張羽白，崔彥勇，謝慧慈

（航空工業(yè)洪都，江西 南昌，330024）

0 引言

隨著飛機(jī)性能要求越來越高，飛機(jī)飛行高度和飛行速度范圍也在不斷擴(kuò)大，機(jī)械操縱系統(tǒng)的飛機(jī)無法滿足需求。目前國內(nèi)外先進(jìn)主戰(zhàn)飛機(jī)均采用了電傳飛行控制系統(tǒng)，如美國的 F-16、F-18、F-22、F-35，瑞典的JAS-39，法國的幻影-2000、“陣風(fēng)”，歐洲的 “狂風(fēng)”、“臺風(fēng)”，俄羅斯的蘇-27、蘇-35、米格-29 等，我國的殲-10、梟龍、殲-11、L15 等。

電傳飛行控制系統(tǒng)的使用不僅能有效改善飛機(jī)的飛行品質(zhì)、增強(qiáng)飛機(jī)機(jī)動性，而且也使得飛機(jī)的操縱特點(diǎn)與機(jī)械操縱系統(tǒng)飛機(jī)相比發(fā)生了明顯變化。

1 電傳飛機(jī)與機(jī)械操縱飛機(jī)操縱技術(shù)特點(diǎn)對比

二代機(jī)是靜安定的飛機(jī)，飛機(jī)重心在焦點(diǎn)前面，平尾提供負(fù)升力，使用機(jī)械操縱系統(tǒng)，或帶增穩(wěn)功能的機(jī)械操縱系統(tǒng)；飛行員的操縱桿量直接對應(yīng)的就是飛機(jī)的舵面偏轉(zhuǎn)量，飛行員操縱快（慢），舵面偏轉(zhuǎn)就快（慢），由于舵面偏轉(zhuǎn)產(chǎn)生飛機(jī)的運(yùn)動，飛機(jī)運(yùn)動反映的是飛機(jī)的本體特性，因此本體特性的好壞就決定了飛機(jī)的操穩(wěn)特性。在不同的飛機(jī)構(gòu)型、不同的飛行狀態(tài)下，操縱桿力特性變化很大，在跨音速區(qū)域會出現(xiàn)反向操縱。需要飛行員時(shí)刻注意飛行狀態(tài)，在一桿操縱的基礎(chǔ)上反復(fù)微動桿修正才能使飛機(jī)達(dá)到期望的姿態(tài)。典型機(jī)械操縱飛機(jī)操縱系統(tǒng)示意圖如圖1所示。

三代和三代以上飛機(jī)在設(shè)計(jì)時(shí)大都采用邊條翼、翼身融合及前緣機(jī)動襟翼等先進(jìn)的氣動布局,普遍設(shè)計(jì)為弱靜安定或靜不安定，帶來的好處包括可增加有效升力、減小阻力、減小機(jī)翼載荷、減重等。但同時(shí)也帶來一系列問題，例如飛機(jī)安定性差、弱阻尼、短周期頻率低等等，在無電傳控制時(shí)基本無法操縱。

采用全權(quán)限的電傳飛行控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)縱向放寬靜安定性控制，利用飛機(jī)運(yùn)動信息反饋進(jìn)行閉環(huán)控制，飛行員的操縱桿量直接對應(yīng)的是飛機(jī)的運(yùn)動量，飛行員操縱快（慢），運(yùn)動量變化就快（慢），至于舵面偏轉(zhuǎn)快（慢）及偏轉(zhuǎn)了多少，飛行員不知道也不需要知道，飛機(jī)運(yùn)動反映的是飛機(jī)和飛控系統(tǒng)閉環(huán)控制的特性，即閉環(huán)控制改變了被控制飛機(jī)的運(yùn)動特性。同時(shí)控制律參數(shù)隨高度、速度等飛行狀態(tài)調(diào)參，通過各類反饋信號進(jìn)行控制及增穩(wěn)，針對飛機(jī)本體特性的不足加以彌補(bǔ)，改善飛機(jī)的操穩(wěn)特性，擴(kuò)展飛機(jī)的飛行包線，將一個(gè)弱靜安定或不安定、不可飛的飛機(jī)，補(bǔ)償成為一個(gè)安定的、飛行員熟悉的、可飛的飛機(jī)，在包線范圍內(nèi)，輔助調(diào)整飛機(jī)的操縱響應(yīng)特性較為一致。典型電傳飛機(jī)操縱系統(tǒng)示意圖如圖2所示。

圖1 機(jī)械操縱飛機(jī)操縱系統(tǒng)示意圖

圖2 電傳飛機(jī)操縱系統(tǒng)示意圖

與機(jī)械操縱飛機(jī)相比，電傳飛機(jī)具有自己獨(dú)特的操縱特性，并擁有優(yōu)于機(jī)械操縱飛機(jī)的飛行品質(zhì)，本節(jié)從飛機(jī)平飛特性、協(xié)調(diào)操縱特性、機(jī)動特性、著陸特性及飛機(jī)安全邊界限制等方面進(jìn)行介紹。

1.1 平飛特性

現(xiàn)役電傳飛機(jī)多數(shù)都具有中性速度穩(wěn)定性，駕駛桿中立時(shí)，縱向指令俯仰角速率為零，或指令法向過載為1g，橫向指令滾轉(zhuǎn)角速率為零，實(shí)現(xiàn)松桿后，飛機(jī)自動保持松桿時(shí)的飛行狀態(tài)，飛行員無需時(shí)刻動桿保持飛機(jī)平飛，極大地減輕了駕駛負(fù)擔(dān)，因此也不存在機(jī)械操縱飛機(jī)平衡速度的概念。

傳統(tǒng)機(jī)械操縱系統(tǒng)飛機(jī)，由于其固有的速度穩(wěn)定特性，為了保持平飛，在平衡速度以下，必須拉桿；在平衡速度以上，則須推桿。特別對于某些飛行包線較大的飛機(jī)，平衡桿位移或平衡桿力隨飛行高度、速度的變化而變化，在包線兩端維持平飛所需的桿位移或桿力差別很大。

典型電傳飛機(jī)和機(jī)械操縱飛機(jī)縱向桿配平曲線如圖3所示?？梢钥闯?，電傳飛機(jī)在迎角不超過限制閾值時(shí)縱向配平桿為零，配平桿基本不隨高度和速度變化，而機(jī)械操縱飛機(jī)的配平桿隨著高度和速度變化，變化范圍較大，特別是會隨著飛機(jī)縱向安定度而變化，會出現(xiàn)由拉桿變推桿、再由推桿變拉桿的現(xiàn)象，導(dǎo)致飛行員需要不斷使用調(diào)校機(jī)構(gòu)來配平飛機(jī)，需要耗費(fèi)許多精力時(shí)刻注意飛機(jī)的配平狀態(tài)。

圖3 縱向配平桿位移對比

1.2 機(jī)動飛行

電傳飛機(jī)的操縱桿力僅與桿位移相關(guān)，對應(yīng)的是飛機(jī)響應(yīng)，具有“動則靈、靜則穩(wěn)”的特點(diǎn)，在整個(gè)飛行包線范圍內(nèi)縱向桿力、桿位移對法向過載的梯度，橫向桿力、桿位移對滾轉(zhuǎn)速率的梯度的變化較為一致。飛行員對于電傳飛機(jī)的操縱響應(yīng)是有預(yù)期的，可以一桿到位、快速精確地追蹤目標(biāo)。

縱向桿指令法向過載如圖4所示，橫向桿指令滾轉(zhuǎn)角速率如圖5所示?？v、橫向指令均設(shè)計(jì)成“二次拋物線”形式，小桿操縱時(shí)有利于精確控制，大桿操縱時(shí)有利于快速機(jī)動。

圖4 縱向桿指令法向過載曲線

圖5 橫向桿指令滾轉(zhuǎn)角速率曲線

機(jī)械操縱系統(tǒng)飛機(jī)由于操縱桿量直接對應(yīng)的是飛機(jī)的舵面偏轉(zhuǎn)量，機(jī)動飛行時(shí)，其縱向桿力、桿位移對法向過載的梯度和橫向桿力、桿位移對滾轉(zhuǎn)速率的梯度隨著飛行狀態(tài)變化的范圍很大。

在進(jìn)行3g載荷飛行時(shí)，電傳飛機(jī)和機(jī)械操縱飛機(jī)縱向桿操縱對比如圖6所示。可以看出，電傳飛機(jī)在持續(xù)3g飛行時(shí)，縱向桿操縱位移基本在40mm左右，左邊界狀態(tài)點(diǎn)3g時(shí)迎角過大，進(jìn)入迎角限制，所以縱向桿位移大于40mm，除迎角進(jìn)入限制門限外，基本不隨高度和速度變化而改變，這就意味著，電傳飛機(jī)在進(jìn)行3g載荷拉起時(shí)，包線范圍內(nèi)僅需固定拉桿40mm。而機(jī)械操縱飛機(jī)建立或維持3g載荷飛行所需要的縱向桿位移隨高度和速度不同差別很大，小速度拉桿量大，隨著速度增加拉桿量先減小后增加，飛行員需要時(shí)刻關(guān)注飛機(jī)狀態(tài)并及時(shí)修正，否則難以做到精確控制。

圖6 3g載荷機(jī)動時(shí)縱向桿操縱對比

機(jī)動特性差異在水平機(jī)動能力方面也有本質(zhì)區(qū)別。典型電傳飛機(jī)最大瞬時(shí)盤旋角速度可達(dá)25°/s、最大穩(wěn)定盤旋角速度10°/s、最小盤旋半徑650米，而二代改在同等條件下的相應(yīng)數(shù)據(jù)僅為16°/s、6.8°/s和1500米，即最大瞬時(shí)盤旋角速度與最大穩(wěn)定盤旋角速度相對機(jī)械操縱飛機(jī)分別提高了63%、54%，最小半徑降低了58%。

1.3 協(xié)調(diào)操縱

飛機(jī)在滾轉(zhuǎn)或協(xié)調(diào)轉(zhuǎn)彎機(jī)動飛行中，滾轉(zhuǎn)會引起側(cè)滑增大，側(cè)滑的變化又會影響滾轉(zhuǎn)，滾轉(zhuǎn)與側(cè)滑的互相耦合導(dǎo)致飛機(jī)在機(jī)動中需要進(jìn)行橫、航向協(xié)調(diào)操縱。

電傳飛機(jī)飛控系統(tǒng)可以綜合協(xié)調(diào)各操縱面，例如在進(jìn)行滾轉(zhuǎn)時(shí)，飛控系統(tǒng)控制律會根據(jù)當(dāng)前高度、速度、迎角及副翼偏轉(zhuǎn)情況，自動協(xié)調(diào)偏轉(zhuǎn)方向舵完成協(xié)調(diào)滾轉(zhuǎn)，無需飛行員蹬舵修正側(cè)滑，減小飛行員操縱負(fù)擔(dān)。典型電傳飛控系統(tǒng)橫航向控制律結(jié)構(gòu)示意圖如圖7所示。

圖7 典型橫航向結(jié)構(gòu)示意圖

機(jī)械操縱系統(tǒng)飛機(jī)在進(jìn)行滾轉(zhuǎn)或協(xié)調(diào)轉(zhuǎn)彎等機(jī)動時(shí)，由于駕駛桿、腳蹬直接對應(yīng)舵面偏度，且無副翼和方向舵的交聯(lián)控制，橫航向的耦合特性需要飛行員在壓桿的同時(shí)蹬腳蹬控制側(cè)滑，在激烈的空中格斗中要飛行員手腳并用，耗費(fèi)相當(dāng)大的精力去實(shí)現(xiàn)協(xié)調(diào)操縱。

1.4 起降特性

電傳飛機(jī)針對起降飛行的特點(diǎn)設(shè)計(jì)有專門的起降控制律，縱向桿直接對應(yīng)飛機(jī)迎角，控制律根據(jù)桿指令結(jié)合飛機(jī)實(shí)時(shí)高度、速度自動偏轉(zhuǎn)平尾保持迎角，飛行員可以采用等迎角下滑、油門控制下滑軌跡的著陸方式，使飛機(jī)保持穩(wěn)定的進(jìn)場著陸迎角和接地姿態(tài)。在配裝不同任務(wù)載荷或帶油著陸的情況下，也不需要額外精細(xì)計(jì)算飛機(jī)下滑著陸速度，僅需全程保持迎角即可。直觀控制迎角可以保證飛機(jī)著陸安全并減輕飛行員操縱負(fù)擔(dān)。

機(jī)械操縱飛機(jī)如想調(diào)整飛機(jī)下滑軌跡需要油門和桿協(xié)調(diào)動作，很難完成等迎角方式的下滑著陸。特別是在帶有任務(wù)載荷，著陸重量相差較大的情況下，需要精細(xì)計(jì)算飛機(jī)的著陸速度，并及時(shí)修正飛機(jī)速度及迎角控制飛機(jī)姿態(tài)和軌跡，飛行員負(fù)擔(dān)較重。

以某型飛機(jī)為例，干凈構(gòu)型和滿掛構(gòu)型在不同油量時(shí)，速度與迎角對應(yīng)關(guān)系如圖8所示。如飛機(jī)以10°迎角下滑，不同構(gòu)型及油量情況下，速度變化范圍從223km/h到261km/h，差別較大。

電傳飛機(jī)在著陸時(shí)僅需將縱向桿配平至對應(yīng)10°迎角位置，控制律會根據(jù)速度自動調(diào)整平尾，推動油門控制飛機(jī)下滑軌跡即可進(jìn)行著陸。而機(jī)械操縱飛機(jī)需要實(shí)時(shí)關(guān)注速度及迎角，往復(fù)修正油門位置及縱向桿位置，控制飛機(jī)下滑姿態(tài)與軌跡。

1.5 飛行安全限制

電傳飛機(jī)在飛行包線范圍內(nèi)具有較為一致的優(yōu)異飛行品質(zhì)、完善的邊界限制以及自動從某些危險(xiǎn)狀態(tài)改出的功能，其中邊界限制包括迎角限制、法向過載限制、滾轉(zhuǎn)角速率限制等，從某些危險(xiǎn)狀態(tài)改出的功能可以防止飛機(jī)發(fā)生氣動偏離進(jìn)入尾旋。在發(fā)揮飛機(jī)最大機(jī)動性能的同時(shí)，無論飛行員如何操縱，飛機(jī)不會進(jìn)入危險(xiǎn)的飛行狀態(tài)，在減輕飛行員操縱負(fù)擔(dān)的同時(shí)，還養(yǎng)成相應(yīng)操縱習(xí)慣和注意力分配習(xí)慣，飛行員可以有更多精力去完成任務(wù)。

機(jī)械操縱飛機(jī)不具備邊界限制功能，特別在左邊界，其失速迎角相對較小，在進(jìn)行持續(xù)大迎角機(jī)動飛行時(shí)，只能小心拉桿，時(shí)刻關(guān)注飛機(jī)狀態(tài)，并根據(jù)飛機(jī)狀態(tài)時(shí)刻調(diào)整操縱桿行程，防止發(fā)生氣動分離。飛行員必須熟練掌握飛機(jī)的使用邊界和限制條件，在飛行中實(shí)時(shí)關(guān)注各類參數(shù)，并進(jìn)行判斷和修正操縱，以避免飛機(jī)進(jìn)入危險(xiǎn)的飛行狀態(tài)。

在空中格斗時(shí)往往需要比拼飛機(jī)的邊界控制能力，電傳飛機(jī)飛行員只需一桿拉到對應(yīng)位置并保持，即可迅速進(jìn)入給定持續(xù)過載/迎角/滾轉(zhuǎn)角速率機(jī)動，且最大桿指令對應(yīng)即為飛機(jī)邊界限制值，飛行員無需分散注意力關(guān)注安全限制邊界，可以充分發(fā)揮飛機(jī)機(jī)動性能。而機(jī)械操縱系統(tǒng)飛機(jī)機(jī)動時(shí)，飛行員動桿時(shí)需要時(shí)刻關(guān)注飛機(jī)狀態(tài)信息，特別在迎角、法向過載臨近限制值時(shí)要小心，以防止飛機(jī)超過邊界限制，進(jìn)入偏離、失速、尾旋等危險(xiǎn)狀態(tài)，飛行負(fù)擔(dān)重，無法集中精力開展武器打擊等任務(wù)。

2 結(jié)語

使用機(jī)械操縱飛機(jī)與電傳飛機(jī)對飛行員生理和心理的影響存在明顯差異，優(yōu)良的操穩(wěn)特性和全面的邊界保護(hù)特性，不但可以讓飛行員養(yǎng)成適應(yīng)當(dāng)代高機(jī)動飛行環(huán)境所需的生理特性，還能使其建立心理上的對抗優(yōu)勢，不會由于缺乏對飛機(jī)飛行邊界控制信心，導(dǎo)致在作戰(zhàn)對抗中過多關(guān)注各種飛行狀態(tài)限制，影響戰(zhàn)術(shù)動作，而是能夠正確分配注意力于空中敵我態(tài)勢，充分發(fā)揮飛機(jī)機(jī)動潛力，更好地完成戰(zhàn)斗任務(wù)。