浅析电传飞机与机械操纵飞机操纵特性差异

张羽白，崔彦勇，谢慧慈

（航空工业洪都，江西 南昌，330024）

0 引言

随着飞机性能要求越来越高，飞机飞行高度和飞行速度范围也在不断扩大，机械操纵系统的飞机无法满足需求。目前国内外先进主战飞机均采用了电传飞行控制系统，如美国的 F-16、F-18、F-22、F-35，瑞典的JAS-39，法国的幻影-2000、“阵风”，欧洲的 “狂风”、“台风”，俄罗斯的苏-27、苏-35、米格-29 等，我国的歼-10、枭龙、歼-11、L15 等。

电传飞行控制系统的使用不仅能有效改善飞机的飞行品质、增强飞机机动性，而且也使得飞机的操纵特点与机械操纵系统飞机相比发生了明显变化。

1 电传飞机与机械操纵飞机操纵技术特点对比

二代机是静安定的飞机，飞机重心在焦点前面，平尾提供负升力，使用机械操纵系统，或带增稳功能的机械操纵系统；飞行员的操纵杆量直接对应的就是飞机的舵面偏转量，飞行员操纵快（慢），舵面偏转就快（慢），由于舵面偏转产生飞机的运动，飞机运动反映的是飞机的本体特性，因此本体特性的好坏就决定了飞机的操稳特性。在不同的飞机构型、不同的飞行状态下，操纵杆力特性变化很大，在跨音速区域会出现反向操纵。需要飞行员时刻注意飞行状态，在一杆操纵的基础上反复微动杆修正才能使飞机达到期望的姿态。典型机械操纵飞机操纵系统示意图如图1所示。

三代和三代以上飞机在设计时大都采用边条翼、翼身融合及前缘机动襟翼等先进的气动布局,普遍设计为弱静安定或静不安定，带来的好处包括可增加有效升力、减小阻力、减小机翼载荷、减重等。但同时也带来一系列问题，例如飞机安定性差、弱阻尼、短周期频率低等等，在无电传控制时基本无法操纵。

采用全权限的电传飞行控制系统，实现纵向放宽静安定性控制，利用飞机运动信息反馈进行闭环控制，飞行员的操纵杆量直接对应的是飞机的运动量，飞行员操纵快（慢），运动量变化就快（慢），至于舵面偏转快（慢）及偏转了多少，飞行员不知道也不需要知道，飞机运动反映的是飞机和飞控系统闭环控制的特性，即闭环控制改变了被控制飞机的运动特性。同时控制律参数随高度、速度等飞行状态调参，通过各类反馈信号进行控制及增稳，针对飞机本体特性的不足加以弥补，改善飞机的操稳特性，扩展飞机的飞行包线，将一个弱静安定或不安定、不可飞的飞机，补偿成为一个安定的、飞行员熟悉的、可飞的飞机，在包线范围内，辅助调整飞机的操纵响应特性较为一致。典型电传飞机操纵系统示意图如图2所示。

图1 机械操纵飞机操纵系统示意图

图2 电传飞机操纵系统示意图

与机械操纵飞机相比，电传飞机具有自己独特的操纵特性，并拥有优于机械操纵飞机的飞行品质，本节从飞机平飞特性、协调操纵特性、机动特性、着陆特性及飞机安全边界限制等方面进行介绍。

1.1 平飞特性

现役电传飞机多数都具有中性速度稳定性，驾驶杆中立时，纵向指令俯仰角速率为零，或指令法向过载为1g，横向指令滚转角速率为零，实现松杆后，飞机自动保持松杆时的飞行状态，飞行员无需时刻动杆保持飞机平飞，极大地减轻了驾驶负担，因此也不存在机械操纵飞机平衡速度的概念。

传统机械操纵系统飞机，由于其固有的速度稳定特性，为了保持平飞，在平衡速度以下，必须拉杆；在平衡速度以上，则须推杆。特别对于某些飞行包线较大的飞机，平衡杆位移或平衡杆力随飞行高度、速度的变化而变化，在包线两端维持平飞所需的杆位移或杆力差别很大。

典型电传飞机和机械操纵飞机纵向杆配平曲线如图3所示。可以看出，电传飞机在迎角不超过限制阈值时纵向配平杆为零，配平杆基本不随高度和速度变化，而机械操纵飞机的配平杆随着高度和速度变化，变化范围较大，特别是会随着飞机纵向安定度而变化，会出现由拉杆变推杆、再由推杆变拉杆的现象，导致飞行员需要不断使用调校机构来配平飞机，需要耗费许多精力时刻注意飞机的配平状态。

图3 纵向配平杆位移对比

1.2 机动飞行

电传飞机的操纵杆力仅与杆位移相关，对应的是飞机响应，具有“动则灵、静则稳”的特点，在整个飞行包线范围内纵向杆力、杆位移对法向过载的梯度，横向杆力、杆位移对滚转速率的梯度的变化较为一致。飞行员对于电传飞机的操纵响应是有预期的，可以一杆到位、快速精确地追踪目标。

纵向杆指令法向过载如图4所示，横向杆指令滚转角速率如图5所示。纵、横向指令均设计成“二次抛物线”形式，小杆操纵时有利于精确控制，大杆操纵时有利于快速机动。

图4 纵向杆指令法向过载曲线

图5 横向杆指令滚转角速率曲线

机械操纵系统飞机由于操纵杆量直接对应的是飞机的舵面偏转量，机动飞行时，其纵向杆力、杆位移对法向过载的梯度和横向杆力、杆位移对滚转速率的梯度随着飞行状态变化的范围很大。

在进行3g载荷飞行时，电传飞机和机械操纵飞机纵向杆操纵对比如图6所示。可以看出，电传飞机在持续3g飞行时，纵向杆操纵位移基本在40mm左右，左边界状态点3g时迎角过大，进入迎角限制，所以纵向杆位移大于40mm，除迎角进入限制门限外，基本不随高度和速度变化而改变，这就意味着，电传飞机在进行3g载荷拉起时，包线范围内仅需固定拉杆40mm。而机械操纵飞机建立或维持3g载荷飞行所需要的纵向杆位移随高度和速度不同差别很大，小速度拉杆量大，随着速度增加拉杆量先减小后增加，飞行员需要时刻关注飞机状态并及时修正，否则难以做到精确控制。

图6 3g载荷机动时纵向杆操纵对比

机动特性差异在水平机动能力方面也有本质区别。典型电传飞机最大瞬时盘旋角速度可达25°/s、最大稳定盘旋角速度10°/s、最小盘旋半径650米，而二代改在同等条件下的相应数据仅为16°/s、6.8°/s和1500米，即最大瞬时盘旋角速度与最大稳定盘旋角速度相对机械操纵飞机分别提高了63%、54%，最小半径降低了58%。

1.3 协调操纵

飞机在滚转或协调转弯机动飞行中，滚转会引起侧滑增大，侧滑的变化又会影响滚转，滚转与侧滑的互相耦合导致飞机在机动中需要进行横、航向协调操纵。

电传飞机飞控系统可以综合协调各操纵面，例如在进行滚转时，飞控系统控制律会根据当前高度、速度、迎角及副翼偏转情况，自动协调偏转方向舵完成协调滚转，无需飞行员蹬舵修正侧滑，减小飞行员操纵负担。典型电传飞控系统横航向控制律结构示意图如图7所示。

图7 典型横航向结构示意图

机械操纵系统飞机在进行滚转或协调转弯等机动时，由于驾驶杆、脚蹬直接对应舵面偏度，且无副翼和方向舵的交联控制，横航向的耦合特性需要飞行员在压杆的同时蹬脚蹬控制侧滑，在激烈的空中格斗中要飞行员手脚并用，耗费相当大的精力去实现协调操纵。

1.4 起降特性

电传飞机针对起降飞行的特点设计有专门的起降控制律，纵向杆直接对应飞机迎角，控制律根据杆指令结合飞机实时高度、速度自动偏转平尾保持迎角，飞行员可以采用等迎角下滑、油门控制下滑轨迹的着陆方式，使飞机保持稳定的进场着陆迎角和接地姿态。在配装不同任务载荷或带油着陆的情况下，也不需要额外精细计算飞机下滑着陆速度，仅需全程保持迎角即可。直观控制迎角可以保证飞机着陆安全并减轻飞行员操纵负担。

机械操纵飞机如想调整飞机下滑轨迹需要油门和杆协调动作，很难完成等迎角方式的下滑着陆。特别是在带有任务载荷，着陆重量相差较大的情况下，需要精细计算飞机的着陆速度，并及时修正飞机速度及迎角控制飞机姿态和轨迹，飞行员负担较重。

以某型飞机为例，干净构型和满挂构型在不同油量时，速度与迎角对应关系如图8所示。如飞机以10°迎角下滑，不同构型及油量情况下，速度变化范围从223km/h到261km/h，差别较大。

电传飞机在着陆时仅需将纵向杆配平至对应10°迎角位置，控制律会根据速度自动调整平尾，推动油门控制飞机下滑轨迹即可进行着陆。而机械操纵飞机需要实时关注速度及迎角，往复修正油门位置及纵向杆位置，控制飞机下滑姿态与轨迹。

1.5 飞行安全限制

电传飞机在飞行包线范围内具有较为一致的优异飞行品质、完善的边界限制以及自动从某些危险状态改出的功能，其中边界限制包括迎角限制、法向过载限制、滚转角速率限制等，从某些危险状态改出的功能可以防止飞机发生气动偏离进入尾旋。在发挥飞机最大机动性能的同时，无论飞行员如何操纵，飞机不会进入危险的飞行状态，在减轻飞行员操纵负担的同时，还养成相应操纵习惯和注意力分配习惯，飞行员可以有更多精力去完成任务。

机械操纵飞机不具备边界限制功能，特别在左边界，其失速迎角相对较小，在进行持续大迎角机动飞行时，只能小心拉杆，时刻关注飞机状态，并根据飞机状态时刻调整操纵杆行程，防止发生气动分离。飞行员必须熟练掌握飞机的使用边界和限制条件，在飞行中实时关注各类参数，并进行判断和修正操纵，以避免飞机进入危险的飞行状态。

在空中格斗时往往需要比拼飞机的边界控制能力，电传飞机飞行员只需一杆拉到对应位置并保持，即可迅速进入给定持续过载/迎角/滚转角速率机动，且最大杆指令对应即为飞机边界限制值，飞行员无需分散注意力关注安全限制边界，可以充分发挥飞机机动性能。而机械操纵系统飞机机动时，飞行员动杆时需要时刻关注飞机状态信息，特别在迎角、法向过载临近限制值时要小心，以防止飞机超过边界限制，进入偏离、失速、尾旋等危险状态，飞行负担重，无法集中精力开展武器打击等任务。

2 结语

使用机械操纵飞机与电传飞机对飞行员生理和心理的影响存在明显差异，优良的操稳特性和全面的边界保护特性，不但可以让飞行员养成适应当代高机动飞行环境所需的生理特性，还能使其建立心理上的对抗优势，不会由于缺乏对飞机飞行边界控制信心，导致在作战对抗中过多关注各种飞行状态限制，影响战术动作，而是能够正确分配注意力于空中敌我态势，充分发挥飞机机动潜力，更好地完成战斗任务。