飞机电传操纵系统的前生今世

一、机械式操纵系统

人工操作机械操作系统示意图

机械操纵系统最基本的飞行控制系统，常见于空气动力不是很强的早期飞机或现代的小型飞机。这类飞控系统利用各种机械部件如杆、绳索、滑轮甚至链条将飞行员的操纵力从驾驶舱操纵装置传递到控制面上。

二、液压式操纵系统

1、概述

随着航空器尺寸的增大和性能的提高，机械式飞行操纵系统的复杂程度和重量也大幅度增加，大大限制了航空器的发展。为了克服这些限制，液压式飞行操纵系统出现了。液压飞行操纵系统出现后，航空器的尺寸和性能不再受驾驶员力量的限制，而只是受经济成本的限制。 液压式飞控系统由两部分组成：

a、机械回路

人工操作机械操作系统示意图

机械回路连接着驾驶舱和液压回路。如同机械式系统，机械回路也基本由各种杆、绞索、滑轮甚至铰链组成。

b、液压回路

液压回路包含液压泵、液压管、液压阀门以及执行装置等。执行装置通过液压泵产生的流体压力驱动飞机的各控制面。而伺服阀则控制着执行装置的动作。

飞行员的操纵动作通过机械回路传递到液压回路中相应的伺服阀，然后液压泵驱动执行机构操纵飞机的各控制面。

液压式飞控系统见于老式的喷气运输机和一些高性能飞机。例如安-225运输机和洛克西德公司的黑鸟（SR-71）。

2、人工感觉反馈

对于机械式飞控系统，飞行员经由机械装置可以感受到作用于飞机各个舵面上的气力。

这种触觉反馈增强了飞行安全性。例如，在火神（Avro Vulcan）喷气轰炸机上，人们就利

用一种弹性装置来实现这种控制反馈。通过移动该装置的支点，人们可以使反馈力（对于升

降舵）与空速的平方成正比。这样，高速飞行时所需的操纵力量就迅速增加了。

3、机械助力

助力机械操作系统示意图

早期的飞机只是直接人工机械操纵。随着飞机的尺寸和速度的增加，驾驶员再直接通过钢索去拉动舵面感到困难，于是作为驾驶员辅助操纵装置的液压助力器安装在操纵系统中。它由一个并联的液压作动器来增大驾驶员施加在操纵钢索上的作用力，目前液压助力器仍在许多飞机上使用。

另一些机械式飞控系统采用伺服调整片提供的气动力助力降低了系统的复杂性。这类系统只见于早期的活塞发动机运输机和早期的喷气运输机上。

全助力机械操纵系统

第二次世界大战后不久，出现了全助力操纵系统。在这种系统中，操纵钢索从驾驶杆直接连到作动器的伺服阀上，不再与操纵面发生直接机械联系。使用全助力操纵的主要原因是在跨音速飞行时，作用在操纵面上的力变化很大而且非线性很历害。这样，操纵时从操纵面反传到驾驶杆上的力从操纵品质的观点来说是难以接受的。全助力操纵系统本身是不可逆的，因此不受跨音速飞行中非线性力的影响，由于这种操纵方法不再需要飞行员的体力去改变舵面状态，使得飞行员无法直观地感受到飞机所处的状态，于是就借助一些力反馈装置来提供人工杆力，这种人工杆力虽然在移动操纵面时不需要，但在操纵飞机时给飞行员提供适当的操纵品质还是必要的，人工杆力的设计可以使人的操纵感觉从亚音速飞行平滑地过渡到超音速飞行阶段。

F-86A 是用液压辅助的机械钢索系统操纵舵面的，而 F-86E 则用液压系统完全取代了机械钢索系统（除方向舵外），这使得舵面的操作效率大为提高。不过液压系统也有自身的缺点，它使飞行员丧失了以前熟悉的操作感，在驾驶杆上感觉不到舵面的力回馈。设计师为此特别设计了一套由配重和阻尼器构成的系统来模拟飞行员熟悉的操作感。

4、增稳系统（stability augmentation of aircraft）

增稳机械操作系统

50年代以前，含有自动驾驶仪的飞行自动控制系统主要用于运输机和轰炸机，当时歼击机的飞行速度和高度都不大，自身稳定性也上好，对自动控制的需求并不迫切，超音速飞机问世后，飞行包线扩大，飞机自身稳定性变坏，例如，飞机自身的阻尼力矩在高空因空气稀薄而变小，阻尼比下降，致使飞机角运动产生强烈摆动，仅靠驾驶员操纵飞机较困难。为解决这类问题，增加稳定性帮助飞行员操纵变得十分迫切，于是从全助力操纵系统发展到增稳系统，在飞机上安装了由角速率陀螺、放大器和串联舵机组成的阻尼器，引入飞机角速度的负反馈，增强角运动的阻尼，后又由阻尼器发展成增稳系统，如偏航增稳系统、俯仰增稳系统和横滚增稳系统等。系统通过传感器反馈的飞机状态，在程序控制下自动控制舵机偏转，以保证飞机静稳定性。这种增稳系统与驾驶杆或脚蹬是互相独立的，因而增稳系统的工作不影响驾驶员的操纵。

a、阻尼器

由阻尼器和法向加速度传感器组成。飞机飞行品质对静稳定性有一定要求。静稳定性与迎角运动的时间常数成反比，迎角又与法向加速度有关，所以引入法向加速度负反馈信号可改善静稳定性。但引入负反馈会使传递系数减小，飞机操纵性变坏。控制增稳系统（CAS）解决了这一矛盾。

b、控制增稳系统CAS（control augmentation system）

由增稳系统再增加杆力传感器和指令模型（电气 络）组成。杆力传感器的输出信号通过指令模型控制串联舵机。杆力传感器和指令模型所组成的前馈通道能增大传递系数。改变指令模型能满足操纵品质的要求。引入前馈能提高传递系数，从而可以选取较高的反馈增益。这样，不仅改善了稳定性，而且减小了扰动和飞行状态变化对飞机特性的影响。这种系统的功能多于增稳系统，要求串联舵机具有较大的权限，因而对控制增稳系统可靠性的要求较高。若把舵机权限扩大到全权限并应用余度技术，控制增稳系统就发展成为电传操纵系统。

　　从增稳系统发展到电传操纵（FBW）系统只是很小的一步，通过加上一个离合器或其它使机械系统在不使用时断开的方法便可以实现，“协和”客机上就装有这种系统。把电传操纵系统中的机械备份完全去掉就变成了全电传操纵（FFBW）系统。

电传操纵系统成熟后飞翼布局才彻底脱操纵稳定性问题，B-2 幽灵(Spirit)轰炸机才得以量产服役

三、电传操纵系统

电传操纵（Flying By Wire，FBW）系统是将飞行员的操纵信号，经过变换器变成电信号，通过电缆直接传输到自主式舵机的一种系统。它去掉了传统的飞机操纵系统中布满飞机内部的从操纵杆到舵机之间的机械传动装置和液压管路。电传操纵系统的主要组成部分包括运动传感器、中央计算机、作动器和电源，它相当于动物的感觉器官、大脑和肌肉。

系统计算机在综合了各种飞行参数、飞行员操作指令以及程序预设指令等一系列因素后向飞机的执行终端发出最终的控制指令，以达到实现各种机动飞机，提高系统稳定性，确保飞行安全等目的。电传操纵系统自三代机逐渐投入实用以后发挥了重大作用，在采用先进的气动外型以及放宽静不稳度等技术之后，三代机的性能较以往有了质的飞跃，飞机的安全性也也得高了更高的保证。

电传操纵系统的真正核心是机载电脑代替人工操作

1、电传操纵系统的其它主要特点

a、安全冗余

现代的电传操纵系统一般都具有多个独立的通道，当其中的一个甚至两个通道损坏时，飞机仍然不会失去控制。为获得更高的机动性，一些电传操纵的飞机经过仔细设计其静稳定性很低，甚至为负。

采用三轴四余度数字式电传操纵系统的F-18E/F战斗机

b、节约重量

相对传统飞机，电传操纵的飞机一般重量更小。由于可以放宽静稳定性，运输机可以减少部分重量，战斗机可以减少更多。这是由于飞机舵面现在可以做得更小了。电传飞控首先应用于军机，之后才进入民机市场。空客系列飞机从一开始就应用电传操纵技术，而波音则是在777系列之后应用此项技术。

c、适应性、维护性及系统安全性

电传操纵系统能够更灵活地响应变化中的空气动力环境，通过控制舵面运动使得飞机对操纵输入的响应在所有飞行条件下都是一致的。电子系统需要的维护不多，而机械和液压系统却需要润滑、松紧调整、渗漏检查、更换液体等。而且，将电路系统放置在驾驶员和航空器之间能够提高安全性，例如操纵系统能够防止失速，或制止驾驶员使机身过载。

电传操纵系统实际上是用一个电子接口取代了航空器的物理操纵。驾驶员的指令被转换成电信号，飞行控制计算机确定如何恰当地驱动连接在每个操纵面上的执行机构以提供想要的响应。最初的执行机构通常是液压式的，现在电动执行机构也已经被研制出来。

关于电传操纵系统的主要担忧是可靠性问题。传统的机械式或液压式操纵系统通常是逐渐失效的，而所有飞行控制计算机失效会使飞机立即处于不可控制状态。为此，大多数电传操纵系统包含有冗余计算机和一些机械式或液压式备份。这好像使电传操纵系统的一些优点变得没有意义，但是由于冗余系统只是用于紧急情况，因此这些系统可以做得更简单、更轻，而且只需提供有限的能力。

2、模拟电传

电传操纵系统取消了复杂、脆弱和笨重的液压式飞行操纵系统的机械回路，用电子线路取而代之。现在，驾驶舱操纵装置操作的是能够产生相应指令的信号换能器。这些指令由一个电子控制器处理。如今自动驾驶仪也是电子控制器的一部分。 除了机械伺服阀被电控伺服阀外，液压回路也做类似处理。这些阀门由电子控制器操作。二十世纪五十年代，一种模拟式电传飞行操纵系统首次被安装在火神（Avro Vulcan）轰炸机上，这是一种最简单、最早的构型。

在这种构型中，飞行操纵系统必须模拟“感觉”。电子控制器操作电子感觉装置，以提供作用在人工操纵装置上的合适的“感觉”力。这种系统仍在EMBRAER170和190中使用，并曾在协和飞机中使用，它也是首先采用电传操纵系统的客机。

采用模拟式电子控制器的电传操纵系统首次被应用在“火神”轰炸机上

在更复杂的版本中，模拟计算机取代了电子控制器。二十世纪五十年代加拿大研制的超音速歼击机CF-105 “箭”（Arrow）就是采用这种方式的。模拟计算机也允许定制一些飞行操纵特性，包括放宽静稳定度。早期版本的F-16采用了二余度模拟电传操纵系统，使得它具有了令人印象深刻的机动性。

1958年3月25日首飞的CF-105被认为是世界上第一种应用电传操纵系统的战斗机

a、控制增稳

电传操纵系统最早是为了解决飞行器的稳定性而开发。在二十世纪60年代后，某些飞行器为了降低阻力而造成稳定性急剧下降。还有某些飞行器在整个飞行包线内稳定性变化较大，这样导致飞行员控制压力加大，甚至根本无法控制飞机。为此，设计机构将陀螺仪加入飞机的机械控制系统中，用来产生一个辅助的控制信号，通过一套机械机构将增稳信号叠加到飞行员输入的控制信号中。在SR-71高速侦察机中，美国首次将模拟式计算机加入了作为辅助的陀螺增稳信号中，该系统被称之为控制增稳系统。随着70年代末电子技术的大发展，西方最早开始尝试直接将飞行员的操纵信号直接接入计算机，从而放弃了全部机械控制系统，构成了完全由电气设备组成的电传操纵系统。

b、放宽静稳定度

所谓静稳定度是指气动中心到飞机重心的距离，气动中心在重心之后静稳定度为正，飞机是静稳定的；气动中心在重心之前静稳定度为负，飞机是静不稳定的。

　　在亚音速飞行状态，普通飞机的翼身组合体的升力中心在重心稍后的某个距离（静稳定），这时翼身组合体的升力所产生的负俯仰力矩（机头向下的力矩），由平尾的下偏，以产生向下的升力来平衡，尾翼的升力从翼身组合体升力中减去，因而使总的升力减少。而且由于飞机的静稳定特性，飞机有保持原有飞行状态的趋势，使飞机的操纵也不灵活。而放宽静稳定度的飞机，气动中心可以很靠近重心也可以重合，甚至在重心的前面，飞机的稳定度变得很小甚至不稳定，飞行中主要靠主动控制系统（即自动增稳系统）主动控制相应舵面，保证飞机的稳定性。这时为保持平衡只需要较小的甚至向上的平尾升力去平衡翼身组合体的正俯仰力矩（机头向上的力矩）。

　　在超音速状态，无论普通构形的飞机还是放宽静稳定性的飞机，都具有作用在重心之后的翼身组合体升力矢量。因为放宽静稳定度的飞机的重心比普通飞机的重心更靠后，这样为配平由于翼身组合体升力升起的负俯仰力矩所需要的尾翼向下载荷比普通飞机要小，因而就可以大大减少尾翼足寸和重量，使其在超音速状态也具有较高的升力。

　　由此我们可以看出，采用放宽静稳定性的手段，可以大幅提高飞机的性能。首先，使飞机的平尾用于平衡所需的面积可以大大减小，因此平尾的重量可以减轻，阻力可以减小，另外对于静不稳定的飞机，尾翼的升力和翼身组合体升力方向一致，这样飞机的总升力也得到了提高。

　　研究表明，放宽静稳定度为战斗机带来的效益是当静稳定裕度取为-12%平均气动弦长时，飞机的起飞总重可减少8%，所需发动机推力可减少20%，如果再加上控制机动载荷的效果可使设计总重减少18%。

以格斗性能见长的F-16是第一种采放宽静稳定度的量产战斗机

在轰炸机上采用这种技术效果也是很明显的，如B-52试验机平尾面积从84平方米降到46平方米，在原发动机和起飞总重条件下，结构重量减少6.4%，航程增大4.3%，如果原载重、航程不变，起飞总重可以减少 10-15%，B-l轰炸机如果在设计初期阶段就采用放宽静稳定度要求的话，其起飞总重可减少36吨，用2台发动机就可以完成原来4台发动机的任务。如果把放宽静稳定度要求和控制机动载荷结合起来，可使轰炸机设计重量减少20%以上。

　　放宽静稳定度要求对战斗机性能的提高主要体现在提高战斗机的机动性方面以及完成任务的效率方面。如一架重心位置处于25%平均气动弦和一架重心位置处于38%平均气动弦的放宽静稳定度的飞机相比，在中等空载重量、最大推力、900米高度的条件下，后者转弯速度增加0.75度/秒（M＝0.9时）～1.1度/秒（M＝1.2时）；M数从0.9增加到1.6的加速时间减少1.8秒左右；空战燃油节省180公斤；承受机动过载的能力也提高了，在M数为0.6，0.9，1.2时过载系数分别提高0.2g，0.4g，0.8g；此外还可以提高升阻比：在M＜l时可提高8%，M＞l时可提高15%。这些就使战斗机的机动性大大提高。

　　如果拿F-16战斗机和法国战斗机“幻影”Fl，瑞典的Saab-37，苏联歼击机米格-21相比，性能就很突出，除高空最大速度，F-16稍低于其他三种飞机外，其他性能均比它们优越。其原因之一就是F-16采用了主动控制技术。

3、数字电传

数字电传飞行操纵系统与模拟式的相似，不过信号处理是由数字计算机完成的。驾驶员实际上是“通过计算机飞行”。由于数字计算机能够接收来自航空器上任何传感器的输入信号，使得灵活性得到增强。由于系统不依赖于模拟控制器中临界电子元件的额定值，使得稳定性也得到增强。

数字计算机中的程序让设计者能够精确地裁制航空器的操纵特性。例如，通过防止驾驶员超过预设的限制（航空器的飞行包线），软件能避免航空器被危险地操纵。软件也可用于过滤操纵输入以避免驾驶员诱发的摆动。

在这样的航空器中，侧杆或常规驾驶杆均能使用。虽然侧杆具有轻便、机械结构简单等好处，但波音公司认为缺少视觉反馈是侧杆的一大问题，因此在波音777和787中仍使用常规驾驶杆。

用计算机控制航空器飞行使得驾驶员的工作负担减轻。现在，在放宽静稳定度的情况下飞行航空器是可能的。对于军用航空器，主要好处是能够得到更好的飞行性能。数字飞行操纵系统使本身并不稳定的航空器能够正常飞行，例如F-117夜鹰式战斗机（F-117 Nighthawk）。1972年，美国NASA改装的F-8十字军式战斗机（F-8C Crusader）成为第一个采用数字电传操纵的航空器。美国航天飞机（1982年首飞）具有数位电传操纵系统。1984年，空中客车A320成为第一款采用数字电传操纵系统的客机。2005年，达索Falcon 7X成为第一款采用数字电传操纵系统的公务机。2007年，塞考斯基公司的H-92直升机是第一种采用电传操纵的直升机。

NASA用于数字电传操纵系统试验的F-8成为第一个采用数字电传操纵的航空器

美国联邦航空局（FAA）采纳了RTCA/DO-178B“机载系统和设备审定的软件因素”作为航空软件的审定标准。数字电传操纵系统中任何涉及安全的关键部件，包括控制法则（control law）和操作系统，必须达到DO-178B中的A级审定标准，这个标准适用于可能的灾难性故障。

但是对于计算机化、数字电传操纵系统最令人担忧的问题是可靠性，甚至比模拟系统还严重。这是因为运行软件的计算机是驾驶员和操纵面之间唯一的控制路径。如果计算机软件崩溃了，驾驶员将无法操纵航空器。因此，实际上所有电传操纵系统都是三到四冗余：有三个或四个计算机并行工作，并都有各自独立的线路连接到每个操纵面。如果一个或两个计算机崩溃了，其他的继续工作。另外，最早期的数字电传操纵航空器也有一个模拟电子、机械或液压备份操纵系统。

对于客机，冗余度可以提高安全性。由于取消一些笨重的机械部件使得重量减轻，飞行的经济性也得到改善。

波音和空客在它们的电传操纵理念上是不同的。空客飞机中，计算机一直保持最大限度的控制，并且不允许驾驶员在正常的飞行包线以外飞行。波音777中，驾驶员能够超控该系统，紧急情况时允许飞机在包线外飞行。从空客A320开始的模式已经在空客系列中得到延续。波音787在控制法则上做了一些小改进，采纳了一些空客在过去已经采取的保护措施。

光纤式电传