民用客機乘坐品質控制技術分析

摘 要：現代民用客機普遍采用電傳操縱系統，通常具有多項主動控制功能，包括乘坐品質控制和陣風載荷減緩等。乘坐品質控制主要用于改善飛機的乘坐品質，而陣風載荷減緩則主要在于減輕飛機的載荷。首先，對比乘坐品質控制和陣風載荷減緩這兩種主動控制技術，從縱向和側向兩個方向展開，分析它們的控制目標和基本機理，探究其中的共同點和不同點；其次，列舉成熟使用這些主動控制技術的商業運營客機；最后，提出窄體民用客機乘坐品質控制方面的一些問題。

關鍵詞：飛機 電傳 主動控制技術 乘坐品質控制 陣風載荷減緩

中圖分類號：V27 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2015）08（b）-0130-02

民用客機在空中飛行時，通常會遭遇到各種類型的大氣擾動，從而出現上下顛簸、左右搖擺的不期望運動。氣流變化引起的力和力矩變化會給飛機帶來附加的、不希望的過載，使其乘坐品質明顯地降低，機翼結構疲勞損傷加劇。為抑制大氣干擾造成的不利影響，引入了乘坐品質控制和陣風載荷減緩兩種技術。

顧名思義，乘坐品質控制（Riding Control，RC）在于提高飛機在風擾下的乘坐舒適性；而陣風載荷減緩（Gust Load Alleviation，GLA）在于減小飛機受風擾時的承受載荷。

該文分別從縱向和側向分析了乘坐品質控制和陣風載荷減緩這兩項技術的控制目標和控制機理，提出了乘坐品質控制研究的一些需要關注問題。研究結果可供民用客機主動控制技術研究時參考。

1 乘坐品質控制和陣風載荷減緩技術對比

1.1 縱向

對于縱向而言，乘坐品質控制與陣風載荷減緩的對比。（見表1）

它們的基本原理是一樣的，都是通過操縱額外的主動控制舵面偏轉，來控制飛機的過載。乘坐品質控制通過主動控制技術來減小沿飛機機身分布的附加過載，從而提高機上乘員在大氣擾動下的舒適性；而陣風載荷減緩則利用主動控制技術來減小大氣擾動引起的沿飛機翼展分布的附加過載，從而減小機翼彎矩并減小結構載荷。

針對正、負過載兩種情況，乘坐品質控制均可削弱飛機的過載響應，并提高乘坐舒適性，但是在負過載情況下反而會增大翼根彎矩。解釋如下：主動控制舵面通常是副翼（如Airbus320飛機），當法向過載小于1時，此時為負過載情況，要求副翼下偏產生升力來增加法向過載，那么單側機翼升力作用點外移，力臂增大，雖然整體升力仍可能小于配平升力，但力臂增大的作用更強，因此機翼翼根彎矩有所增加。對于陣風載荷減緩，由于正過載造成了機翼翼根彎矩的增加，而負過載未引起翼根彎矩的增加，因此其只針對正過載情況（如Airbus320飛機的縱向陣風載荷減緩功能只處理上升突風情況），那么它可減小正過載時的翼根彎矩和改善此時的乘坐品質。

另外，上述二種控制的目標和關注點是不同的：乘坐品質控制是以減小飛機沿機身不同處的過載為控制目標，即關注乘員的受載感受，主要用于減小風擾條件下的機上所有乘員受到的過載；陣風載荷減緩則是以降低飛機機翼，特別是翼根處的載荷為控制目標，即從減小機翼結構受載的角度出發，主要用于減小風擾時的機翼彎曲力矩。

綜上，乘坐品質控制可全面提高飛機的乘坐舒適性，但會增大負過載時的翼根彎矩，控制設計與應用相對復雜，使用成本相對較高；陣風載荷減緩技術可減小翼根彎矩，部分提高飛機的乘坐舒適性，且控制設計與應用簡單，使用成本較低。因此，現役成熟民用客機在縱向多采用了陣風載荷減緩飛行控制技術。

1.2 側向

對于側向而言，主動控制舵面通常是方向舵（如Boeing777飛機），當遭遇右側風（即負過載情況），為減小尾部正向角加速度引起的負過載和垂尾載荷，都要求方向舵左偏；正過載情況類似。

由此可以推斷，乘坐品質控制和陣風載荷減緩對于正、負過載情況的處理（方向舵偏轉指令）都是一致的。兩者的功能特點也類似——減小結構載荷和改善乘坐品質，只是控制目標和關注點不同：乘坐品質控制側重于改善乘坐品質，而陣風載荷減緩側重于減小結構載荷。

現役成熟民用客機在側向普遍采用了陣風載荷減緩飛行控制技術，這主要可能是在飛機設計時更多地考慮其經濟性，以減小整機結構重量為主要目標。當然，該技術也在一定程度上改善了飛機的側向乘坐品質。

1.3 應用實例

如表2所示，兩大民用航空制造巨頭——空中客車公司和波音公司已成熟地將陣風載荷減緩技術分別應用于Airbus320系列和Boeing777系列飛機，前者采用了縱向陣風載荷減緩系統[1]，后者除具有縱向陣風減緩控制功能外，還設計有側向突風阻尼器[2-3]。文獻[4]提及空中客車公司的最新運營機型Airbus380也實現了陣風載荷減緩技術的應用，但具體的控制原理不詳，在此不作介紹。波音公司最新投入運營的Boeing787中型飛機既有垂直陣風抑制功能（Vertical Gust Suppression）又有側向陣風抑制功能（Lateral Gust Suppression）[5-6]，它通過大量布置的傳感器、加速度計等檢測紊流干擾下的響應來驅使升降舵、副翼和方向舵等操縱面偏轉，足以抵抗中等紊流的干擾（見圖1），使乘客獲得能與Boeing747和Airbus380等大型飛機相媲美、甚至超越這些大型飛機的飛行體驗。

國外的先進民用客機制造商相當重視這一主動控制技術的應用。盡管乘坐品質控制和陣風載荷減緩的目的不一樣，但是，它們的技術原理和功能有所類似，都可消除飛機由于大氣擾動所引起的附加過載，所以兩者是密不可分的。在一些研究和應用中，將乘坐品質控制歸屬于陣風載荷減緩的功能之內，或者說飛機同時具有這二項功能，如Airbus320/380、Boeing777/787飛機的陣風載荷減緩系統也具有改善乘坐舒適性的作用。

2 乘坐品質控制研究問題

民用客機在高空巡航飛行時常常會遭遇到異常的大氣擾動，產生不希望的過載變化，由此降低駕駛員和乘客的乘坐舒適性。因此，需要研究解決民用客機的乘坐品質控制問題。

首先，飛機是一個龐大的結構體，具有一定的彈性，其在空中飛行時受外載荷的作用要產生一定的變形，開展窄體客機的乘坐品質控制設計研究時采用剛性模型還是彈性模型是必須首先研究確定的。

其次，根據已有研究資料，窄體客機在風擾時的過載響應特性、乘坐品質尚不明確，是否必須采用乘坐品質控制技術也是一個亟待論證的問題。

再次，窄體客機在縱向和側向分別采用何種控制方案是需要深入研究解決的又一個問題。

最后，現有參考資料表明，Airbus320飛機由于其擾流板和僅上偏的副翼只具有卸載升力的作用，只能處理上升突風引起的法向過載增加問題，因此窄體客機縱向乘坐品質控制功能采用什么控制面來應對能夠產生上升、下降載荷的垂直紊流，也是需要解決的一個問題。

3 結論

通過以上的對比分析，可以得出以下結論。

（1）乘坐品質控制側重于改善飛機的乘坐品質；

（2）陣風載荷減緩側重于減小飛機的結構載荷；

（3）民用客機乘坐品質控制研究中需要解決飛機的運動模型、應用必要性以及控制設計原理等問題。

參考文獻

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