飞机的自动驾驶

王行仁

驾驶飞机是一件很复杂的事情，驾驶员须要完成许多任务，譬如操纵飞机爬高或下降，操纵飞机转弯，减小或加大发动机油门，确定飞机已飞过的路程及当时飞机所处的空间位置。此外，还要用无线电与地面取得连系，对于作战飞机来说还要操纵武器轰炸与射击。上面只是稍微列举一下驾驶员的任务，就可看出驾驶术是不容易的。特别对于只有一个驾驶员的单座作战飞机，驾驶员一个人要完成以上各项动作，这的确是不简单的事情。为了减轻驾驶员的负担，现代飞机上应用着各种不同的自动装置，它使驾驶术自动化了，不须要人的干预。像现代自动化工厂一样，由机器代替了人们繁重的劳动。

飞机上的自动装置种类很多，如保持驾驶员密封座舱内空气压力一定的座舱压力自动调节器，保持发动机转速一定的转速自动调节器及保持飞机平飞或操纵飞机作转弯、升降等动作的自动调节器。后一种自动调节器被称为自动驾驶仪。本文只谈自动驾驶仪的一般原理。

在没有谈自动驾驶仪以前，先介绍一下驾驶员是怎样驾驶飞机的。我们知道，飞机有三个操纵面(图1)，一个叫升降舵，它在飞机的尾部，能上下偏转，当它向上偏转时(图2)，气流作用在升降舵上，它产生的合力对飞机重心，构成力矩M，将使飞机仰头。反之，若升降舵下偏时，由气流作用在升降舵上的合力对飞机重心构成的力矩，将使飞机低头。当舵处于中间位置时，气流平滑流过，飞机不受任何附加力矩而保持原来飞行状态。另一个操纵面叫方向舵，它也在飞机的尾部，能左右偏转，当它向左偏转时(图3)，作用在方向舵上的气流所产生的力，对飞机重心。构成使飞机向左转的力矩。反之，方向舵右偏将产生使飞机向右转的力矩。方向舵处于中间位置时，飞机保持着原来的方向飞行。再一个操纵面就是副翼，共有两片，分布在机翼两端，这两片是联动的，但偏转方向恰好相反。当一片向上时，另一片向下(图4)，它的作用原理与前两个操纵面一样，不同的是副翼偏转所构成的力矩使飞机产生侧滚。由以上可看出三个操纵面操纵飞机绕三个相互垂直轴的转动。

图1

图2

图3

图4

下面以航向运动作为例子来说明驾驶员是怎样驾驶飞机的。若飞机偏离了原来的航线，驾驶员通过观察仪表板上航向仪表的指示，发现了航向的偏离，通过大脑的辨别是向左偏了呢还是向右偏了，从而确定方向舵应向那边偏转。若判定飞机向右偏离了原来的航向，则驾驶员应操纵方向舵向左偏转，使飞机向左转，从而回到原来的方向上。当然，当飞机回到原来方向上时，方向舵不应仍偏在左边位置，此时驾驶员应操纵它回到中间位置，否则飞机将继续左转。

自动驾驶仪可以代替驾驶员驾驶飞机的工作，它能自动地保持原来的飞行状态，当偏离原来的飞行状态时，它能自动地将飞机修正回来而不须要驾驶员的干预。

自动驾驶仪由那些部分组成的呢？首先应有能感受飞机偏离的元件，并由这个元件发出偏离讯号，这元件称为灵感元件。还必须有使飞机操纵面按所须方向偏转的元件，这元件叫执行机构。此外，在灵感元件与执行机构之间常常装有放大器，因为灵感元件发出的讯号很微弱，不足以控制执行机构，必须用放大器将灵感元件输出的讯号放大后再输给执行机构。

图5是稳定飞机升降的自动驾驶仪原理图，1898年由伟大的俄国科学家齐奥尔可夫斯基提出用于飞艇上的。它感受飞机偏离的灵感元件是一个重垂单摆，单摆受地心吸力作用始终保持在地垂线上。它的执行机构是电动机，电动机的电能由发电机供给。飞机水平飞行时，单摆上的二个接触点5、6都不闭合(图56)，发电机供给电动机的电源断开，电动机不转动，因而升降舵也不偏转而保持在中间位置，飞机亦保持水平飞行。若飞机受到外界干扰使机头向下(图5a)，固定在机体上的触点1、2、3、4与飞机一起倾斜，由于单摆保持垂直位置，因此单摆上的两个接触点5、6仍保持在水平位置，这样就使得接触点1与5闭合，4与6闭合，电动机接通电源开始转动，电动机的转动经齿轮带动升降舵向上偏转，此时舵面产生的空气动力力矩使飞机抬头，回到原来的水平状态。反之，当飞机受外力干扰而向上时(图5B)，将使接触点2与5闭合，3与6闭合，电动机反方向接通电源，因而电动机反转，它带动升降舵向下偏转，舵将产生低头的空气动力力矩，使飞机同到原来的水平姿态。

图5

从上面所讲的可看出，自动驾驶仪完全可自动地纠正飞机航线的偏离，保持预定的飞行状态。这不仅可减轻驾驶员的负担，而且可以更正确、更快地反映飞机的偏离，更正确、更快地根据偏离讯号操纵飞机恢复原来状态。现在飞机的速度很快，人的驾驶要反映这样快的速度是有困难的，因此，对于现代高速飞机来说，应用自动器来解决飞机的操纵任务更显出其必要性和重要性。