让飞机自己飞

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所属分类:百科知识2015年

操纵系统在飞机的飞行中起着至关重要的作用,没有操纵系统,飞机将不受人为控制,当然也就无法完成各种飞行动作。事实上,无论是有人驾驶飞机,还是无人驾驶飞机,都具有完整、有效和可靠的操纵系统,其功用就是用来传递操纵指令、偏转舵面,使飞机改变或保持一定的飞行状态。
  很多影视作品中都有这样的镜头:机长操纵飞机起飞到一定高度后,开启自动驾驶仪,接着便在驾驶舱内悠闲地品着咖啡,和副机长聊天……看到这里,读者肯定会问,当飞行员也太悠闲了吧?既然飞机的自动驾驶系统那么神奇,还要飞行员干嘛?
  这里,就让我们来一起追溯飞机操纵与自动驾驶的发展历程,并在其中寻找上述问题的答案。

操控飞机:从摆身体到用机械

  航空史上,在莱特兄弟之前,德国工程师和滑翔飞行家李林塔尔的名字无疑是最伟大的;他是首位通过“摆动身体”实现飞行操控的人。李林塔尔在航空史上被誉为“滑翔机之父”,其最大贡献就是最早成功研制了滑翔机。
  试飞中,李林塔尔用双臂将自己支撑在滑翔机内,顺着山坡一路狂奔;滑翔机起飞后,他的臀部和腿悬挂在滑翔机外,以便能向任何方向摆动身体,从而保持飞机的稳定性并调整飞行姿态。1895年,李林塔尔甚至专门研制了一种用来操纵后升降舵的背带,用于提高身体摆动的效率,方便改变滑翔机的重心,操纵飞机的升降。
  在一次试飞中,李林塔尔不幸遇难,但他的飞行经验直接促成了莱特兄弟的成功。1903年,莱特兄弟的“飞行者”1号一飞冲天,开启了航空史的新纪元。莱特兄弟的成就无疑是巨大的,其最伟大的贡献之一,就在于开发了固定翼飞机的操纵系统。在“飞行者”1号中,莱特兄弟不再通过“摆动身体”来操控飞机。他们在研究当时的飞行器操纵理论时,无意间扭曲了自家自行车店内的一个光柱箱,结果发现,柔性的光柱箱发生了扭曲变形。于是,他们灵机一动,将自己的飞机也设计成柔性机翼,并加装可偏转的舵面。这样一来,飞行员可以通过操纵钢索改变飞机的气动性能和飞行姿态。这一结果对于解决可控飞行而言,是一个全新的开始。
  飞机的“三轴控制”是莱特兄弟在成功之路上至关重要的突破性发明,飞行员因此可以更高效地操纵飞行器并保持平衡。所谓“三轴”,是指飞机的俯仰、横滚以及航向等3个方向上的运动;“三轴控制”是指利用飞机的升降舵、副翼(由莱特兄弟飞机机翼的挠曲演化而来)、方向舵等舵面分别操纵飞机的俯仰、横滚和航向。
  包括“飞行者”1号在内的早期飞机,由于尺寸较小,飞行速度也不快,操纵系统相对简单,大多采用钢索、滑轮传动等所谓软式机械来操纵舵面的偏转,改变飞行姿态。软式机械操纵系统具有结构简单、尺寸小、重量轻等优点;但同时也存在着易变形、操纵灵敏度差等不足。为此,人们在软式机械操纵的基础上发展出了硬式机械操纵,即用拉杆、摇臂代替钢索、滑轮,从而减小了操纵的延迟时间,提高了操纵的灵敏度、精确度和可靠性。至今,这种硬式机械操纵系统仍在许多小型运动飞机、老款战斗机中广泛应用。

助力操纵系统:从有回力到无回力

  随着航空业的发展,飞行器的尺寸和重量不断增大,飞行速度不断提高,舵面上形成的气动力越来越大,操纵飞机所需要的力量也随之增大,直接通过钢索或连杆操纵舵面变得十分困难。于是,在20世纪40年代末,出现了助力操纵系统。
  和先前纯机械系统相比,助力操纵系统的最大变化是加入了助力器。助力器可将操纵杆力放大,大大减小飞行员的驾驶负担。所谓助力器,顾名思义,实际上就是一个力的放大装置,输入的力可以很小,却能够得到较大的输出力。飞机上最常见的助力器为液压助力器,其原理类似于我们日常生活中所见的液压千斤顶,有“四两拨千斤”的作用。
  飞机上早期的助力操纵系统大多采用“有回力式的助力器”——舵面气动力通过助力系统按一定比例传回驾驶杆,形成飞行员感受到的杆力。苏联的米格-17是较早采用有回力式助力器的机种之一,该机于1949年完成首飞,其机动性能优越,一度受到市场热捧,总产量高达9000余架。9000架可不是个小数目,要知道,中国产量最大的歼-6飞机,其各型的总产量加起来也仅为4000余架。
  随着飞行速度的进一步增大,特别是达到超音速以后,飞机的飞行速度和高度变化范围很大,作用在舵面上的气动力变化幅度也随之大大增加,有时甚至可达到十几倍。这种情况下,气动力无论以什么比例传到驾驶杆,都会超出飞行员的生理承受极限,导致飞机难以操纵,加大了飞行隐患。正是由于该原因,苏联在米格-17基础上发展米格-19战机时,彻底放弃了米格-17 的“有回力助力”操纵系统。

这一问题到底怎样来解决呢?

  原来,第二次世界大战后不久,很多飞机便开始采用一种所谓的“无回力式助力系统”。这种系统的设计初衷很简单:驾驶杆不再与舵面发生直接的机械连接,舵面气动力也就不会传回驾驶杆。但新的问题又出现了:飞行员操纵过程中失去了对受力的感知性,没办法根据操纵力的变化准确操纵飞机。
  为了解决这个问题,后来的无回力助力系统中增加了一套载荷感知机构。这套载荷感知机构实际上相当于一种特殊的弹簧组;它模拟杆力,可使飞行员按照正常习惯操控飞机。
  目前,无回力助力系统仍在很多机型中被广泛采用,如我国的支线客机ARJ21、早期的波音737飞机以及苏联的米格-27战机等。

李林塔尔和他的滑翔机

控制增稳系统:既稳定又好操控

评价一款飞机好坏的标准之一是操纵品质,即这个飞机好不好飞。随着飞行速度和飞行高度的增加,飞机的空气动力特性变化极大,其稳定性和操纵品质因此受到很大影响。譬如,二战中,飞行员常常发现,高速高空飞行,尤其是在高空超音速飞行时,飞机的气动中心位置会发生较大变化,飞机会自动“低头”;再如,飞机在高空高速飞行时,稳定性会显著变差,容易产生俯仰振荡和横向飘摆等现象,导致操纵性变差……
  20世纪四五十年代,为了减轻飞行员的负担,提高飞行品质,人们在无回力助力操纵系统中加装了自动增稳装置,出现了所谓的增稳系统。增稳系统通过传感器获知飞机的振动,不断修正飞机姿态,大大提高了飞机的稳定性,改善飞机的操纵性。增稳系统可以保持飞机平直飞行,故而从这个意义上讲,它已属于一种三轴稳定的简易自动驾驶仪了。
  1947 年,美国一架安装有增稳系统的C-54 运输机成功完成了从纽芬兰起飞到英国布莱兹诺顿的全自动飞行。该飞行轰动一时,成为早期自动驾驶的典范。值得注意的是,此时的增稳系统与机械操纵机构之间仍是相对独立的。也就是说,它既能在相对平稳飞行时自动操纵飞机,又不妨碍飞行员的自主操纵。

F-16战斗机

  加装了增稳系统以后,飞行的稳定性显著提升。与此同时,飞机的操纵性却有所下降,变得“反应迟钝”。为了克服这一缺点,在20世纪60年代,出现了所谓的控制增稳系统,即在增稳系统基础上引入一个“增控通道”,以提高飞机的可操纵性,改善飞行品质。
  使用控制增稳系统后,飞机变得既稳定又利于灵活操控。这对于提高战斗机在攻击时的跟踪和瞄准精度来说,无疑是极其有利的。在控制增稳系统发展过程中,基于增稳系统的三轴增稳自动驾驶仪也理所当然地发展成为飞行自动控制系统。
  美式PB-20D自动驾驶仪是早期飞行自动控制系统的代表之作,曾安装于20世纪六七十年代显赫一时的三叉戟客机上。应用了PB-20D自动驾驶仪与仪表盲目着陆系统的三叉戟客机,不仅可以实现自动驾驶,还可以自动着陆。

电传系统:更安全 更轻盈

  尽管带有控制增稳系统的飞机,其稳定性和操纵性好于之前的任何一款飞机,但由于控制增稳系统是在无回力助力操纵系统的基础上形成的,归根结底,本质上还是属于机械操纵系统的范畴,这就使得控制增稳系统存在着诸多缺陷。譬如,由于保留了机械操纵部分,控制增稳系统不仅结构复杂,而且结构重量和所占空间较大;再如,由于机械操纵部分和助力器相连,机械操纵部件上的力有时会强烈地反向传回驾驶杆,出现“杆力反传” 现象,严重时,驾驶杆甚至会出现莫名的抖动……
  20世纪60年代中期,随着计算机、现代控制理论的发展以及余度技术的日趋成熟,制造机用高可靠性的电传操纵系统成为了可能。
  电传操纵系统是将飞行员的操纵信号变换成电信号,并通过电缆直接传输到舵面。这种系统是在控制增稳系统的基础上发展起来的,去掉了传统操纵系统中布满飞机内部的机械传动装置和液压管路,用电信号取代原有的机械信号。
  为降低系统失效概率,电传操纵系统通常会采用余度技术。所谓余度技术,就是用几套可靠性不够高的系统执行同一指令、完成同一工作,构成多重系统,也称余度系统。在余度系统中,一旦某部分出现故障,系统本身仍具有重新组织余下完好部分执行指令、完成任务的能力,飞机的可靠性自然可以显著提高。
  作为美国第三代战机的经典之作,F-16战斗机是世界上现役飞机中第一款具有电传操纵系统的飞机,它采用的就是余度模拟式的电传操纵系统。这一系统适度降低了飞机的俯仰稳定度,以换取更大的机动性;飞机在三轴方向上同时实施控制增稳,提供了精确控制和极好的操纵品质;采用余度技术的飞机,安全性和完成任务的成功概率很高;能自动限制机头迎角等姿态参数,飞行员可以“无顾忌”地发挥飞机的最大能力。
  电传操纵系统可分为模拟式和数字式电传操纵系统;后者具有更高的灵活性,容易实现各种运算和电子综合化,特别是可以与自动驾驶仪、导航系统、推力控制等交联,明显提升飞机的飞行性能。因此,数字式电传操纵系统已成为飞机电传操纵系统的主流发展方向。目前,美国的F-18战斗机以及空客A320等都采用了这种数字式电传操纵系统。
  电传操纵系统除了采用余度技术获得了较高的可靠性外,还具有许多其他优点。譬如,由于使用导线代替了机械传动的传动杆、钢索等,在减轻系统结构重量的同时,也节约了空间;其安装和维护更方便,布局设计也更加灵活;再如,由于消除了机械操纵系统的摩擦、滞后等现象,飞机的操纵性得到改善,杜绝了机械操纵系统易弯曲、受热膨胀变形等问题。还有,就是电传操纵系统为飞行员提供了微调控制能力,使操纵精度大大提高。
  总之,电传系统简化了操纵系统与电子设备的组合,使自动化飞行很容易实现,为现代飞机自动驾驶仪的发展创造了极为有利的条件。

飞行员可以下课吗?

  自动驾驶系统是一种通过飞行员操作设定,或者由导航设备接收地面导航信号,来自动控制飞行器完成三轴动作的装置。
  现代飞机的自动驾驶系统和电传操纵系统往往是集成在一起的。不同型号的飞机所装备的自动驾驶仪可能会有一些差别,但大体相似。目前,空客320、波音737等系列飞机均装有先进的数字飞行自动控制系统。它们从起飞达到一定的高度之后,如无特殊情况飞行过程都可以使用自动驾驶模式;而且,飞机会自动优选最佳飞行航线。这期间,自动驾驶仪由飞行管理计算机系统来控制。于是,就出现了文章开头所描述的情景。

自动驾驶舱

  最后,还是让我们来回答一下文章开始提出的问题:既然飞机可以采用自动驾驶模式,那还要飞行员干嘛?答案是:自动驾驶仪的确可以操纵飞机,但自动驾驶仪依然需要由人来操纵。
  首先,尽管自动驾驶仪有垂直导航、高度层改变、高度保持、水平导航等工作方式,但仍需要飞行员事先进行设置。其次,飞行中如果遇到积雨云,气象雷达显示红区,飞行员就要手动操纵飞机绕过去。第三,飞行员还有一个工作,就是每到一个管制区,要调节通讯设备的频率,与当地管制员联系,并按照管制员指令操纵飞机。第四,飞机着陆时,一般需要手动着陆,因为自动着陆要求的条件很高。最后,飞行员还要监控发动机参数和各种仪表,确保其在正常状态下工作,这是贯穿整个飞行过程的;一旦有突发状况,机长必须立即人工介入,并断开自动驾驶仪。
  总之,即便有了自动驾驶系统,载人飞机通常也是需要飞行员的。毕竟,这些年,由于自动驾驶仪故障而发生的空难先例还真不少。
  【责任编辑】赵 菲
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