越來(lái)越“聰明”的操縱系統(tǒng)

熊斯

操縱桿作為飛機(jī)操縱系統(tǒng)的關(guān)鍵部件之一，有時(shí)也稱(chēng)駕駛桿，它將飛行員與操縱系統(tǒng)聯(lián)系在一起，主要是為飛機(jī)飛行控制系統(tǒng)提供操縱指令，實(shí)現(xiàn)飛機(jī)的三軸控制。在飛行過(guò)程中，飛行員主要通過(guò)操縱桿/盤(pán)和腳蹬操縱升降舵、方向舵、副翼等，使飛機(jī)從一種狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榱硪环N狀態(tài)，以完成起飛、爬升、巡航、下降、進(jìn)近著陸等動(dòng)作。

從機(jī)械到電傳

早期飛機(jī)以機(jī)械操縱為主，操作方式較為簡(jiǎn)單。飛行員發(fā)出的操縱桿動(dòng)作通過(guò)桿、繩索和滑輪組等組件直接傳遞給執(zhí)行機(jī)構(gòu)，從而改變飛機(jī)的狀態(tài)。后來(lái)，隨著技術(shù)的發(fā)展，飛機(jī)設(shè)計(jì)得越來(lái)越大，飛行速度越來(lái)越快，機(jī)身結(jié)構(gòu)越來(lái)越重，風(fēng)阻也越來(lái)越大，這種需要靠飛行員體力來(lái)完成操縱的系統(tǒng)逐步退出了舞臺(tái)。

20世紀(jì)50年代起，飛行操縱系統(tǒng)以液壓助力的機(jī)械操縱為主，類(lèi)似千斤頂?shù)脑?，操縱桿動(dòng)作傳遞至液壓活塞，再推動(dòng)液體，另一端活塞接著去推動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)。這種操縱系統(tǒng)依然是通過(guò)機(jī)械方式實(shí)現(xiàn)的，還是需要飛行員能夠直觀地“看到”自己的動(dòng)作。

20世紀(jì)70年代以來(lái)，電傳操縱系統(tǒng)逐漸成為主流。采用了新系統(tǒng)后，操縱桿的動(dòng)作通過(guò)伺服機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)化為電信號(hào)，通過(guò)電纜傳輸至執(zhí)行機(jī)構(gòu)。這種方式不再需要飛行員“做大動(dòng)作，使大力氣”，節(jié)約了駕駛艙空間。當(dāng)然，也不是一開(kāi)始就是這樣的，空客公司早期的A300、A310飛機(jī)都還是中央桿/盤(pán)。到20世紀(jì)80年代，空客公司在A320飛機(jī)上率先采用電傳操縱技術(shù)，開(kāi)始采用側(cè)桿。

中央桿/盤(pán)與側(cè)桿

在設(shè)計(jì)布局上，中央桿/盤(pán)位于飛行員的兩腿之間，通過(guò)雙手操作前后運(yùn)動(dòng)，以實(shí)現(xiàn)對(duì)飛機(jī)狀態(tài)的調(diào)整和控制。側(cè)桿由彈簧和阻尼裝置組成，采用固定桿力曲線，飛行員可以通過(guò)前后左右移動(dòng)手柄控制飛機(jī)的俯仰、滾轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。

中央桿/盤(pán)還有一個(gè)特點(diǎn)是雙手操縱，可像汽車(chē)方向盤(pán)一樣繞轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)，飛行員可以根據(jù)自己的習(xí)慣使用左手或右手進(jìn)行操作。而側(cè)桿位于飛行員身體的一側(cè)，飛行員很難用另外一只手對(duì)其進(jìn)行操作，因此無(wú)法雙手交替操縱駕駛桿。

中央桿/盤(pán)的零部件比側(cè)桿要多，包括傳力鋼索、扭力桿、桿力機(jī)構(gòu)、伺服電機(jī)等，其重量與占用的空間一般是側(cè)桿的幾倍。中央桿/盤(pán)的安裝比較復(fù)雜，不便于拆卸，整個(gè)裝置大多只能在日常維修時(shí)更換，而側(cè)桿為獨(dú)立的可更換單元部件，可在20～30分鐘內(nèi)完成更換。中央桿/盤(pán)的接口比較復(fù)雜，可達(dá)性差，側(cè)桿相對(duì)簡(jiǎn)單，通過(guò)機(jī)械接口安裝在飛行員外側(cè)的操縱臺(tái)上，通過(guò)電氣接口與相關(guān)的設(shè)備進(jìn)行通信。側(cè)桿的信號(hào)形式簡(jiǎn)單，中央桿/盤(pán)的信號(hào)獨(dú)立性較強(qiáng)。

單個(gè)側(cè)桿與中央桿操縱類(lèi)似，同樣具有中央桿/盤(pán)所具有的桿力裝置，但因?yàn)榱Ρ鄱糖覇问植倏v，桿力特性會(huì)有所不同。需要說(shuō)明的是，中央桿/盤(pán)是聯(lián)動(dòng)的，任何一個(gè)人進(jìn)行操作的話，在另一個(gè)操縱桿上也會(huì)有同樣的位移量；側(cè)桿是獨(dú)立的，一個(gè)人操縱，另一個(gè)不會(huì)有變化，在兩個(gè)側(cè)桿上各有一個(gè)控制權(quán)按鈕，正副駕駛同時(shí)操作時(shí)，計(jì)算機(jī)把兩個(gè)人的操作量相加并不超過(guò)最大值。中央桿/盤(pán)和側(cè)桿的功能差異，導(dǎo)致了其相關(guān)屬性的要求不完全一致。因此，不同飛機(jī)對(duì)中央桿/盤(pán)、側(cè)桿的性質(zhì)要求是不同的。

中央桿/盤(pán)的飛機(jī)可以按照CCAR25部中25.143、25.145、25.147、25.171、25.173、25.175、25.177 等條款設(shè)計(jì)操穩(wěn)特性，而CCAR25部中沒(méi)有關(guān)于側(cè)桿的操穩(wěn)特性設(shè)計(jì)要求。利用行程較大的中央桿/盤(pán)實(shí)現(xiàn)姿態(tài)、軌跡的精確控制要比使用行程較小的側(cè)桿容易，因此側(cè)桿對(duì)控制律設(shè)計(jì)提出了更高的要求。

從被動(dòng)到主動(dòng)

由于操縱桿和飛機(jī)受控面之間不存在直接的機(jī)械連接，飛行員操縱時(shí)無(wú)法直接感受到飛機(jī)受控運(yùn)動(dòng)后的反作用力，使飛行員“感覺(jué)匱乏”，可能會(huì)造成操縱過(guò)快、過(guò)量或難以及時(shí)做出修正。為了彌補(bǔ)“感覺(jué)匱乏”的不足，近年來(lái)，隨著伺服控制技術(shù)的成熟，業(yè)界開(kāi)始了對(duì)主動(dòng)側(cè)桿技術(shù)的研究。

具體來(lái)看，主動(dòng)側(cè)桿能夠根據(jù)不同的飛行環(huán)境和要求，調(diào)整操縱桿的力位移特性，從而獲得良好的操縱性能。此外，還能通過(guò)驅(qū)動(dòng)裝置，實(shí)現(xiàn)可變的桿力曲線，并能夠反驅(qū)駕駛桿運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)正副駕駛的聯(lián)動(dòng)。

目前，還沒(méi)有主動(dòng)側(cè)桿在商用飛機(jī)上應(yīng)用的案例，主要的研究集中在地面試驗(yàn)或直升機(jī)、戰(zhàn)斗機(jī)應(yīng)用方面，如BAE公司在F-35戰(zhàn)斗機(jī)、JAS-39戰(zhàn)斗機(jī)、UH-60直升機(jī)、CH-53直升機(jī)等飛機(jī)上使用主動(dòng)側(cè)桿。灣流G500和G600公務(wù)機(jī)也使用了主動(dòng)側(cè)桿技術(shù)。值得關(guān)注的是，美國(guó)聯(lián)合技術(shù)航空航天系統(tǒng)公司為MS-21提供了主動(dòng)側(cè)桿，該主動(dòng)側(cè)桿已在法國(guó)菲雅克的模擬器上完成了地面試驗(yàn)。如一切順利，MS-21將有可能成為世界上第一種采用主動(dòng)側(cè)桿控制技術(shù)的商用飛機(jī)。

在現(xiàn)役的空客飛機(jī)上，被動(dòng)側(cè)桿技術(shù)得到了廣泛的飛行驗(yàn)證。相較被動(dòng)側(cè)桿，主動(dòng)側(cè)桿增加了復(fù)雜性。當(dāng)飛行員操縱主動(dòng)側(cè)桿時(shí)，作用力被力傳感器測(cè)量，由伺服電機(jī)的控制器將測(cè)量到的力信號(hào)轉(zhuǎn)換成位置指令（根據(jù)飛行狀態(tài)的不同），驅(qū)動(dòng)伺服電機(jī)帶動(dòng)手柄運(yùn)動(dòng)到某一位置，同時(shí)，伺服電機(jī)控制器需要接受來(lái)自于飛控計(jì)算機(jī)的指令，用于確定側(cè)桿控制的桿力梯度、硬限制等。

主動(dòng)側(cè)桿可實(shí)現(xiàn)左右駕駛的電氣耦合聯(lián)動(dòng)，自動(dòng)駕駛儀在操縱飛機(jī)時(shí)，側(cè)桿也跟隨移動(dòng)，這與傳統(tǒng)的中央桿/盤(pán)左右聯(lián)動(dòng)操縱模式相似。主動(dòng)側(cè)桿不僅和被動(dòng)側(cè)桿一樣，具有視覺(jué)通知機(jī)組操作權(quán)限及提示音通知機(jī)組兩個(gè)人在同時(shí)操縱飛機(jī)外，還可以通過(guò)可變梯度實(shí)現(xiàn)左右聯(lián)動(dòng)功能。

另外，與被動(dòng)側(cè)桿依靠彈簧提供固定梯度的力感不同，主動(dòng)側(cè)桿可以接收飛機(jī)響應(yīng)的反饋信息。主動(dòng)側(cè)桿引入了力反饋?zhàn)鲃?dòng)器，通過(guò)作動(dòng)器將這些反饋信息以反作用力的形式施加到操縱桿上，以便飛行員能更真實(shí)地感受飛機(jī)狀態(tài)。與此同時(shí)，主動(dòng)側(cè)桿也面臨著力反饋?zhàn)鲃?dòng)器可能出現(xiàn)問(wèn)題的風(fēng)險(xiǎn)，例如卡阻、失控和非指令運(yùn)動(dòng)引起飛機(jī)急偏等。