淺談直升機飛行操縱及控制系統(tǒng)

徐瓊瓊

摘要 直升機飛行操縱系統(tǒng)和飛行控制系統(tǒng)是直升機上重要的兩個系統(tǒng)，直升機由于其獨特的飛行方式，導(dǎo)致它的操縱方式與固定翼飛機完全不同，直升機飛行控制系統(tǒng)是在飛行操縱系統(tǒng)的基礎(chǔ)上通過加裝輔助舵機，提高全機的穩(wěn)定性和操縱性；直升機旋翼的特點決定了直升機具有強耦合，弱穩(wěn)定的等特性，這也給飛行操縱及控制系統(tǒng)的設(shè)計提出了很高的要求。本文簡單描述了直升機飛行操縱及控制系統(tǒng)的特點，以及兩者之間的交聯(lián)設(shè)計特點及其應(yīng)用。

關(guān)鍵詞 直升機；飛行操縱；飛行控制；交聯(lián)設(shè)計

中圖分類號 V2

文獻標識碼 A

文章編號2095-6363（2015）10-0025-02

1 直升機概述

直升機能夠垂直起降，能在空中向前、后、左、右各個方向任意運動，并且還能在一定高度保持懸停，對起落場地質(zhì)量要求也不高。上述這些特點，使它日益廣泛地運用于軍事和民用的各個方面。直升機不僅在國民經(jīng)濟各個部門（如農(nóng)牧漁業(yè)、地質(zhì)、石油、交通、電力和公安等）用作交通運輸、施肥滅蟲、地質(zhì)勘探、海上石油開采、消防滅火、應(yīng)急救生、吊裝巡線、城市治安、海關(guān)緝私等任務(wù)，而且在軍事上用作通信聯(lián)絡(luò)、邊境巡邏、炮兵觀測、后勤支援、戰(zhàn)地救護、襲擊登陸等任務(wù)，武裝直升機還可執(zhí)行對地火力支援、攻擊地面目標、反坦克、反潛艇、布雷和掃雷、以及與敵方武裝直升機進行空戰(zhàn)等任務(wù)。

按結(jié)構(gòu)型式，可分為如下幾種。

1）單旋翼帶尾槳直升機。這種直升機的旋翼反作用扭矩靠尾槳推力來平衡。優(yōu)點是構(gòu)造簡單、操縱系統(tǒng)簡單、成本較低。缺點是尾槳造成功率損失，重心定位范圍窄，尾部長，尺寸大。直8、直9均為此種型式。

2）共軸式雙旋翼直升機。兩副旋轉(zhuǎn)方向相反的旋翼安裝在一根軸上，旋翼的反作用扭矩互相平衡。共軸式直升機由于機身短，外形好，因而正面阻力小，而且外廓尺寸也小。缺點是操縱系統(tǒng)及傳動機構(gòu)復(fù)雜，旋翼有相互干擾，方向穩(wěn)定性不夠。代表機種如前蘇聯(lián)的卡-28。

3）縱列式雙旋翼直升機。這種型式的直升機的兩個旋翼分別安裝在機身前后端。后面的旋翼通常高于前面旋翼的旋轉(zhuǎn)平面。這種型式的優(yōu)點是縱向穩(wěn)定性好，重心定位范圍廣，重量效率高，機身有效容積大，但是傳動系統(tǒng)復(fù)雜，平飛時誘導(dǎo)損失大，利用旋翼自轉(zhuǎn)進行滑翔降落困難。代表機種為美國的CH-47型直升機。

4）橫列式雙旋翼直升機。它有兩個位于機身兩側(cè)并在同一平面內(nèi)反向旋轉(zhuǎn)的旋翼。這種直升機的優(yōu)點是操縱性及對縱軸和橫軸的穩(wěn)定性好，兩個旋翼存在有利的相互影響，平飛誘導(dǎo)損失小，因此經(jīng)濟性較好，并且能保證乘員乘坐舒適。缺點是構(gòu)造復(fù)雜，操縱系統(tǒng)復(fù)雜，迎風(fēng)阻力大。代表機種如前蘇聯(lián)的米-12。

5）交叉式雙旋翼直升機。這種直升機的兩個旋翼位于機身兩側(cè)，但兩個槳轂之間很近。旋翼轉(zhuǎn)軸向外傾斜，旋翼的旋轉(zhuǎn)必須協(xié)調(diào)以免相碰。兩個旋翼的反作用扭矩對直升機的垂直軸平衡，但對橫軸的分量則要相加，因此會產(chǎn)生俯仰力矩。這種型式的優(yōu)點是正面阻力小，外廓尺寸小。但傳動系統(tǒng)復(fù)雜，槳尖可能碰地，不安全，直升機的平衡復(fù)雜。代表機種如美國的K-max。

6）傾轉(zhuǎn)旋翼機。這種型式的直升機在起飛時象橫列式直升機，起飛后旋翼軸相對于機體向前傾轉(zhuǎn)，旋翼錐體也隨之前倒，直升機逐漸轉(zhuǎn)入前飛，過渡到平飛時就象普通的固定翼飛機那樣，靠機翼產(chǎn)生升力，靠轉(zhuǎn)軸近于水平的旋翼產(chǎn)生向前的力。代表機種為美國的v-22“魚鷹”。

2 直升機飛行操縱系統(tǒng)

直升機在空中有六個自由度，即沿X、Y、Z三軸的移動和繞這三個軸的轉(zhuǎn)動。穩(wěn)定飛行時，直升機處于一種平衡狀態(tài)，作用在它上面的力和力矩合力為零。若要改變直升機的飛行狀態(tài)，必須對它進行操縱。所謂操縱就是改變作用在直升機上的力和力矩，即打破原來的平衡狀態(tài)，建立新的平衡狀態(tài)，直升機操縱具有以下特點。

1）對于直升機的6個運動自由度，只有4個直接的飛行操縱，（注：還有一個操縱是對發(fā)動機轉(zhuǎn)速或功率控制），因而對各自由度的控制并非彼此獨立。

2）直升機對操縱的響應(yīng)，各軸間耦合嚴重（對擾動的響應(yīng)也是如此），須由駕駛員或SCAS的修正動作予以消除。

3）升降、俯仰、滾轉(zhuǎn)操縱，皆經(jīng)過旋翼揮舞這一環(huán)節(jié)，所以直升機響應(yīng)滯后較大，而且揮舞慣性抑制了對于高頻操縱輸入的響應(yīng)，起著過濾器的作用。駕駛員通過飛行操縱系統(tǒng)改變主旋翼和尾槳的槳距角，從而改變直升機的高度、速度和航向，以控制直升機的飛行。總槳距操縱桿能同時改變所有槳葉的槳距角，從而改變主旋翼的升力（FN）的大小。周期變距操縱桿能使主槳葉槳距角產(chǎn)生周期性的改變，來操縱旋翼槳盤的傾斜角，從而控制升力（FN）的方向。腳蹬的作用是改變尾槳的推力（TY）的大小來實現(xiàn)直升機的航向操縱。

由于現(xiàn)代的直升機的鉸鏈力矩一般比較大、飛行品質(zhì)要求高并且不可逆助力器的技術(shù)已經(jīng)相當成熟，所以通常采用不可逆助力操縱型式；對于鉸鏈力矩較小并且給駕駛員帶來的載荷負擔很小的直升機，可以考慮采用純機械操縱系統(tǒng)。

機械飛行操縱系統(tǒng)的線系一般有三種型式：硬式操縱、軟式操縱、軟硬混合式操縱。直升機縱向、橫向及總距操縱系統(tǒng)通常為硬式操縱；航向操縱系統(tǒng)可以為硬式操縱或軟、硬混合操縱；助力器之后的線系部分則多為硬式操縱。

3 直升機飛行控制系統(tǒng)

直升機有其獨特的優(yōu)點，能夠垂直起落不需要機場跑道，能夠空中懸停便于觀察和救護，能夠任意方向飛行（前飛，側(cè)飛，后飛等）機動靈活。但直升機也存在自身的缺點，如：載重較小，經(jīng)濟性低，振動較大，舒適性差，操縱困難，穩(wěn)定性差等。

直升機作為控制對象，與固定翼飛機相比具有更復(fù)雜的氣動特性。如果把固定翼飛機看成六自由度的運動體，那么對直升機而言，還必須考慮旋翼和尾槳對機身的轉(zhuǎn)動，槳葉相對于鉸鏈接頭的轉(zhuǎn)動。除此之外，直升機本身還有一系列的特殊飛行狀態(tài)，例如懸停、垂直起落、自旋等。

由于直升機動特性的不穩(wěn)定，對電子反饋的依賴性大。目前世界上所有直升機的動特性都是不穩(wěn)定的，不穩(wěn)定的程度與直升機結(jié)構(gòu)與飛行狀態(tài)密切相關(guān)。不穩(wěn)定的程度主要表現(xiàn)在縱向運動，特征根出現(xiàn)一對正實部的復(fù)根，表現(xiàn)為長周期運動不穩(wěn)定。

直升機各控制通道之間存在著嚴重的氣動耦合。由于直升機與固定翼飛機相比有更復(fù)雜的氣動特征與更特殊的飛行狀態(tài)，四個控制通道間存在著強軸間的耦合，在懸停狀態(tài)時更是如此。人工駕駛時必須由駕駛員進行復(fù)雜、緊張的控制協(xié)調(diào)，其駕駛難度比一般的飛機大得多。俯仰與橫滾交叉耦合，總距與俯仰，總距與航向之間的交叉耦合已成為直升機影響操縱品質(zhì)的主要因素。因此解耦設(shè)計已成為直升機控制界普遍關(guān)注的研究課題。

直升機飛控系統(tǒng)通常由計算機、串聯(lián)舵機、并聯(lián)舵機和操縱臺組成，其控制原理是使用組合導(dǎo)航系統(tǒng)測量直升機的姿態(tài)、姿態(tài)角速率、線加速度等飛行參數(shù)，使用大氣速度系統(tǒng)測量直升機的空速、氣壓高度和垂直速度等飛行參數(shù)，這些參數(shù)送入飛控計算機進行控制率解算，再經(jīng)過伺服回路驅(qū)動串聯(lián)、并聯(lián)舵機操縱液壓助力器實現(xiàn)俯仰、橫滾周期變距、尾槳變距和總距，使得直升機產(chǎn)生抬（低）頭、左（右）滾轉(zhuǎn)、左（右）偏航力矩，從而控制直升機。

典型的直升機飛控系統(tǒng)組成及控制律設(shè)計如圖所示。

4 直升機飛行操縱及控制系統(tǒng)交聯(lián)設(shè)計

現(xiàn)代直升機上，除機械人工操縱系統(tǒng)外，一般還有飛控系統(tǒng)（阻尼器、增穩(wěn)系統(tǒng)或控制增穩(wěn)系統(tǒng)）來改善直升機的操穩(wěn)特性以及自動駕駛儀來減輕駕駛員負擔和保證飛行安全。

飛控系統(tǒng)通常采用串聯(lián)舵機作為其執(zhí)行機構(gòu)，串聯(lián)舵機串聯(lián)安裝于機械桿系之中，置于助力器之前，人工操縱時作為一根普通拉桿使用，增強控制時它的工作桿伸縮帶動其后面的線系和助力器運動，實現(xiàn)槳葉變距，而其前面的線系直至駕駛桿都保持位置不動。串聯(lián)舵機與后面的線系、助力器、槳葉以及直升機組成通常所稱的“內(nèi)回路”。

飛控系統(tǒng)通常采用并聯(lián)舵機作為其執(zhí)行機構(gòu)，并聯(lián)舵機與整個機械桿系并聯(lián)安裝，它工作時將帶動整個機械桿系連同駕駛桿一起運動。并聯(lián)舵機與機械線系、助力器、槳葉以及直升機組成通常所稱的“外回路”。

另外，增強系統(tǒng)和自動駕駛儀也可以將其執(zhí)行機構(gòu)（串聯(lián)舵機和并聯(lián)舵機）與助力器相復(fù)合在一起，組成復(fù)合舵機。

飛行操縱系統(tǒng)與飛行控制系統(tǒng)的區(qū)別與聯(lián)系主要體現(xiàn)在以下幾點。1）從功能上劃分，飛行操縱系統(tǒng)實現(xiàn)駕駛員對直升機的開環(huán)操縱；飛行控制系統(tǒng)實現(xiàn)對直升機的閉環(huán)控制；2）從物理實現(xiàn)上劃分，飛行操縱系統(tǒng)以機械液壓為主；飛行控制系統(tǒng)：以電信號為主（模擬、離散、數(shù)字）。但飛行控制系統(tǒng)最終的變距實現(xiàn)必須借助與飛行操縱系統(tǒng)，所以兩者之間就存在交聯(lián)問題。

對于電傳或光傳飛控系統(tǒng)，由于物理實現(xiàn)上均是以電信號為主，所以從物理部件上已經(jīng)很難將飛行操縱系統(tǒng)和自動飛控系統(tǒng)分開。其區(qū)別主要是功能上的，一般劃分為主飛控系統(tǒng)和自動飛控系統(tǒng)，其實現(xiàn)均是通過傳感部件、計算部件、執(zhí)行部件等完成。

5 結(jié)論

本文對直升機飛行操縱系統(tǒng)和飛行控制系統(tǒng)進行簡單綜述，并且對兩者之間的交聯(lián)設(shè)計特點進行詳細闡述了，希望能對初級入門的工程師具有一點參考意義。