某串列座艙飛機駕駛員操縱裝置子系統加/改裝力監測系統方案研究

邰瑞雪，葉 蕾，郭 丹，朱輝杰

（航空工業洪都，江西 南昌，330024）

0 引言

隨著飛機技術的不斷發展，雙艙飛機不僅要求可以實現對飛行員操縱指令的記錄監測，同時需要實現判別并記錄每一個飛行指令的發出者。這種對操縱指令發出者的記錄監測技術是分析飛行事故原因的重要參數。實現對飛行員操縱指令發出者監測的最佳方式是采集并記錄雙艙中每個飛行員的操縱力信號。

目前，比較常見的力監測系統是將一種專用的力傳感器安裝在系統中，需要額外加裝相關的結構連接件，同時要求有較充裕的空間來安裝增加的結構件。基于新研機型加裝力監測系統可在飛機座艙內預留空間，設計并布置力監測系統的安裝位置。而對于已投產飛機座艙內布局的空間局限性，力監測系統的加/改裝需滿足對系統的性能影響最小、重量增加最小、改動量最小、易于改裝操作等限制條件。本文基于以上因素提出一種可實現的力監測系統的加/改裝方案。

1 力監測系統的簡介及要求

某型串列座艙飛機駕駛員操縱裝置子系統的前、后艙駕駛桿和腳蹬均采用硬式桿系聯動，縱、橫、航向均僅有一個載荷機構，為前、后艙共用，提供駕駛員的操縱力。三個方向的載荷機構均布置于前艙。基于串列座艙的力監測系統需集成在駕駛員操縱裝置子系統中，用于分別采集并記錄前、后艙飛行員的縱、橫、航向操縱力。

現有的串列座艙飛機力監測系統布局方式是在前、后艙各設置一套布局相似且結構相似的監測設備及力傳感器調理盒。該方式布局簡單，但對空間的要求高，需要成件或傳動環節上有足夠的空間布置縱、橫、航向監測設備。且由于監測設備大部分集成在成件上，故設備在后續工作中的維護性不好。同時對于現已投產的重量輕的小型飛機而言，力監測系統的空間布局和重量也是必須考慮的一個重要因素。

加/改裝力傳感器原則要求如下：

1)加裝力監測設備后不應引起系統動、靜態性能指標的降低；

2)力測量點選擇合理，傳感器能夠分辨前、后艙駕駛員操縱力大小，實現前艙和后艙的力傳感器測量互相不干擾、縱向和橫向力傳感器互相不干擾；

3)加裝力監測系統及相關設備的供電需求應能與機上電源特性相匹配，輸出信號應在飛行參數采集器可接受的電壓范圍內；

4)加/改裝后系統的強度剛度不得低于改裝前的設計，同時應考慮結構優化，以付出最小的重量代價；

5)加/改裝的零部件應盡量減少對其他部件的影響，相關機械接口在滿足性能的要求下，應盡量保持不變；

6)加/改裝設備應滿足安全性、可靠性、維修性、經濟性要求。

綜上，需對力監測系統在駕駛員操縱裝置中的布局方式和結構形式進行重新設計，并使其具有對原裝置重量和結構影響較小、結構形式可靠、后期的維護性好。

2 力監測系統的加/改裝設計

2.1 方案簡介

駕駛員操縱裝置子系統的空間布局如圖1所示，前、后艙駕駛桿和腳蹬通過機械桿系實現了操縱聯動，前、后艙共用一套載荷機構（為駕駛員提供操縱力的機械機構）。操縱時，前/后艙飛行員的操縱力均用于平衡載荷機構的彈簧力。為實現分別記錄前、后艙每個駕駛桿/腳蹬的操縱力要求，前、后艙需要分別在各操縱點至載荷機構之間的力傳遞環節布置力傳感器裝置。

前艙縱、橫向力傳感器布置在前艙駕駛桿手柄與駕駛桿組件交聯的搖臂上，前蹬腳蹬力傳感器布置于腳蹬踏板與轉軸之間的連桿上；后艙的力傳感器布置在前、后艙之間的聯動桿系上，具體位置如圖2、圖3所示。

圖1駕駛員操縱裝置子系統空間布局（圖中由右至左為航向）

圖2 駕駛員操縱裝置子系統力監測系統布局示意圖（圖中由右至左為航向）

圖3前艙駕駛桿力傳感器布局示意圖

前艙駕駛員操縱駕駛桿或腳蹬時，前艙的力傳感器僅可測量出前艙駕駛員的對應操縱力，此時，后艙的力傳感器僅受到聯動桿系在隨動過程中帶動后艙駕駛桿/腳蹬組件的力 （該力較小，換算至操縱點僅0.5～1N左右，且與操縱位移的大小無關）。

后艙駕駛員操縱駕駛桿或腳蹬時，后艙的力傳感器僅可測量出后艙駕駛員的對應操縱力，此時，前艙的力傳感器僅受到聯動桿系在隨動過程中帶動前艙駕駛桿/腳蹬組件的力（該力更小，基本可忽略，且與操縱位移的大小無關）。

前、后艙駕駛員同時操縱時，無論是同向操縱還是逆向操縱，力傳感器仍然能獨立測量出每個駕駛桿/腳蹬上所受到的操縱力。

2.2 系統組成及主要功能

力監測系統由前艙駕駛桿力傳感器 （含前艙縱向、橫向力傳感器）、前艙腳蹬力傳感器、后艙縱向力傳感器、后艙橫向力傳感器、后艙航向力傳感器和力傳感器調理盒組成，力傳感器調理盒將機上電源轉換為力傳感器用電源，力傳感器分別將前、后艙駕駛員的縱、橫、航向操縱力轉換為電信號，由力傳感器調理盒放大后提供給飛行參數采信器，功能框圖如圖4。

其中力傳感器為電阻應變式測力傳感器，當力傳感器受到前艙駕駛/腳蹬力時，根據胡克定律（彈性體在受外力發生形變）及電阻應變原理（粘貼于彈性體上的應變計，因發生形變而引起阻值變化），利用傳感器內部的惠斯通電橋（見圖 5、圖 6，R1、R2、R3、R4 為粘貼在彈性體上的應變計，連接R1、R2、R3、R4成惠斯通電橋）不平衡，輸出同桿力/腳蹬力成線性關系的電壓信號。

2.3 系統實施方案

力監測系統改裝方案采取在現有裝機的駕駛員操縱裝置子系統基礎上，更換部分部件的方式實現。為盡量減少重量并實現緊湊的結構布局，力傳感器具有兩項功能：一方面用于測量操縱力，另一方面其機構需代替原裝機部分零件的機構功能。

前艙駕駛桿力傳感器安裝于縱、橫向操縱T點與載荷機構之間的前艙駕駛桿轉盒的上搖臂處，即將駕駛桿組件上的搖臂采用形狀與原搖臂相似的力傳感器代替。該傳感器有縱、橫向兩個力敏感方向，用于測量前艙縱向、前艙橫向的操縱力，如圖7所示。

與力傳感器安裝相適應，前艙駕駛桿手柄與前艙駕駛桿組件的配合面在原成品基礎上移28mm，并對手柄長度進行補加工更改，如圖8所示。

圖4力傳感器功能框圖

圖5 （前艙縱、橫向，后艙縱、橫、航向）力傳感器惠斯通電橋

圖7前艙駕駛桿力傳感器結構形式

因此，改裝時可在飛機上原位將前艙駕駛桿組件上的搖臂拆下，換上力傳感器重新進行裝配。駕駛桿手柄可預先制造符合要求的手柄，在機上進行換裝，換下的駕駛桿手柄可進行補加工后用于后續飛機。

前艙腳蹬采用一個形狀與前連桿相似的力傳感器代替原前艙腳蹬組件前連桿上的方案。中心轉軸左右各安裝一個力傳感器，如圖9所示。

圖6前艙航向力傳感器惠斯通電橋

圖8前艙駕駛桿手柄更改方案

2.4 力測試系統的工作原理

當前艙飛行員進行操縱時（如圖2，圖3所示），操縱過程中需克服載荷機構（縱向載荷機構、橫向載荷機構、航向載荷機構的力，力傳感器彈性體（前艙駕駛桿力傳感器彈性體、前艙腳蹬力傳感器彈性體）會沿受力方向微小的變形，并將操縱力轉換為電信號傳遞給力信號調理盒，經力信號調理盒放大處理后以電壓信號形式傳輸給飛行參數采集器。此時后艙隨動，無操縱力信號的輸出。

圖9前艙腳蹬力傳感器結構形式

當后艙駕駛員進行操縱時（如圖2），操縱過程中需克服載荷機構（縱向載荷機構、橫向載荷機構、航向載荷機構）的力，力傳感器彈性體（后艙縱向力傳感器彈性體、后艙橫向力傳感器彈性體、后艙腳蹬力傳感器彈性體）會沿受力方向微小的變形，并將操縱力轉換為電信號傳遞給力信號調理盒，經力信號調理盒放大處理后以電壓信號形式傳輸給飛行參數采集器。此時前艙隨動，無操縱力信號的輸出。

3 結論

本文通過集成化設計，將機械傳動部件與應變計相結合，既滿足機械部件的功能要求，同時又可實現力的測量，解決了某型機座艙空間小，力監測系統難以布置的難題。該力監測系統研究方案已在某機型上完成試裝及測試，能夠滿足使用要求。