直升機(jī)操縱線系力矩平衡設(shè)計(jì)方法研究

白一尚

摘? 要：無論是傳統(tǒng)的直升機(jī)機(jī)械—液壓式操縱系統(tǒng)或電傳飛控系統(tǒng)座艙操縱部分，均是由一系列拉桿、搖臂、扭軸等零部件相連而成。飛行員在操縱桿手柄處輸入操縱指令，操縱指令通過俯仰、橫滾、總距、航向4個(gè)通道傳遞到作動(dòng)器，以改變旋翼變距角，進(jìn)而控制直升機(jī)的姿態(tài)、航向和高度。該文從能量守恒的角度出發(fā)分析了直升機(jī)操縱系統(tǒng)的不平衡力，得到系統(tǒng)內(nèi)不平衡力隨線系運(yùn)動(dòng)角度變化而變化的規(guī)律，并進(jìn)一步研究了直升機(jī)操縱線系力矩平衡的設(shè)計(jì)方法。

關(guān)鍵詞：操縱線系;平衡計(jì)算;直升機(jī);能量守恒

中國分類號(hào)：V227.1? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

0 概述

人機(jī)交互廣泛存在于日常生產(chǎn)與生活實(shí)踐中，隨著人機(jī)結(jié)合理論與應(yīng)用研究受到工程界和學(xué)術(shù)界的共同關(guān)注，操縱舒適性成為人機(jī)系統(tǒng)的一項(xiàng)重要的性能指標(biāo)。直升機(jī)操縱桿上的操縱力應(yīng)大小適當(dāng)，桿力過大，飛行員容易疲勞;桿力過小，飛行員無法判斷桿位移量。良好的桿力—桿位移曲線應(yīng)單調(diào)、連續(xù)、線性且基本對(duì)稱于零位，桿力梯度要適當(dāng)。GJB 902B—2017軍用直升機(jī)飛行品質(zhì)規(guī)范中對(duì)直升機(jī)操縱力、啟動(dòng)力和桿力梯度的范圍作了規(guī)定，表1為GJB 902B—2017中對(duì)直升機(jī)啟動(dòng)力和操縱力的要求。操縱線系不平衡力對(duì)操縱力和啟動(dòng)力有直接影響，操縱力和啟動(dòng)力組成如公式（1）所示。不平衡力過大或分布不均勻?qū)?dǎo)致操縱力或啟動(dòng)力超出規(guī)定的范圍，使飛行器產(chǎn)生不適宜的飛行特性，甚至出現(xiàn)駕駛桿不受控運(yùn)動(dòng)影響飛行安全。

1 力矩平衡分析方法

操縱線系質(zhì)量分布一般是不均勻的，線系各零部件在重力的作用下所產(chǎn)生力矩之和一般不為零，因此產(chǎn)生了整個(gè)線系的不平衡力矩，將各處不平衡力轉(zhuǎn)換到手柄處，形成操縱手柄處的不平衡力。隨操縱桿操縱角度的不同，不平衡力的大小和方向也產(chǎn)生相應(yīng)的變化。

為防止操縱線系操縱力過大，需要通過專門的配平手段達(dá)到操縱線系力矩和基本為零的狀態(tài)。力矩平衡計(jì)算方法一般采用是扭矩?fù)Q算法，在操縱系統(tǒng)全行程運(yùn)動(dòng)范圍內(nèi)，將各零部件重力產(chǎn)生的扭矩通過傳動(dòng)比轉(zhuǎn)換到特定扭軸得到不平衡扭矩，然后通過合理設(shè)計(jì)以平衡不平衡扭矩。該文嘗試采用能量守恒法分析直升機(jī)操縱系統(tǒng)的不平衡力，當(dāng)整個(gè)機(jī)械桿系平衡時(shí)，平衡裝置處能量與系統(tǒng)其他零部件處能量守恒。通過系統(tǒng)其他零部件處“能量—位移”關(guān)系得到平衡裝置處“力—位移”或“力矩—位移”關(guān)系，然后通過合理設(shè)計(jì)配重以平衡不平衡力或扭矩。

2 能量守恒法在線系力矩平衡中的應(yīng)用

直升機(jī)周期通道中一般采用配重的方式進(jìn)行配平。典型的操縱桿-配重塊結(jié)構(gòu)如圖1（a）所示。配重塊一般固連在操縱桿一端，操縱桿通過軸承連接到扭軸，扭軸通過軸承連接到機(jī)體上。

為分析操縱系統(tǒng)的不平衡力，從操縱系統(tǒng)能量守恒的角度出發(fā)，得出系統(tǒng)內(nèi)各運(yùn)動(dòng)零部件的重心隨操縱桿運(yùn)動(dòng)角度的變化曲線。通過分析該曲線，得出線系不平衡力與操縱桿運(yùn)動(dòng)角度的關(guān)系，從而可以確定出合適的配重塊質(zhì)量和配重位置。

操縱線系總勢能變化量：

式中：mi為組成線系的各零部件質(zhì)量，Δhi為零部件Z坐標(biāo)變化量，g為重力加速度。

由能量守恒可知，配重塊總勢能變化量：

配重塊到扭軸轉(zhuǎn)動(dòng)中心線力矩：

式中：M是配重塊到扭軸轉(zhuǎn)動(dòng)中心線的力矩，G為配重塊所受重力，r為配重塊重心到轉(zhuǎn)動(dòng)軸心的連線長度，θ為操縱桿與扭軸垂線之間的角度，k為配重塊與操縱桿傳動(dòng)比，α為配重塊重心到轉(zhuǎn)動(dòng)軸心連線與周期桿的夾角，如圖1（c）所示。

配重塊總勢能變化量：

將式（3）帶入式（4）中可得，

由M和θ的關(guān)系可以得到配重塊質(zhì)量及安裝位置。

3 實(shí)例

以某型直升機(jī)操縱系統(tǒng)橫向通道為例，此通道為傳統(tǒng)機(jī)械液壓式操縱線系。首先建立系統(tǒng)DMU運(yùn)動(dòng)模型，并賦予各零部件質(zhì)量。

根據(jù)DMU運(yùn)動(dòng)模型，取得各零部件在運(yùn)動(dòng)過程中的重心坐標(biāo)，見表2。

取駕駛桿中立狀態(tài)為基準(zhǔn)零位，計(jì)算出各零部件重心坐標(biāo)變化量，見表3。

各零部件重力勢能變化量，見表4。

根據(jù)表4，繪制出“θ-ΔE1”關(guān)系曲線，如圖2所示。

由圖2可知，隨著操縱桿運(yùn)動(dòng)角度的變化，操縱系統(tǒng)線系重力勢能呈先增大后減小趨勢，在θ=-0.075 rad處取得最大值。因此無配重狀態(tài)下，操縱桿被放在-0.075 rad左側(cè)，則將倒向左側(cè);操縱桿被放在-0.075 rad右側(cè)，則將倒向右側(cè)。與實(shí)際經(jīng)驗(yàn)相符合。

將圖2中曲線公式代入式（7），可得到“θ-M”關(guān)系曲線，如圖3中“不平衡力”曲線所示。

由圖3可知，不平衡力矩相對(duì)操縱桿中立位置是不對(duì)稱的。當(dāng)配重質(zhì)量為3.5 kg，α為0.1 rad時(shí)，駕駛桿在全行程運(yùn)動(dòng)范圍內(nèi)不平衡力矩較小，滿足系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求。

夾角α有利于平衡不平衡力矩不是對(duì)桿中立位置完全對(duì)稱的情況。夾角α使配重力矩曲線平行移動(dòng)，左加右減，因此曲線與Y軸交點(diǎn)的正負(fù)與配重塊左右布置有關(guān)。

從操縱桿運(yùn)動(dòng)行程范圍局部看，夾角α使曲線上下移動(dòng)，如圖4所示，因此適當(dāng)加大夾角α可以增大配重作用，相應(yīng)減小配重塊重量。

4 結(jié)論

該文研究了能量守恒法在直升機(jī)操縱通道力矩平衡計(jì)算中的應(yīng)用。為分析操縱系統(tǒng)的不平衡力，從能量守恒的角度出發(fā)，得出系統(tǒng)內(nèi)各運(yùn)動(dòng)零部件的重心隨線系運(yùn)動(dòng)角度的變化曲線，通過分析該曲線以及配重塊與操縱桿的幾何關(guān)系，得出線系不平衡力與線系運(yùn)動(dòng)角度的關(guān)系，通過適當(dāng)調(diào)整夾角α大小從而可以確定出合適的配重設(shè)計(jì)方法。

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