淺談直升機(jī)飛行操縱及控制系統(tǒng)

徐瓊瓊

摘要 直升機(jī)飛行操縱系統(tǒng)和飛行控制系統(tǒng)是直升機(jī)上重要的兩個(gè)系統(tǒng)，直升機(jī)由于其獨(dú)特的飛行方式，導(dǎo)致它的操縱方式與固定翼飛機(jī)完全不同，直升機(jī)飛行控制系統(tǒng)是在飛行操縱系統(tǒng)的基礎(chǔ)上通過(guò)加裝輔助舵機(jī)，提高全機(jī)的穩(wěn)定性和操縱性；直升機(jī)旋翼的特點(diǎn)決定了直升機(jī)具有強(qiáng)耦合，弱穩(wěn)定的等特性，這也給飛行操縱及控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)提出了很高的要求。本文簡(jiǎn)單描述了直升機(jī)飛行操縱及控制系統(tǒng)的特點(diǎn)，以及兩者之間的交聯(lián)設(shè)計(jì)特點(diǎn)及其應(yīng)用。

關(guān)鍵詞 直升機(jī)；飛行操縱；飛行控制；交聯(lián)設(shè)計(jì)

中圖分類號(hào) V2

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A

文章編號(hào)2095-6363（2015）10-0025-02

1 直升機(jī)概述

直升機(jī)能夠垂直起降，能在空中向前、后、左、右各個(gè)方向任意運(yùn)動(dòng)，并且還能在一定高度保持懸停，對(duì)起落場(chǎng)地質(zhì)量要求也不高。上述這些特點(diǎn)，使它日益廣泛地運(yùn)用于軍事和民用的各個(gè)方面。直升機(jī)不僅在國(guó)民經(jīng)濟(jì)各個(gè)部門（如農(nóng)牧漁業(yè)、地質(zhì)、石油、交通、電力和公安等）用作交通運(yùn)輸、施肥滅蟲(chóng)、地質(zhì)勘探、海上石油開(kāi)采、消防滅火、應(yīng)急救生、吊裝巡線、城市治安、海關(guān)緝私等任務(wù)，而且在軍事上用作通信聯(lián)絡(luò)、邊境巡邏、炮兵觀測(cè)、后勤支援、戰(zhàn)地救護(hù)、襲擊登陸等任務(wù)，武裝直升機(jī)還可執(zhí)行對(duì)地火力支援、攻擊地面目標(biāo)、反坦克、反潛艇、布雷和掃雷、以及與敵方武裝直升機(jī)進(jìn)行空戰(zhàn)等任務(wù)。

按結(jié)構(gòu)型式，可分為如下幾種。

1）單旋翼帶尾槳直升機(jī)。這種直升機(jī)的旋翼反作用扭矩靠尾槳推力來(lái)平衡。優(yōu)點(diǎn)是構(gòu)造簡(jiǎn)單、操縱系統(tǒng)簡(jiǎn)單、成本較低。缺點(diǎn)是尾槳造成功率損失，重心定位范圍窄，尾部長(zhǎng)，尺寸大。直8、直9均為此種型式。

2）共軸式雙旋翼直升機(jī)。兩副旋轉(zhuǎn)方向相反的旋翼安裝在一根軸上，旋翼的反作用扭矩互相平衡。共軸式直升機(jī)由于機(jī)身短，外形好，因而正面阻力小，而且外廓尺寸也小。缺點(diǎn)是操縱系統(tǒng)及傳動(dòng)機(jī)構(gòu)復(fù)雜，旋翼有相互干擾，方向穩(wěn)定性不夠。代表機(jī)種如前蘇聯(lián)的卡-28。

3）縱列式雙旋翼直升機(jī)。這種型式的直升機(jī)的兩個(gè)旋翼分別安裝在機(jī)身前后端。后面的旋翼通常高于前面旋翼的旋轉(zhuǎn)平面。這種型式的優(yōu)點(diǎn)是縱向穩(wěn)定性好，重心定位范圍廣，重量效率高，機(jī)身有效容積大，但是傳動(dòng)系統(tǒng)復(fù)雜，平飛時(shí)誘導(dǎo)損失大，利用旋翼自轉(zhuǎn)進(jìn)行滑翔降落困難。代表機(jī)種為美國(guó)的CH-47型直升機(jī)。

4）橫列式雙旋翼直升機(jī)。它有兩個(gè)位于機(jī)身兩側(cè)并在同一平面內(nèi)反向旋轉(zhuǎn)的旋翼。這種直升機(jī)的優(yōu)點(diǎn)是操縱性及對(duì)縱軸和橫軸的穩(wěn)定性好，兩個(gè)旋翼存在有利的相互影響，平飛誘導(dǎo)損失小，因此經(jīng)濟(jì)性較好，并且能保證乘員乘坐舒適。缺點(diǎn)是構(gòu)造復(fù)雜，操縱系統(tǒng)復(fù)雜，迎風(fēng)阻力大。代表機(jī)種如前蘇聯(lián)的米-12。

5）交叉式雙旋翼直升機(jī)。這種直升機(jī)的兩個(gè)旋翼位于機(jī)身兩側(cè)，但兩個(gè)槳轂之間很近。旋翼轉(zhuǎn)軸向外傾斜，旋翼的旋轉(zhuǎn)必須協(xié)調(diào)以免相碰。兩個(gè)旋翼的反作用扭矩對(duì)直升機(jī)的垂直軸平衡，但對(duì)橫軸的分量則要相加，因此會(huì)產(chǎn)生俯仰力矩。這種型式的優(yōu)點(diǎn)是正面阻力小，外廓尺寸小。但傳動(dòng)系統(tǒng)復(fù)雜，槳尖可能碰地，不安全，直升機(jī)的平衡復(fù)雜。代表機(jī)種如美國(guó)的K-max。

6）傾轉(zhuǎn)旋翼機(jī)。這種型式的直升機(jī)在起飛時(shí)象橫列式直升機(jī)，起飛后旋翼軸相對(duì)于機(jī)體向前傾轉(zhuǎn)，旋翼錐體也隨之前倒，直升機(jī)逐漸轉(zhuǎn)入前飛，過(guò)渡到平飛時(shí)就象普通的固定翼飛機(jī)那樣，靠機(jī)翼產(chǎn)生升力，靠轉(zhuǎn)軸近于水平的旋翼產(chǎn)生向前的力。代表機(jī)種為美國(guó)的v-22“魚鷹”。

2 直升機(jī)飛行操縱系統(tǒng)

直升機(jī)在空中有六個(gè)自由度，即沿X、Y、Z三軸的移動(dòng)和繞這三個(gè)軸的轉(zhuǎn)動(dòng)。穩(wěn)定飛行時(shí)，直升機(jī)處于一種平衡狀態(tài)，作用在它上面的力和力矩合力為零。若要改變直升機(jī)的飛行狀態(tài)，必須對(duì)它進(jìn)行操縱。所謂操縱就是改變作用在直升機(jī)上的力和力矩，即打破原來(lái)的平衡狀態(tài)，建立新的平衡狀態(tài)，直升機(jī)操縱具有以下特點(diǎn)。

1）對(duì)于直升機(jī)的6個(gè)運(yùn)動(dòng)自由度，只有4個(gè)直接的飛行操縱，（注：還有一個(gè)操縱是對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速或功率控制），因而對(duì)各自由度的控制并非彼此獨(dú)立。

2）直升機(jī)對(duì)操縱的響應(yīng)，各軸間耦合嚴(yán)重（對(duì)擾動(dòng)的響應(yīng)也是如此），須由駕駛員或SCAS的修正動(dòng)作予以消除。

3）升降、俯仰、滾轉(zhuǎn)操縱，皆經(jīng)過(guò)旋翼?yè)]舞這一環(huán)節(jié)，所以直升機(jī)響應(yīng)滯后較大，而且揮舞慣性抑制了對(duì)于高頻操縱輸入的響應(yīng)，起著過(guò)濾器的作用。駕駛員通過(guò)飛行操縱系統(tǒng)改變主旋翼和尾槳的槳距角，從而改變直升機(jī)的高度、速度和航向，以控制直升機(jī)的飛行。總槳距操縱桿能同時(shí)改變所有槳葉的槳距角，從而改變主旋翼的升力（FN）的大小。周期變距操縱桿能使主槳葉槳距角產(chǎn)生周期性的改變，來(lái)操縱旋翼槳盤的傾斜角，從而控制升力（FN）的方向。腳蹬的作用是改變尾槳的推力（TY）的大小來(lái)實(shí)現(xiàn)直升機(jī)的航向操縱。

由于現(xiàn)代的直升機(jī)的鉸鏈力矩一般比較大、飛行品質(zhì)要求高并且不可逆助力器的技術(shù)已經(jīng)相當(dāng)成熟，所以通常采用不可逆助力操縱型式；對(duì)于鉸鏈力矩較小并且給駕駛員帶來(lái)的載荷負(fù)擔(dān)很小的直升機(jī)，可以考慮采用純機(jī)械操縱系統(tǒng)。

機(jī)械飛行操縱系統(tǒng)的線系一般有三種型式：硬式操縱、軟式操縱、軟硬混合式操縱。直升機(jī)縱向、橫向及總距操縱系統(tǒng)通常為硬式操縱；航向操縱系統(tǒng)可以為硬式操縱或軟、硬混合操縱；助力器之后的線系部分則多為硬式操縱。

3 直升機(jī)飛行控制系統(tǒng)

直升機(jī)有其獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)，能夠垂直起落不需要機(jī)場(chǎng)跑道，能夠空中懸停便于觀察和救護(hù)，能夠任意方向飛行（前飛，側(cè)飛，后飛等）機(jī)動(dòng)靈活。但直升機(jī)也存在自身的缺點(diǎn)，如：載重較小，經(jīng)濟(jì)性低，振動(dòng)較大，舒適性差，操縱困難，穩(wěn)定性差等。

直升機(jī)作為控制對(duì)象，與固定翼飛機(jī)相比具有更復(fù)雜的氣動(dòng)特性。如果把固定翼飛機(jī)看成六自由度的運(yùn)動(dòng)體，那么對(duì)直升機(jī)而言，還必須考慮旋翼和尾槳對(duì)機(jī)身的轉(zhuǎn)動(dòng)，槳葉相對(duì)于鉸鏈接頭的轉(zhuǎn)動(dòng)。除此之外，直升機(jī)本身還有一系列的特殊飛行狀態(tài)，例如懸停、垂直起落、自旋等。

由于直升機(jī)動(dòng)特性的不穩(wěn)定，對(duì)電子反饋的依賴性大。目前世界上所有直升機(jī)的動(dòng)特性都是不穩(wěn)定的，不穩(wěn)定的程度與直升機(jī)結(jié)構(gòu)與飛行狀態(tài)密切相關(guān)。不穩(wěn)定的程度主要表現(xiàn)在縱向運(yùn)動(dòng)，特征根出現(xiàn)一對(duì)正實(shí)部的復(fù)根，表現(xiàn)為長(zhǎng)周期運(yùn)動(dòng)不穩(wěn)定。

直升機(jī)各控制通道之間存在著嚴(yán)重的氣動(dòng)耦合。由于直升機(jī)與固定翼飛機(jī)相比有更復(fù)雜的氣動(dòng)特征與更特殊的飛行狀態(tài)，四個(gè)控制通道間存在著強(qiáng)軸間的耦合，在懸停狀態(tài)時(shí)更是如此。人工駕駛時(shí)必須由駕駛員進(jìn)行復(fù)雜、緊張的控制協(xié)調(diào)，其駕駛難度比一般的飛機(jī)大得多。俯仰與橫滾交叉耦合，總距與俯仰，總距與航向之間的交叉耦合已成為直升機(jī)影響操縱品質(zhì)的主要因素。因此解耦設(shè)計(jì)已成為直升機(jī)控制界普遍關(guān)注的研究課題。

直升機(jī)飛控系統(tǒng)通常由計(jì)算機(jī)、串聯(lián)舵機(jī)、并聯(lián)舵機(jī)和操縱臺(tái)組成，其控制原理是使用組合導(dǎo)航系統(tǒng)測(cè)量直升機(jī)的姿態(tài)、姿態(tài)角速率、線加速度等飛行參數(shù)，使用大氣速度系統(tǒng)測(cè)量直升機(jī)的空速、氣壓高度和垂直速度等飛行參數(shù)，這些參數(shù)送入飛控計(jì)算機(jī)進(jìn)行控制率解算，再經(jīng)過(guò)伺服回路驅(qū)動(dòng)串聯(lián)、并聯(lián)舵機(jī)操縱液壓助力器實(shí)現(xiàn)俯仰、橫滾周期變距、尾槳變距和總距，使得直升機(jī)產(chǎn)生抬（低）頭、左（右）滾轉(zhuǎn)、左（右）偏航力矩，從而控制直升機(jī)。

典型的直升機(jī)飛控系統(tǒng)組成及控制律設(shè)計(jì)如圖所示。

4 直升機(jī)飛行操縱及控制系統(tǒng)交聯(lián)設(shè)計(jì)

現(xiàn)代直升機(jī)上，除機(jī)械人工操縱系統(tǒng)外，一般還有飛控系統(tǒng)（阻尼器、增穩(wěn)系統(tǒng)或控制增穩(wěn)系統(tǒng)）來(lái)改善直升機(jī)的操穩(wěn)特性以及自動(dòng)駕駛儀來(lái)減輕駕駛員負(fù)擔(dān)和保證飛行安全。

飛控系統(tǒng)通常采用串聯(lián)舵機(jī)作為其執(zhí)行機(jī)構(gòu)，串聯(lián)舵機(jī)串聯(lián)安裝于機(jī)械桿系之中，置于助力器之前，人工操縱時(shí)作為一根普通拉桿使用，增強(qiáng)控制時(shí)它的工作桿伸縮帶動(dòng)其后面的線系和助力器運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)槳葉變距，而其前面的線系直至駕駛桿都保持位置不動(dòng)。串聯(lián)舵機(jī)與后面的線系、助力器、槳葉以及直升機(jī)組成通常所稱的“內(nèi)回路”。

飛控系統(tǒng)通常采用并聯(lián)舵機(jī)作為其執(zhí)行機(jī)構(gòu)，并聯(lián)舵機(jī)與整個(gè)機(jī)械桿系并聯(lián)安裝，它工作時(shí)將帶動(dòng)整個(gè)機(jī)械桿系連同駕駛桿一起運(yùn)動(dòng)。并聯(lián)舵機(jī)與機(jī)械線系、助力器、槳葉以及直升機(jī)組成通常所稱的“外回路”。

另外，增強(qiáng)系統(tǒng)和自動(dòng)駕駛儀也可以將其執(zhí)行機(jī)構(gòu)（串聯(lián)舵機(jī)和并聯(lián)舵機(jī)）與助力器相復(fù)合在一起，組成復(fù)合舵機(jī)。

飛行操縱系統(tǒng)與飛行控制系統(tǒng)的區(qū)別與聯(lián)系主要體現(xiàn)在以下幾點(diǎn)。1）從功能上劃分，飛行操縱系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)駕駛員對(duì)直升機(jī)的開(kāi)環(huán)操縱；飛行控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對(duì)直升機(jī)的閉環(huán)控制；2）從物理實(shí)現(xiàn)上劃分，飛行操縱系統(tǒng)以機(jī)械液壓為主；飛行控制系統(tǒng)：以電信號(hào)為主（模擬、離散、數(shù)字）。但飛行控制系統(tǒng)最終的變距實(shí)現(xiàn)必須借助與飛行操縱系統(tǒng)，所以兩者之間就存在交聯(lián)問(wèn)題。

對(duì)于電傳或光傳飛控系統(tǒng)，由于物理實(shí)現(xiàn)上均是以電信號(hào)為主，所以從物理部件上已經(jīng)很難將飛行操縱系統(tǒng)和自動(dòng)飛控系統(tǒng)分開(kāi)。其區(qū)別主要是功能上的，一般劃分為主飛控系統(tǒng)和自動(dòng)飛控系統(tǒng)，其實(shí)現(xiàn)均是通過(guò)傳感部件、計(jì)算部件、執(zhí)行部件等完成。

5 結(jié)論

本文對(duì)直升機(jī)飛行操縱系統(tǒng)和飛行控制系統(tǒng)進(jìn)行簡(jiǎn)單綜述，并且對(duì)兩者之間的交聯(lián)設(shè)計(jì)特點(diǎn)進(jìn)行詳細(xì)闡述了，希望能對(duì)初級(jí)入門的工程師具有一點(diǎn)參考意義。