單座作戰(zhàn)飛機，駕駛員一個人要完成以上各項動作，這的確是不簡單的事情。為了減輕駕駛員的負擔，現(xiàn)代飛機上應用著各種不同的自動裝置，它使駕駛術自動化了，不須要人的干預。像現(xiàn)代自動化工廠一樣，由機器代替了人們繁重的勞動。

飛機上的自動裝置種類很多，如保持駕駛員密封座艙內空氣壓力一定的座艙壓力自動調節(jié)器，保持發(fā)動機轉速一定的轉速自動調節(jié)器及保持飛機平飛或操縱飛機作轉彎、升降等動作的自動調節(jié)器。后一種自動調節(jié)器被稱為自動駕駛儀。本文只談自動駕駛儀的一般原理。

在沒有談自動駕駛儀以前，先介紹一下駕駛員是怎樣駕駛飛機的。我們知道，飛機有三個操縱面(圖1)，一個叫升降舵，它在飛機的尾部，能上下偏轉，當它向上偏轉時(圖2)，氣流作用在升降舵上，它產生的合力對飛機重心，構成力矩M，將使飛機仰頭。反之，若升降舵下偏時，由氣流作用在升降舵上的合力對飛機重心構成的力矩，將使飛機低頭。當舵處于中間位置時，氣流平滑流過，飛機不受任何附加力矩而保持原來飛行狀態(tài)。另一個操縱面叫方向舵，它也在飛機的尾部，能左右偏轉，當它向左偏轉時(圖3)，作用在方向舵上的氣流所產生的力，對飛機重心。構成使飛機向左轉的力矩。反之，方向舵右偏將產生使飛機向右轉的力矩。方向舵處于中間位置時，飛機保持著原來的方向飛行。再一個操縱面就是副翼，共有兩片，分布在機翼兩端，這兩片是聯(lián)動的，但偏轉方向恰好相反。當一片向上時，另一片向下(圖4)，它的作用原理與前兩個操縱面一樣，不同的是副翼偏轉所構成的力矩使飛機產生側滾。由以上可看出三個操縱面操縱飛機繞三個相互垂直軸的轉動。

圖1

圖2

圖3

圖4

下面以航向運動作為例子來說明駕駛員是怎樣駕駛飛機的。若飛機偏離了原來的航線，駕駛員通過觀察儀表板上航向儀表的指示，發(fā)現(xiàn)了航向的偏離，通過大腦的辨別是向左偏了呢還是向右偏了，從而確定方向舵應向那邊偏轉。若判定飛機向右偏離了原來的航向，則駕駛員應操縱方向舵向左偏轉，使飛機向左轉，從而回到原來的方向上。當然，當飛機回到原來方向上時，方向舵不應仍偏在左邊位置，此時駕駛員應操縱它回到中間位置，否則飛機將繼續(xù)左轉。

自動駕駛儀可以代替駕駛員駕駛飛機的工作，它能自動地保持原來的飛行狀態(tài)，當偏離原來的飛行狀態(tài)時，它能自動地將飛機修正回來而不須要駕駛員的干預。

自動駕駛儀由那些部分組成的呢？首先應有能感受飛機偏離的元件，并由這個元件發(fā)出偏離訊號，這元件稱為靈感元件。還必須有使飛機操縱面按所須方向偏轉的元件，這元件叫執(zhí)行機構。此外，在靈感元件與執(zhí)行機構之間常常裝有放大器，因為靈感元件發(fā)出的訊號很微弱，不足以控制執(zhí)行機構，必須用放大器將靈感元件輸出的訊號放大后再輸給執(zhí)行機構。

圖5是穩(wěn)定飛機升降的自動駕駛儀原理圖，1898年由偉大的俄國科學家齊奧爾可夫斯基提出用于飛艇上的。它感受飛機偏離的靈感元件是一個重垂單擺，單擺受地心吸力作用始終保持在地垂線上。它的執(zhí)行機構是電動機，電動機的電能由發(fā)電機供給。飛機水平飛行時，單擺上的二個接觸點5、6都不閉合(圖56)，發(fā)電機供給電動機的電源斷開，電動機不轉動，因而升降舵也不偏轉而保持在中間位置，飛機亦保持水平飛行。若飛機受到外界干擾使機頭向下(圖5a)，固定在機體上的觸點1、2、3、4與飛機一起傾斜，由于單擺保持垂直位置，因此單擺上的兩個接觸點5、6仍保持在水平位置，這樣就使得接觸點1與5閉合，4與6閉合，電動機接通電源開始轉動，電動機的轉動經(jīng)齒輪帶動升降舵向上偏轉，此時舵面產生的空氣動力力矩使飛機抬頭，回到原來的水平狀態(tài)。反之，當飛機受外力干擾而向上時(圖5B)，將使接觸點2與5閉合，3與6閉合，電動機反方向接通電源，因而電動機反轉，它帶動升降舵向下偏轉，舵將產生低頭的空氣動力力矩，使飛機同到原來的水平姿態(tài)。

圖5

從上面所講的可看出，自動駕駛儀完全可自動地糾正飛機航線的偏離，保持預定的飛行狀態(tài)。這不僅可減輕駕駛員的負擔，而且可以更正確、更快地反映飛機的偏離，更正確、更快地根據(jù)偏離訊號操縱飛機恢復原來狀態(tài)。現(xiàn)在飛機的速度很快，人的駕駛要反映這樣快的速度是有困難的，因此，對于現(xiàn)代高速飛機來說，應用自動器來解決飛機的操縱任務更顯出其必要性和重要性。