侧杆人感特性分析

2020-03-12张文星

科技与创新 2020年4期

赵翔，张文星

（中国飞行试验研究院，陕西西安710089）

20 世纪70 年代，F-16 飞机上首先采用了电传操纵系统和侧杆驾驶系统。侧杆系统一般包括驾驶杆、手柄、固定基座和臂托四部分。随着电传操纵技术的日臻成熟和不断应用，军机F-16 以及民机A320 首次采用了电传操纵系统和侧杆，带来了各自领域内操纵方式的变革，使侧杆操纵在国外第三、四代战斗机及民用飞机上得到了广泛应用。

使用侧杆操纵的优势非常多，但是由于侧杆和中央杆操纵特性上有很大的差别，如果侧杆的安装与设置并不理想，或飞行员对侧杆的操纵特性不了解、不适应，可能会导致灾难性的后果。

1 侧杆的中立位与行程范围

侧杆的中立位和行程对于运输类飞机和战斗机是有明显区别的，战斗机的倾斜角度更小，位移行程更短，如图1所示，这就决定了战斗机侧杆在操纵方面的难度和要求都更高。

图1 各种侧杆的中立位和位移范围

选取侧杆的中立位时，应该在无加速平飞、飞行员控制最大允许过载值、腕部在垂直轴前侧的后向运动5°～7°，或控制最大右向滚转速率时腕部在垂直轴右侧的外向运动不大于5°下进行。

典型的右手侧杆中立位的具体位置范围如图2 所示，在垂直轴前侧10°～20°、左侧6°～12°。

图2 右手侧杆典型范围值

侧杆操纵飞机做俯仰运动由腕部枢纽确定，滚转由固定臂托面枢纽确定。俯仰时，手带动手柄以腕部水平中心线为转轴，在垂直平面内做弧曲运动。前臂没有动作，但前臂肌肉有伸缩。滚转时，手腕带动手和手柄滚转，部分前臂在臂托上滚转，臂托支撑面上会产生一个等价轴线，与侧杆基底枢纽和肘部靠点连线相交。侧杆底座和手腕上的运动轴如图3 所示。

2 侧杆的人感特性

在侧杆的人感特性方面，飞行员最关心的参数是杆力梯度和启动力。一般说来，符合驾驶员的操纵要求应该是随着操纵力梯度的减小而增加操纵杆位移，随着操纵杆力梯度的增大而减小操纵杆位移，杆力、杆位移、飞机的响应与提供给飞行员的信息应当是一致的，以此来保证飞机的飞行品质，侧杆的特性也是如此。

图3 侧杆底座上的轴

使用侧杆操纵飞行时，侧杆设计要考虑的核心问题是什么样的杆力和杆力梯度能让飞行员感觉舒适，以及什么样的杆力和杆力梯度有利于提高飞行品质，对此国外进行过大量的飞行试验研究。比如，爱德华空军基地的美国空军试飞员学校在用T-33 变稳飞机做出一系列试飞后，得到了许多飞行员对侧杆的评价。在试验飞行后，驾驶员对几个位于试验矩阵边缘的轻构形打了高分。虽然没有通过试验确定完整的品质边界，但几个杆力较重的构形评论表明较重的杆力梯度操纵效果值得商榷，纵、横操纵过于灵敏的构形被认为是完全不能接受的。其余的操纵构形对驾驶员的评分影响并不是太明显，但是随着操纵杆力梯度从很轻增加到重，驾驶员评论指出杆操纵有从过于灵敏到过于迟钝的过渡。

下面给出了一个杆力梯度设计的例子，YF-22 飞机的杆力梯度如图4 所示。

由图4 可见，YF-22 飞机快档时纵向杆力梯度为0.8 度/磅，慢档时纵向杆力梯度为0.5 度/磅。

无论使用哪种类型的指令信号，侧杆都需要有一个小的启动力，因为该动力可以提供一个控制器中立点的正确感觉，并且会防止因疏忽所致的相关配平的指令输入降低纵横耦合发生的可能性。在杆移动较小的电传操纵飞机上，启动可能会作为一个指令轨迹软件内的非线性功能执行，而不是作为杆中的中心弹簧执行。对于飞行控制系统来说，最终结果与机械起动的结果相似，直到指令信号超过启动值前飞行员的指令无法传达至控制面。当飞行员操杆时的用力比侧杆启动力小时，侧杆不会有位移反应；而当飞行员操杆时的用力比侧杆启动力大时，启动力的变化应该给飞行员一个明显的触觉提示，让飞行员知道侧杆将离开中立位。