航空模型與真機(jī)操縱的區(qū)別與聯(lián)系（2）

李俊

上一節(jié)結(jié)合有人駕駛飛機(jī)的配平開關(guān)，介紹了遙控設(shè)備的微調(diào)功能及其用法。無論對入門級設(shè)別還是中高級設(shè)備，都具有在飛行中的微調(diào)功能，無非是機(jī)械式和數(shù)字式、內(nèi)置和外置的區(qū)別罷了。從本節(jié)開始，將為大家介紹中高級遙控設(shè)備才具備的功能。在這些設(shè)備（至少有6個通道，并具備電腦預(yù)編程功能）的使用說明書中，第一個功能通常都是Dual Rate & Exponential，即雙比率和曲線設(shè)置。

二、雙比率開關(guān)

與力臂調(diào)節(jié)器

模型飛機(jī)的4個基本操縱通道分別是升降舵、副翼、方向舵和發(fā)動機(jī)油門，其中前3個是用于控制3個基本操縱舵面的。中高級遙控設(shè)備都有這3個基本操縱舵面的專屬雙比率開關(guān)，也稱為大小舵量開關(guān)，或簡稱D/R開關(guān)。如升降舵的雙比率開關(guān)，其附近的面板上會標(biāo)注“ELE D/R”字樣；而副翼與方向舵的標(biāo)注分別是“AILE D/R”和“RUD D/R”（圖10）。該功能根據(jù)飛行需要，將各操縱舵面的轉(zhuǎn)動范圍設(shè)置出2個或3個檔位，各檔舵面偏轉(zhuǎn)的極限范圍不同。如果是兩段式開關(guān)，可設(shè)置大、小兩個偏轉(zhuǎn)范圍；如果是三段式開關(guān)，則可設(shè)置大、中、小三個偏轉(zhuǎn)范圍，即三比率開關(guān)（嚴(yán)格來說，不能再稱為Dual Rate，而是Triple Rate了）。

現(xiàn)代航空模型早已不僅僅局限于一般意義上的飛行及特技動作，在模型的速度、機(jī)動性等均大大改善的前提下，3D、4D等令人眼花繚亂、嘆為觀止的花式特技飛行動作層出不窮。這就要求操縱者具備高超的技藝，能夠利用遙控設(shè)備上兩根短小的操縱桿進(jìn)行精細(xì)、迅速、準(zhǔn)確的操縱動作。同時，這也對遙控設(shè)備提出了很多新要求。

模型進(jìn)行常規(guī)飛行時，速度有快有慢。若飛行速度較高，操縱舵面的效率會很高，模型對操縱的反應(yīng)非常靈敏，要操縱其完成一個動作，只需舵面產(chǎn)生較小的偏轉(zhuǎn)量即可；若飛行速度較慢，操縱反應(yīng)就會比較遲鈍，舵面要產(chǎn)生較大的偏轉(zhuǎn)量才能使模型完成相似的動作。目前大家所用的遙控設(shè)備均為比例式，想要舵面偏轉(zhuǎn)多大角度，操縱桿就必須做出相應(yīng)的動作量，二者一一對應(yīng)。

遙控設(shè)備的操縱桿一般都比較短小。由于一些入門級設(shè)備操縱桿動作量與舵面偏轉(zhuǎn)量的對應(yīng)比例是固定的，因此要通過短小的操縱桿完成精細(xì)操縱很不容易。于是工程師們設(shè)想，能否設(shè)計一個可改變舵面偏轉(zhuǎn)量與操縱桿間對應(yīng)比例關(guān)系的開關(guān)，使遙控設(shè)備具備可變傳動比功能。這樣一來，在高速飛行時，雖然模型舵面的偏轉(zhuǎn)量較小，但可通過切換開關(guān)使操縱桿上的動作量保持在正常范圍內(nèi)，不至于那么“精細(xì)”；而在低速飛行時，要求舵面的偏轉(zhuǎn)量較大，切換開關(guān)后又能使操縱桿上的動作量不至于過大而超過手指活動的范圍。這種操縱者可根據(jù)模型飛行速度自行完成轉(zhuǎn)換的開關(guān)，就是雙比率開關(guān)（圖11）。不同品牌型號的遙控設(shè)備各有特點，其雙比率開關(guān)設(shè)置方法可參考使用說明書。

那么，在有人駕駛飛機(jī)上是否也有類似的設(shè)備呢？答案是肯定的，而且有人駕駛飛機(jī)上的設(shè)備還是全自動、無級調(diào)節(jié)的。該設(shè)備被稱為力臂調(diào)節(jié)器。以現(xiàn)代戰(zhàn)斗機(jī)為例，其飛行速度范圍覆蓋200千米/小時到2 000千米/小時。這個速度包線范圍比模型大多了，甚至超過了聲速（這么高的速度會產(chǎn)生很多特殊現(xiàn)象）。但作為飛行器，有人駕駛飛機(jī)與模型飛機(jī)都有一個共同點，即高速飛行時舵面很靈，而低速飛行時舵面會變得相對遲鈍。

第二次世界大戰(zhàn)之前的飛機(jī)，最高飛行速度一般在600千米/小時左右，其操縱問題并不突出，高低速飛行的操縱差異不是特別顯著。二戰(zhàn)后出現(xiàn)了噴氣式飛機(jī)，航空進(jìn)入了超聲速時代，情況就大不一樣了。對于只有簡單操縱系統(tǒng)的飛機(jī)，其在高速飛行時，如果飛行員不經(jīng)意動了駕駛桿，操縱舵面產(chǎn)生較大偏轉(zhuǎn)后，飛機(jī)會立即做出反應(yīng)，可能會令座艙內(nèi)的飛行員撞到硬邦邦的座艙蓋。若此時沒有頭盔防護(hù)，飛行員極易受傷，嚴(yán)重時還會發(fā)生昏厥，后果不堪設(shè)想。另外，飛機(jī)機(jī)體結(jié)構(gòu)在高速條件下也難以承受這么大的飛行過載，可能會發(fā)生空中解體。因此，飛機(jī)在高速飛行時，飛行員們希望正常的駕駛桿動作量產(chǎn)生的舵面偏轉(zhuǎn)量小一些，使飛機(jī)的反應(yīng)不要過于靈敏；而在低速飛行時，飛機(jī)操縱反應(yīng)遲鈍，飛行員們又希望能以正常的駕駛桿動作量，產(chǎn)生足夠的舵面偏轉(zhuǎn)量，以實現(xiàn)對飛機(jī)的有效操縱。用飛行品質(zhì)專業(yè)術(shù)語來說，即希望“每g駕駛桿力”相同（此處“g”表示過載）。它是舵面效應(yīng)的同義詞，即無論飛機(jī)的速度高或低，完成同樣的機(jī)動動作對駕駛桿施加的力（即動桿量或桿位移量）都一樣，從而駕駛感受也基本一致。這就是可變傳動比的概念，它成為飛機(jī)設(shè)計師們的目標(biāo)。

采用機(jī)械操縱系統(tǒng)的飛機(jī)，是通過力臂調(diào)節(jié)器來實現(xiàn)可變傳動比功能的。衡量飛機(jī)速度高低有一個基本指標(biāo)——動壓或速壓，是當(dāng)?shù)氐目諝饷芏扰c飛行空速平方乘積的一半，一般用Q表示。飛機(jī)上的空速管是測量動壓的裝置，其測量信息一路傳到空速表，另一路傳遞給力臂調(diào)節(jié)器的動壓感受裝置（西方稱為Q盒或Q box）。感受到不同的動壓后，Q盒就對力臂調(diào)節(jié)器實施自動調(diào)節(jié)，讓飛行員的駕駛感受更好，使飛行更安全、動作更準(zhǔn)確、操縱更有效。動壓較大時，如低空大表速或高空高速飛行時，操縱桿到舵面的傳動比較??；動壓較小時，如低空低速或高空低速時，操縱桿到舵面的傳動比就大些，保證有效的操縱（圖12）。當(dāng)然，力臂調(diào)節(jié)器除了自動模式外，也有手動模式。當(dāng)Q盒或力臂調(diào)節(jié)器發(fā)生故障時，飛行員可用手動模式根據(jù)飛行速度自行選擇大力臂或小力臂。這時則與模型遙控設(shè)備的使用方法完全一致。

2012年11月25日，殲15艦載機(jī)在我國首艘航母“遼寧”艦上成功著艦和起飛的一幕筆者至今仍歷歷在目。仔細(xì)觀看殲15著艦前的姿態(tài)和動作細(xì)節(jié)，可以看到飛機(jī)在進(jìn)近著艦過程中，差動平尾始終在左右偏轉(zhuǎn)，動作很明顯、偏轉(zhuǎn)量很大。但飛行員不可能大幅度操縱駕駛桿而將駕駛桿的行程全部用盡。顯然，此時駕駛桿到舵面的傳動比很大，才保證了著艦過程的有效操縱。而當(dāng)飛機(jī)在低空大速度通場時，舵面的偏轉(zhuǎn)卻不能那么大，必須很微小。且不說殲15這種先進(jìn)的電傳操縱飛機(jī)，即使是使用老式機(jī)械操縱系統(tǒng)的戰(zhàn)斗機(jī)（如米格-21），也必須有這種傳動比調(diào)節(jié)裝置。機(jī)械式操縱系統(tǒng)的力臂調(diào)節(jié)器體積較大、機(jī)構(gòu)復(fù)雜，一般只設(shè)置在與過載聯(lián)系最直接的升降舵/全動平尾的操縱路徑上。而電傳操縱飛機(jī)實現(xiàn)可變傳動比功能比較容易，只要把空速、高度和馬赫數(shù)等數(shù)據(jù)輸入飛行控制計算機(jī)，飛控軟件即可調(diào)整舵機(jī)的偏轉(zhuǎn)量，西方航空界將這種方法稱為“大氣數(shù)據(jù)增益調(diào)參”。電傳操縱飛機(jī)還可以方便地實現(xiàn)飛機(jī)三個軸的“可變傳動比”。如現(xiàn)代戰(zhàn)斗機(jī)在帶外掛物時，繞三個機(jī)體軸的轉(zhuǎn)動慣量很大，飛機(jī)比較笨重。而飛行員如果撥動一個“帶外掛/干凈構(gòu)型”的開關(guān)，飛控計算機(jī)就會調(diào)整駕駛桿到舵面的傳動比，使飛行員的駕駛感受基本相同，飛機(jī)的靈敏度不會因是否帶外掛物而變化。法國的“幻影”2000戰(zhàn)斗機(jī)就具備這個功能。

就可變傳動比問題，還有一點要特別說明：模型飛機(jī)的速度變化范圍小，通常特技飛行時用大舵量，增強(qiáng)特技動作的驚險效果；一般飛行時用小舵量，保證動作的精準(zhǔn)度和美感。而且模型上沒有駕駛員，不用考慮人對過載的承受能力和乘坐的舒適性，動作“粗猛”一些也沒關(guān)系。而真實的有人駕駛飛機(jī)，尤其是戰(zhàn)斗機(jī)，都會在高速飛行時自動變換為小舵量，低速飛行時自動切換為大舵量，保證飛行員在高低速、不同飛機(jī)重量條件下駕駛感受的一致性。可見，同樣是可變傳動比設(shè)置，模型飛機(jī)和有人駕駛飛機(jī)對其使用方向有時是相反的。

此外，通過調(diào)整駕駛感受來提高安全性和操縱性，不僅在飛機(jī)上有，汽車上也有諸多應(yīng)用?，F(xiàn)在的汽車大多裝備了行車電腦和助力系統(tǒng)。行車電腦中加載有行車控制軟件，體現(xiàn)了制造商對駕駛操縱性能的理解及相關(guān)行駛控制律的設(shè)置。在行車速度較低時，助力器會使方向盤變得輕巧，操縱起來容易且省力；而當(dāng)行車速度較高時，助力器會讓方向盤變得很沉重，駕駛員不易改變汽車行駛方向，以保證高速行駛的安全。汽車界的工程師們稱之為隨速助力系統(tǒng)。這也是一種速度增益調(diào)參方法，其設(shè)計思想與航空界的大小力臂有異曲同工之妙。

三、曲線設(shè)置與

非線性機(jī)構(gòu)

與雙比率開關(guān)設(shè)置相關(guān)的另一個重要功能是曲線設(shè)置，即Exponential Setting，或稱為指數(shù)曲線設(shè)置。為什么有這項設(shè)置呢？從事飛行事業(yè)的人大都知道一個常識：在一定的動壓下，飛機(jī)的舵面在小范圍內(nèi)偏轉(zhuǎn)時效率最高，通常當(dāng)舵面在其中立位置附近±10°范圍內(nèi)活動時能獲得最高的舵面效率。而在舵面發(fā)生較大的偏轉(zhuǎn)時，流經(jīng)舵面的氣流會發(fā)生嚴(yán)重分離，效率出現(xiàn)非線性變化，而且往往較低，導(dǎo)致飛機(jī)的操縱反應(yīng)遲鈍。這就意味著，舵面效率與舵面的偏轉(zhuǎn)角度并非線性關(guān)系。

在入門級遙控設(shè)備上，操縱桿偏轉(zhuǎn)的角度與模型上舵機(jī)的偏轉(zhuǎn)角度是對應(yīng)的，這是真正的“全比例、純線性”遙控。不過操縱動作雖然是線性的，但其最終的操縱效果卻并不線性。這對一般的飛行影響不大，但對比賽的影響卻很大。在比賽中，對模型飛行動作的質(zhì)量要求很高，選手們要在中立點附近做頻繁的微小修正。如果使用純線性遙控器操縱，模型在中立點附近的反應(yīng)會過于靈敏，要求選手的操縱動作必須非常精準(zhǔn)、細(xì)膩，否則模型就會左右晃、上下擺，將嚴(yán)重影響動作質(zhì)量和成績。因此，操縱手們都希望能在遙控設(shè)備上增加一種功能，降低中立點附近的操縱靈敏度，使模型“遲鈍”一些；而在遠(yuǎn)離中立點時，大舵量偏轉(zhuǎn)的動作幅度又要大一些，以補(bǔ)償舵面效率降低的影響，提高操縱靈敏度。由于舵面的效率很難改變，于是工程師們又將目光集中在遙控設(shè)備上，希望通過改變傳動比實現(xiàn)這一功能。

與上一節(jié)介紹的雙比率開關(guān)類似，以其為基礎(chǔ)，改變在同一舵面偏轉(zhuǎn)總量下的傳動比就是下面要介紹的曲線設(shè)置，其原理如圖13所示。該曲線圖以操縱桿輸入為自變量。舵機(jī)偏轉(zhuǎn)輸出為因變量。為減小中立點附近的操縱靈敏度，可將操縱桿對應(yīng)的舵機(jī)偏轉(zhuǎn)輸出斜率變??；為增大遠(yuǎn)離中立點的大動作量時的操縱靈敏度，則將操縱桿對應(yīng)的舵機(jī)偏轉(zhuǎn)輸出斜率增大。這樣，通過曲線設(shè)置就實現(xiàn)了操縱效果的線性化。一般不會往相反的方向設(shè)置（圖14），事實證明，降低中立點附近靈敏度的曲線設(shè)置，對提高特技動作的質(zhì)量非常有幫助。

飛機(jī)在地面進(jìn)行靜態(tài)測試時，各舵面的偏轉(zhuǎn)角范圍可達(dá)±20°，但在正常飛行時，舵面活動范圍一般不超過±10°，即使是機(jī)動靈活的戰(zhàn)斗機(jī)也是如此。因此，在現(xiàn)代有人駕駛飛機(jī)上，無論采用電傳操縱系統(tǒng)還是機(jī)械操縱系統(tǒng)，都有這種曲線設(shè)置功能，也稱為非線性機(jī)構(gòu)。它是一種改變駕駛桿到舵面偏轉(zhuǎn)量間傳動比的機(jī)構(gòu)，其目的是將舵面中立位置附近的操縱靈敏度減小，并適當(dāng)增大遠(yuǎn)離中立點處大舵量的操縱靈敏度。如英國原霍克·西德利公司在20世紀(jì)70年代研制的“鷹”式高級教練機(jī)，是一種典型的采用機(jī)械式操縱系統(tǒng)的飛機(jī)。從其操縱系統(tǒng)示意圖可見，在全動平尾操縱線路中設(shè)有非線性機(jī)構(gòu)，可大大改善其操縱性。“鷹”式教練機(jī)出現(xiàn)不久，即在1979年被選為大名鼎鼎的英國“紅箭”飛行表演隊座駕，并一直使用至今。其入選原因正是優(yōu)秀的操縱性能和飛行性能。再如蘇聯(lián)的米格-21超聲速戰(zhàn)斗機(jī)，其副翼和方向舵的操縱也都設(shè)有非線性機(jī)構(gòu)，就是為了防止飛機(jī)在大表速飛行時操縱過于靈敏。

對于采用機(jī)械式操縱系統(tǒng)的有人駕駛飛機(jī)，其非線性機(jī)構(gòu)比較復(fù)雜，一般有四桿、六桿和連桿齒輪式非線性機(jī)構(gòu)3種，其具體原理不在此贅述，感興趣的讀者可自行查閱相關(guān)資料。采用電傳式操縱系統(tǒng)的有人駕駛飛機(jī)，其非線性設(shè)置則很容易在飛行控制律和飛控軟件中實現(xiàn)，大大降低了系統(tǒng)布置的難度，提高了飛機(jī)的操縱性。

那么為什么要采用指數(shù)曲線而不采用其它類型的曲線呢？這是因為在曲線擬合中，指數(shù)擬合最方便、使用最廣泛、運算量也最少。

有人駕駛飛機(jī)與模型飛機(jī)還有一個顯著的區(qū)別。前者飛行員的操縱桿較長，是“桿大手小”，飛行員的操縱容易做到相對準(zhǔn)確，即使在中立點附近晃動操縱桿也不至于使飛機(jī)產(chǎn)生很大反應(yīng)。而模型飛機(jī)遙控器上的操縱桿較短，是“桿小手大”，動作稍微大點，就可能導(dǎo)致模型出現(xiàn)很大的反應(yīng)。有人駕駛飛機(jī)尚且要用非線性機(jī)構(gòu)改善飛機(jī)的操縱性能，模型飛行時更要設(shè)置好曲線，避免其在中立點附近動作過于靈敏。

此外，西方模型愛好者一般都喜歡把遙控器的操縱桿調(diào)得很長，也是為了實現(xiàn)調(diào)整精細(xì)、操縱準(zhǔn)確的目的（圖15）。而且他們還習(xí)慣于采用雙指捏桿的方式，即用大拇指和食指同時捏住操縱桿實施操縱（圖16）。這種方式下，在操縱動作的反方向，總有另一個手指作為限制，對操縱動作有一定的緩沖，形成類似阻尼的作用。將操縱桿調(diào)得很長，采用雙指捏桿的方式，再加上大小舵量和線性曲線設(shè)置的效果，使西方的模型愛好者的操控準(zhǔn)確度很高（圖17）。而亞洲的模型愛好者所用的遙控設(shè)備操縱桿相對短小，他們習(xí)慣用大拇指壓桿的操縱方式，動作比較劇烈，但準(zhǔn)確度較差（圖18）。為此，筆者推薦使用雙指捏桿的操縱方式（圖19）。（未完待續(xù)）