浅谈电传操纵系统

浅谈电传操纵系统

杨杰文

陕西飞机工业集团有限公司     陕西汉中    723200

摘要：自飞行器诞生以来，人类就是通过操纵位于飞机不同部位的气动操纵面改变作用于飞机上的空气动力和力矩，来实现不同的飞行任务。电传操纵系统是飞机操纵系统的一次革命，是随着飞机飞行控制技术的不断提高以及科学技术的发展而逐渐发展起来的。本文将从电传操纵系统发展历程、电传操纵系统的组成、电传操纵系统的优点及存在的问题几方面阐述了电传操纵系统发展组成及特点。

关键词：操纵系统 余度技术   操纵性能

一般情况下，飞行员都是操纵驾驶杆，通过钢索（或杆件）操纵气动舵面偏转来驾驶飞机的，随着电子技术的发展和飞机性能的不断提高，飞机的操纵系统也发生了巨大的变化，传统的操纵杆系和钢索已被电线所取代，即飞行员操纵微型操纵杆，经杆上的传感器发出电指令信号，通过电缆传输到信号处理器后再控制舵机，推动气动舵面偏转来驾驶飞机。电传操纵去掉了传统的机械操纵装置，以及与舵机之间相当复杂的机械联动装置，是一种新型的操纵系统。

一、电传操纵系统发展历程

自第二次世界大战后就出现了全助力操纵系统。在这种系统中，操纵钢索从驾驶杆直接连到作动器的伺服阀上，不再与操纵面发生直接机械联系。在全助力操纵系统中，不再必须需要驾驶员的体力去改变舵面状态，但驾驶员无法直观地感受到飞机所处的状态，因此，还必须借助一些力的反馈装置来提供人工杆力，这种人工杆力虽然在移动操纵面时不需要，但在操纵飞机时给驾驶员提供适当的操纵品质还是必要的。

随着飞机尺寸的继续增大和性能的进一步提高，增加稳定性、帮助驾驶员操纵变得十分迫切。于是，从全助力操纵系统又发展到增稳系统，如偏航增稳系统、俯仰增稳系统和横滚增稳系统。虽然增稳系统可以增大阻尼、增大飞机的静稳定性，但在一定程度上却削弱了飞机操纵反应的灵敏度。为了克服这个缺点，在增稳系统的基础上又增加了一个指令模型，借助于载荷传感器或位移传感器，将驾驶杆或脚蹬的输出信号转换成电信号输出，经过指令模型，绕过机械系统，与增稳反馈信号进行综合，这就是所谓的控制增稳系统。这样的设计不但可以减少飞机所受的扰动，并且飞机仍然有较好的机动性能。

二、电传操纵系统的组成

    电传操纵系统主要由驾驶杆或脚蹬、传感器、前置放大器（包括指令模型）、机载计算机和伺服控制机构（执行机构）等部件组成。把驾驶员发出的操纵指令变换成电信号，与飞机运动传感器返回来的信号综合比较，其误差信号经计算机处理放大，通过电缆或导线输出一个操纵舵面的指令信号给作动器，使舵面偏转，而对飞机进行全权限操纵的一种人工飞行操纵系统。当飞机运动参数达到驾驶员希望的操纵数值时，则舵面停止偏转（因误差趋于零），使输出信号与杆力传感器（或杆位移传感器）的电信号指令相比较而形成新的误差信号，以此操纵舵面偏转，使飞机自动地回复到原运动状态。

三、电传操纵系统的特点

传统的机械操纵系统存在许多缺点，如重量大、体积大、存在非线性（摩擦、间隙、弹性变形）、机构复杂等。如某飞机的机械操纵系统，铰支点就有114个，每个铰支点都是一个摩擦源和可能的故障源。但机械操纵系统也有一个非常大的优点，就是可靠性较高。而电传操纵系统的优缺点大体上与机械操纵系统相反，尤其是单通道电传操纵系统的可靠性远不如机械操纵系统，但采用余度配置技术后，电传操纵系统的可靠性就可大大提高。

1. 余度配置技术

从工程实际来说，机械操纵装置的可靠性比单套电传操纵好。在没有机械操纵装置的情况下，使用电传操纵时，飞行控制系统的可靠性应不降低，而且还应更高。飞行控制系统一旦发生故障就会导致严重后果，甚至飞机毁损。目前，一般要求飞机飞行10h才允许出一次故障。电传操纵要达到高可靠性，目前主要措施是采用余度配置技术。余度配置技术是指在同一架飞机上采用完全相同（或相似）的几套装置，通过计算机软件把它们组合在一起。例如，三（四）余度电传操纵系统就是在飞机上装有三套（四套）相同（或相似）的装置。统计资料表明，这种余度配置的电传操纵系统的构成方案，可靠性可达到或超过机械操纵系统。

对四余度配置的情形，当四套系统工作都正常时，飞行员操纵微型驾驶杆产生四个同样电指令信号，分别输送到相应的信号处理器和舵机（执行装置），四个舵机通过机械装置经输出综合器协调地偏转气动舵面，操纵飞机作相应飞行运动。如果某个通道出现故障，那么四个信号就有一个是故障信号。

2．电传操纵系统的优点

（1）微电子技术和计算机科学的发展，可靠性理论和余度技术的建立为电传操纵系统奠定了坚实的基础，飞机操稳特性得到根本改善且发生质的变化，它不仅改善了飞机的稳定性、操纵性，而且还改善了飞机的机动性。

（2）电传操纵系统结构简单，体积小，质量轻，便于安装和维修，可使飞机体积减少原机械操纵系统所占有空间的50%。，而且有效减轻了飞机重量。

（3）节省设计和安装时间。对于大型飞机来说，每架飞机仅生产工时就可节约5000h左右。

（4）电传操纵系统可以提高作战飞机的战斗生存力。因为电传操纵系统采用多余度技术，总线可在机翼和机身内分散布置。

（5）电操纵系统取消了摇臂、连杆、滑轮和钢索等机械装置，消除了传动中的摩擦，间隙、滞后等非线性因素及飞机结构变形的影响，显著改善了飞机的操纵品质。

（6）简化了主操纵系统与自动驾驶仪的组合关系。由于电气组合简单化，使电传操纵系统与战术武器投放系统、自动跟踪系统、自动着陆系统等自动控制系统的结合变得方便，且易于实现。

（7）电传操纵系统驾驶杆有时可用侧杆代替。由于侧杆操纵器具有重量轻、空间尺寸小的特点，可减轻驾驶员的工作负担，也改善了驾驶员观察仪表的视线。

（8）由于使用电缆传送电信号，方便与飞机上的其他系统相互沟通和进行综合处理，互相沟通，因此，电传操纵不是简单地用电信号传递代替机械传动，而是把飞机的操纵与实现高性能的飞行控制结合起来，从而使飞机达到更高的飞行性能。

3．电传操纵系统存在的问题

（1）单通道电传操纵系统的可靠性不够高。由于单通道电传操纵系统中的电子器件质量及设计方面的因素，使得单通道系统的可靠性不够高。为了提高电传操纵系统的可靠性，目前均采用三余度或四余度电传操纵系统，所以，需要进一步简化余度和降低各部件的成本。

（2）电传操纵系统的成本较高。就单套系统来说，电传操纵系统的成本低于机械操纵系统，但电传操纵系统必须用余度系统才能可靠工作，所以电传操作系统的总体成本就提高了。

（3）电传操纵系统需要解决雷击和电磁脉冲干扰的损害。由于电传操纵系统抵抗雷击和电磁脉冲干扰的能力较差，现代飞机越来越多地采用了复合材料，其使用率可达30％左右。这样，系统中的电子元件就失去了飞机金属蒙皮的屏蔽保护，故抗电磁干扰和抗核辐射的问题更为突出。目前，解决这些问题的唯一办法是采用光纤作为传输线路。因为光纤是介质材料，不向外辐射能量；不存在金属导线所固有的地环流及由此产生的瞬间扰动；对核辐射电磁干扰不敏感；可以隔离通道之间故障的影响；光纤系统传输容量大，一根光纤就能传输视频、高频及数据信息。由于光纤技术和数字式电传操纵系统的发展，出现了光传操纵系统。从功能来讲，光传操纵系统就是应用光纤技术实现信号传递的操纵系统。当然，这种系统还存在强度、成本、地面环境试验问题及光纤维和飞机结构组合等问题有待进一步解决。

飞机制造历经了航空百年的洗礼，飞行操纵系统发生了脱胎换骨的变化，电传操纵系统的可靠性比传统的机械式飞行控制系统要可靠很多，相信，随着电传操纵系统的不断研究与运用，未来我国电操纵系统会越来越完善。

参考文献

[1]曹建华 白冰如.飞机构造[M].国防工业出版社，2020