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中国运20配有两套飞控系统 为何却只能用盘式操作

2018-09-21 05:48

  运20

  近期的一篇官媒文章中,提到了运20的机械飞控开发过程。这带来了一个很有意思的问题:运20到底算电传飞控飞机还是机械飞控飞机?

  首先放结论:运20是非常纯正的电传飞控飞机,只是带有备份用的机械飞控,不影响其核心技术特征。无论是战斗机还是客货机,实际上都有大量成功的先例设计。

  一:到底什么是机械飞控飞机?

  除开矢量推力不谈,飞机在天上的所有动作都是依靠各种气动面的偏转组合而实现的:

  比如飞机要向左边翻滚,那么就需要左边的升力比较小,右边的比较升力大;这样形成的升力差,才会驱使飞机侧翻着往左边倒扣过去。这就得针对性的改变飞机左右两边的气动外形才行,各种气动面的偏转,核心目的就是实现对应的启动外形改变。

  而以最简化的主流控制设计来说,这种效果的实现,就是依靠机翼的翼型变化完成的——更具体的说,是左边的副翼往上偏(减小升力),右边的副翼往下偏(增大升力)。

  F15的翻滚机动,红圈副翼,红框水平尾翼。要注意的是,F15平尾也会通过不对称偏转,参与翻滚控制

  飞行员在做这个动作的时候,他的主要操作是把操纵杆往左边压倒,或者把操纵盘向左边偏转。这个动作的信号,是通过什么样的联系方式传递给副翼的,才是决定飞控类型的关键所在——比如机械飞控,或者电传飞控,又或者光传飞控。

  典型机械飞控构架

  飞控连杆

  所谓的机械飞控飞机,就是操纵杆/盘以及脚蹬的指令,会通过金属杆(比如轻质的高强度空心铝杆)或者钢索这样的机械结构传递——哪怕只是一部分。这是机械飞控最核心、最根本的特征。

  二:机械飞控是怎么进化成电传飞控的?

  实际上随着飞机的飞行高度和速度在不断增大,从很早的年代开始,机械飞控的信号通道就不是纯粹的机械结构了,而是引入了大量的电子电气部件,结合速度、高度、飞机自身运动趋势、飞行指令等等,对飞行过程进行辅助性的干预和修正,提升飞机的飞行稳定性和可控制性。

  F15飞控核心架构

  上图是F15的机械飞控原理,分别展示俯仰、横滚、偏航(方向舵)操作。红色标注是笔者早年研究F15飞控时做的注释,因为其中有部分存疑,且已没有精力勘误,不再放出。注意F15飞控同时采用了金属连杆与钢索,属于软硬混合式构架。

  后来高速、中大型飞机的机械飞控,几乎都是机械与电子电气控制的结合设计——比如F-15就是典型。不然飞机在天上总是不断摇摆跌荡的话,飞行员纵使能稳住飞机,也没精力干别的事情了。这类飞机中,整个气动面偏转幅度中,往往有15-25%(不同型号不同情况下并不一致)比例的权限被电子电气系统所占据。

  F16电传飞控

  随着飞控中的电子电气部分性能不断强化,以至于最终反客为主,权限达到100%;彻底取消金属连杆/钢索,使得飞行员与气动面之间完全不存在机械形式的联系以后,就形成了今天的电传飞控系统。

  三:有机械飞控备份,不等于就是机械飞控飞机

  对于一架飞机来说,通常谈及的它的飞控类型,是以其最主要、也是绝大多情况下使用的系统来定义的。在正常飞行过程中,机械飞控不参与飞机的控制,除了自重、占据身内空间(最终也要转化成飞机结构重量和阻力的增大)等因素带来的飞行性能降低之外,对飞行无其它影响。

  有机械飞控备份

  比如美军F18系列战机,就是数字电传飞控为主,但是保留了YF17原始设计上的机械飞控作为备份,后来一直到放大成重型机的F18EF平台上才被取消。而在大型飞机上,无论军民用飞机,机械飞控备份设计都不少见。

  比如从至今仍然是全球最先进军用运输机的C17,比如虽然已称不上最先进、但依然是技术非常领先的波音777,都具备机械飞控备份。

  四:运20采用机械飞控备份的核心理念:非相似原则,安全性优先于性能和成本

  运20采用机械飞控备份的核心理念,是刻意形成主系统和应急备份系统的差异性;尤其是硬件上、基本原理上的差异。这种非相似设计,可以把发生以下情况的几率降低到最小:由于设计、或者产品质量缺陷,出现一个毛病发作就导致所有系统全部崩溃失能的灾难性局面。

  运10是参照仿制的产品,飞控上参照蓝本设计

  运20是中国第一次独立开发大型运输机,其气动布局本身虽然是典型的世界主流成熟设计,控制思路也很明确;但是在具体的工程问题上,由于国内的经验欠缺,依然存在一定的不确定因素。在这种背景下,运20设计团队将极端情况下的安全性放置在首位,是完全可以理解的。

  五:机械飞控对运20最大的影响:只能用盘式操作

  机械飞控本身分为硬式(金属连杆为主)和软式(钢索为主)。运20这样的大型飞机由于尺寸太大,只能采用软式飞控;由操纵盘通过拉动钢索将操纵信号传递到气动面上。它的特点是操纵力很大,但是反应较慢,精确性较低。而机械飞控的战斗机则相反,由驾驶杆通过拉杆进行硬式传动,操纵力小、反应快,精确性高。

  用侧杆肯定是电传飞机,但不用侧杆也未必就不是电传飞机

  只针对电传飞控来说,由于只需要给出电信号,因此大飞机用驾驶杆还是方向盘都没有技术上的问题。但是运20由于保留了软式机械飞控,因此就必须采用操纵盘设计,而不能像空客的电传客机那样,使用战斗机式的侧杆。

  运20展出模型中的盘式操纵设计

  但对于大飞机来说,这点缺陷并不算严重——特别是考虑使用和训练习惯。比如波音787已经没有机械飞控备份,但是为了减小操纵差异,降低飞行员培训成本,依旧选择了操纵盘——这样以前飞777等机型的飞行员转飞787要容易的多,培训省时间省钱。

  结语:

  运20采用机械飞控备份,是一个不求最好,但求避免最坏的设计;虽然它花了很多钱,但这个设计这辈子都派不上用场,才是最好的事情。随着技术的成熟和发展,中国的下一代运输机,取消机械飞控备份,解放飞机性能,将会是顺理成章的事情。(作者署名:候知健)

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