側桿人感特性分析

趙 翔，張文星

（中國飛行試驗研究院，陜西 西安710089）

20 世紀70 年代，F-16 飛機上首先采用了電傳操縱系統和側桿駕駛系統。側桿系統一般包括駕駛桿、手柄、固定基座和臂托四部分。隨著電傳操縱技術的日臻成熟和不斷應用，軍機F-16 以及民機A320 首次采用了電傳操縱系統和側桿，帶來了各自領域內操縱方式的變革，使側桿操縱在國外第三、四代戰斗機及民用飛機上得到了廣泛應用。

使用側桿操縱的優勢非常多，但是由于側桿和中央桿操縱特性上有很大的差別，如果側桿的安裝與設置并不理想，或飛行員對側桿的操縱特性不了解、不適應，可能會導致災難性的后果。

1 側桿的中立位與行程范圍

側桿的中立位和行程對于運輸類飛機和戰斗機是有明顯區別的，戰斗機的傾斜角度更小，位移行程更短，如圖1所示，這就決定了戰斗機側桿在操縱方面的難度和要求都更高。

圖1 各種側桿的中立位和位移范圍

選取側桿的中立位時，應該在無加速平飛、飛行員控制最大允許過載值、腕部在垂直軸前側的后向運動5°～7°，或控制最大右向滾轉速率時腕部在垂直軸右側的外向運動不大于5°下進行。

典型的右手側桿中立位的具體位置范圍如圖2 所示，在垂直軸前側10°～20°、左側6°～12°。

圖2 右手側桿典型范圍值

側桿操縱飛機做俯仰運動由腕部樞紐確定，滾轉由固定臂托面樞紐確定。俯仰時，手帶動手柄以腕部水平中心線為轉軸，在垂直平面內做弧曲運動。前臂沒有動作，但前臂肌肉有伸縮。滾轉時，手腕帶動手和手柄滾轉，部分前臂在臂托上滾轉，臂托支撐面上會產生一個等價軸線，與側桿基底樞紐和肘部靠點連線相交。側桿底座和手腕上的運動軸如圖3 所示。

2 側桿的人感特性

在側桿的人感特性方面，飛行員最關心的參數是桿力梯度和啟動力。一般說來，符合駕駛員的操縱要求應該是隨著操縱力梯度的減小而增加操縱桿位移，隨著操縱桿力梯度的增大而減小操縱桿位移，桿力、桿位移、飛機的響應與提供給飛行員的信息應當是一致的，以此來保證飛機的飛行品質，側桿的特性也是如此。

圖3 側桿底座上的軸

使用側桿操縱飛行時，側桿設計要考慮的核心問題是什么樣的桿力和桿力梯度能讓飛行員感覺舒適，以及什么樣的桿力和桿力梯度有利于提高飛行品質，對此國外進行過大量的飛行試驗研究。比如，愛德華空軍基地的美國空軍試飛員學校在用T-33 變穩飛機做出一系列試飛后，得到了許多飛行員對側桿的評價。在試驗飛行后，駕駛員對幾個位于試驗矩陣邊緣的輕構形打了高分。雖然沒有通過試驗確定完整的品質邊界，但幾個桿力較重的構形評論表明較重的桿力梯度操縱效果值得商榷，縱、橫操縱過于靈敏的構形被認為是完全不能接受的。其余的操縱構形對駕駛員的評分影響并不是太明顯，但是隨著操縱桿力梯度從很輕增加到重，駕駛員評論指出桿操縱有從過于靈敏到過于遲鈍的過渡。

下面給出了一個桿力梯度設計的例子，YF-22 飛機的桿力梯度如圖4 所示。

由圖4 可見，YF-22 飛機快檔時縱向桿力梯度為0.8 度/磅，慢檔時縱向桿力梯度為0.5 度/磅。

無論使用哪種類型的指令信號，側桿都需要有一個小的啟動力，因為該動力可以提供一個控制器中立點的正確感覺，并且會防止因疏忽所致的相關配平的指令輸入降低縱橫耦合發生的可能性。在桿移動較小的電傳操縱飛機上，啟動可能會作為一個指令軌跡軟件內的非線性功能執行，而不是作為桿中的中心彈簧執行。對于飛行控制系統來說，最終結果與機械起動的結果相似，直到指令信號超過啟動值前飛行員的指令無法傳達至控制面。當飛行員操桿時的用力比側桿啟動力小時，側桿不會有位移反應；而當飛行員操桿時的用力比側桿啟動力大時，啟動力的變化應該給飛行員一個明顯的觸覺提示，讓飛行員知道側桿將離開中立位。

圖4 YF-22 飛機俯仰角速度桿力梯度圖

從以上分析以及所舉的實例不難看出，側桿桿力特性的大致趨勢為側桿桿力梯度構型的設置規劃范圍提供了參考。

3 結束語

側桿人機工效影響因素分析是進行側桿操縱飛行品質研究的基礎，有重要的研究價值。本文主要從側桿的人機工效方面著手，通過分析國外的研究成果，汲取其長期的成功使用經驗，對側桿中立位與行程范圍、側桿的人感特性進行了探討，為后續的側桿改進和使用提供了參考。