航空电传飞控构造分析范文

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本文作者：严雅琳单位：上海飞机设计研究院25研究室

1基本的电传飞行控制

电传飞行控制的方案能提供很多收益，包括提高了性能与舒适度，增强安全性并降低驾驶员的工作负荷。这些收益是否能够实现很大程度上取决于如何实现电传飞行控制。最简单的电传控制系统是开环的，没有控制反馈回路。许多驾驶舱内的加速脚蹬不是通过机械杆系，而是通过电线系统与发动机相连。脚蹬被推到多远发动机的转速就有多高。在这层次上，这是一个开环系统，速度是由驾驶员的脚蹬力控制的。采用巡航控制保持需要的速度使该回路闭合。发动机转速通过一个反馈电路调节以保持恒定的速度。许多飞机的电传控制系统是开环的———例如，Embraer飞鸿100/300上的电控刹车系统就是开环的。同时，该系统还有一个防尾撬着地的功能，刹车脚蹬行程没有设定减速率———它只是确定了在刹车片上施加多大的压力。Embraer在民用飞机上首个主要的FBW应用是E-Jet的电传飞控系统。俯仰轴（升降舵）与偏航轴（方向舵）的控制是数字的。在滚转轴，扰流板是数字控制的，但副翼是常规控制的。虽然整个系统的架构是数字控制的，实际俯仰控制大部分是开环的。Embraer在E-Jet俯仰轴的目标是使常规的俯仰控制“数字化”。驾驶盘位移与飞机的速度是“查找表”的主要输入，该表确定了升降舵应该偏转多少行程。只有在攻角接近临界水平时，升降舵行程的控制回路才会闭合，以预防失速。飞鸿300上的电传飞控扰流板控制器与新型波音747-8是两个在FBW控制系统上采用开环回路的例子。

2遗产公务机上电传飞控的实现

Embraer的控制律设计理念是设定确定正常飞行包线边界的“软限制”，并确定限制飞行包线边界的“硬限制”。正常飞行包线的控制律将俯仰姿态限制在+30°至-15°，将坡度倾斜角限制在33°，速度在最大操纵速度（VMO）与高出失速速度10%的最小速度（1.1VSTALL）的范围之间。

可以通过使侧杆脱离中位来超越这些软限制，但释放侧杆会使飞机自动地回到正常飞行包线内。限制飞行包线不是通过预设的俯仰/滚转限制实现，而是通过实际的结构与控制性的限制实现的。在不超出限制的情况下，任何俯仰与滚转姿态的结合都是可以的。

Embraer将确定遗产450/500的特定控制律。在Embraer的飞行控制开发模拟器中飞行，并首次看到了Embraer努力的成果。Embraer已经选择驾驶舱侧杆控制器，但与空客飞机不同，可以像在波音飞机上一样向后推油门。

侧杆将是在每个轴上安装了固定力梯度的行程控制器。两个侧杆不是互连的，它们的输入相加，并向飞行控制面发出指令信号。如果输入重复，提供目视，声音与触觉的告警信号。偏航轴是由装有弹簧的互连的两套方向舵脚蹬系统控制。

闭环FBW控制系统追求的是无论飞机的飞行状态如何，使飞机对驾驶员的输入做出正确的反应。一个确定的侧杆输入通常会产生相同的飞机响应。在常规控制的飞机上，偏转升降舵仅仅改变了水平安定面的攻角，这就会改变飞机的俯仰姿态。

俯仰姿态的改变多少取决于速度，姿态，总重与重心。飞行控制律开发者的挑战是选择一个模拟常规控制系统，同时仍然能够提供正常的响应的控制方案。在离地升空飞行的状态下，而不是在起飞或着陆的构型下，纵向控制杆行程控制航迹角（gamma）变化率(gammadot)。

从广义上来说，Embraer的航迹角变化率控制类似于空客民用飞机在低速上使用俯仰速率（thetadot）控制。然而，在更高的速度，空客飞机的纵向（俯仰）控制转由g指令系统完成。

虽然更倾向于在整个速度范围内采用单一的俯仰控制律，飞行经验显示g指令系统可能在低速时过于敏感，这导致了采用g指令与thetadot的纵向控制相结合的方案。考虑到Embraer在整个速度范围内采用了单一的控制方案，看看gammadot指令系统在高速度时如何工作将很有趣的。

常规的俯仰控制只移动升降舵，这给了常规控制飞机速度稳定性。在配平的状态下，加大或减少推力将导致飞机在配平速度下爬升或下降。g指令或thetadot/gammadot之类的控制方案在设计上不会展示速度稳定性。是否需要速度稳定性是一个存在争议的问题，不会显示速度的稳定性———空客没有采用具有速度稳定性的设计，而波音飞机在777上提供了表面的速度稳定性。Embraer正在调查低速时增加配平控制速度设计的理念使遗产飞机达到表面上的速度稳定性。我是在着陆构型很短暂地体验了该设计，这使人感觉遗产公务机更像是常规控制飞机。在常规的飞机上，横向轴（滚转-偏航）是互连的，任何经历了荷兰滚的驾驶员都可以证明这一点。在电传飞行控制系统中，如果需要，这两个轴可以解耦。并使侧杆成为一个滚转角速度控制器。空客与Embraer都解耦滚转与偏航轴。并使侧杆成为一个滚转角速度控制器。横向侧杆行程只会使飞机滚转，在常规控制的飞机上不会产生不利的偏航。使侧杆回到中位就会使滚转的角速度为零，根据制造商的特定限制方案，使飞机保持一个设定的坡度倾斜角。777飞机的滚转轴控制更像常规控制的飞机，驾驶盘横向行程控制副翼与滚转扰流板的偏转，而不是需要滚转角速度。飞过777与几架空客飞机后，在离地高空飞行状态，两个飞机的滚转控制方案都工作得很好。偏航阻尼器与副翼-方向舵互连的设计出现，大型常规控制飞机上方向舵的使用多数被限制在飞行的起飞与着陆阶段。在常规的飞机上，侧滑通常产生了方向舵脚蹬输入方向的滚转，这被称为偏航导致的滚转。在FBW控制方案下，滚转与偏航轴能够被再次解耦；方向舵行程仅产生了机翼级的侧滑。虽然驾驶员预计到会一些偏航导致的滚转。一些偏航效应导致的表面滚转可以纳入FBW控制系统。在发动机失效过程中，很明显需要一些偏航导致滚转。使发动机失效那侧的机翼下沉是触发紧急情况的一个好告警。空客飞机失效发动机侧的机翼下沉。Embraer仍然在精细调整它的横向控制律，但发动机失效可能导致轻微的机翼水平的转动（外侧滑）。

3电传的收益

电传控制方案可以提供许多收益，最大的收益就是安全性的改进。设计及控制律的设计可以驾驶员不会超越许可的飞行包线，不会出现超速或过载事件。Embraer的俯仰轴系统在更高的速度限制g载荷，在更低速的速度由攻角限制器控制俯仰。攻角限制器的功能使飞机可以不需要振杆器，因为飞机不会被拉到一个危险的攻角，g与攻角限制设计为驾驶员提供了在受控的飞行中撞入突起的地形以及从风切变的恢复操纵性机动的最佳性能。最后一点，对发动机失效的驯服反应在非常严酷的条件下对驾驶员有利。

FBW控制方案还增强了飞机的性能。Embraer的FBW控制方案可以还为更轻飞机留下的余地，因为安全性裕度可以降低。对于偏航轴，情况也是如此，因为侧滑可以降低垂尾的载荷，结构重量可以更轻。虽然Embraer在遗产公务机上没有使用这一技术，许多大型飞机上的主动载荷减缓系统可以进一步降低结构重量。降低结构重量意味着阻力更小。而超速限制设计允许巡航速度接近VD/MD的最大设计速度。攻角保护功能提升了跑道的性能，因为飞起飞与进近的速度能够更加接近失速速度。

FBW飞行控制系统好能够增强乘客的乘坐舒适度，同时降低驾驶员的工作负荷，因为动力或构型变化导致的飞机的瞬态运动会改变飞机的平衡，对于驾驶员与乘客来说，这都是福音，因为紊流导致的不受指令控制的运动可以很快被阻尼，不会降低飞机对驾驶员控制输入的响应。最后飞行控制系统可以在整个飞行包线的范围内为飞机提供对控制输入的可预期响应。

4结论

多年以来，Embraer已经有计划地逐渐获得了FBW控制系统的设计经验，开发E-Jet的电控刹车以及扰流板，方向舵与俯仰数字控制系统给了Embraer应对开发FBW遗产450/500型号的更大的挑战的基础。根据在Embraer飞行控制开发模拟器中的短暂飞行，该模拟器似乎能处理庞大的工作，并且正在为遗产500原型机的首飞开发飞行控制系统。然而，很有前景的模拟结果并不总是代表Embraer的真实飞行，Embraer为了电传的遗产飞机取证还有很长一段路要走。如果过去只是序曲的话，Embraer无疑可以交付飞行品质优异，有竞争力的中型公务喷气机。