Analysis of the Effect of Slight and Precise Manipulation on the Mechanical Control System

Analysis of the Effect of Slight and Precise Manipulation on the Mechanical Control System

Lei,Yanjun,,,Liang,Xing

1) AVIC Xi’an Aircraft Industry (Group) Company LTD, Xi’an 710089, China

小幅度精确操纵对机械操纵系统的影响分析

雷彦军  梁星

1)中航西安飞机工业集团股份有限公司，陕西 西安710089，中国

摘  要机械操纵系统具有刚度、间隙和摩擦力等固有属性。在不同工况情况下，这些因素在人机闭环中起到的重要性程度不同。空中加油阶段，需要进行精确操纵，机械操纵系统在外载荷作用下的弹性形变和间隙共同表现出操纵的空行程，从而对小幅度精确操纵产生不利影响。与此同时，在进行小幅度精确控制时，操纵的频次对机械操纵系统也有一定的影响。本文对机械操纵系统固有属性进行了分析，对小幅度精确操纵工况对操纵系统产生的影响进行了论述。

关键词  飞行控制，机械操纵系统，空中加油，小幅操纵，精确操纵

1．引言

人工飞行控制系统可以分为直接机械作动、可逆助力作动和不可逆助力作动等3类操纵系统[1]。直接机械作动的操纵系统可分为软式、硬式和混合式，软式机械操纵系统是指驾驶杆和脚蹬的运动通过钢索、滑轮传递至舵面，硬式机械操纵系统是通过硬式推拉杆、摇臂进行传动，混合式则是软式和硬式混合组成。随着飞机尺寸、速度和性能的不断调高，传统的机械操纵系统的体积大、重量重、结构复杂、传动过程中的空行程大、摩擦力大等缺点制约了其进一步发展，机械操纵系统也逐渐被控制增稳和全权限电传飞行控制系统取代，其研究进入了瓶颈期[1-3]。

飞行控制系统的动态响应特性决定了飞机的飞行品质。而飞行控制系统的精确操纵与系统本身的特性密切相关，即系统的固有属性影响精确操纵的程度，而精确操纵的过程也会对操纵系统产生影响。

本文梳理了机械操纵系统中影响空中加油阶段精确操纵的非线性因素，并以此为基础，探讨了精确操纵过程对机械操纵系统本身产生的所产生的影响。

2．机械操纵系统的非线性特性

软式机械操纵系统一般由钢索和滑轮组成，其最典型的属性是刚度和摩擦特性。钢索只能承受拉力，进行操纵时，钢索受拉会发生弹性形变而伸长，因此，操纵位移一部分用于拉伸钢索，一部分用于使舵面偏转，从而导致舵面的偏转落后于操纵装置的动作，表现出操纵的弹性间隙[4]。弹性间隙越大，操纵延迟越显著，操纵灵敏性越差，为减小钢索的弹性形变，通常会在装配时对钢索预先拉紧，使其具有一定的预紧力。同时，钢索变形量对外载荷和温度变化比较敏感，钢索过松会导致弹性间隙变大，钢索过紧会产生附加摩擦力。

硬式机械操纵系统主要由硬式推拉杆和传动摇臂等组成，其最典型的特性是传动机构之间的铰接间隙特性。铰接间隙在操纵装置处表现出传动的空行程，即飞行中座舱操纵的初始运动不能使操纵面运动。

GJB 185-1986中对座舱操纵的空行程的规定为“不应产生讨厌的飞行特性，特别是小振幅操纵输入的情况尤其如此。”因此，硬式操纵系统中的铰接间隙及其空行程是影响飞机飞行品质的重要因素，混合式操纵系统中的铰接间隙和钢索的弹性形变综合作用是影响飞行品质的主要因素。尤其是在小幅度精确操纵工况下，空行程的存在会带来系统跟随性变差，影响操纵精度，而飞行员为了实现精准操纵，必然会通过反复修正（即：增加操纵频次）来弥补操纵系统的非线性响应。该特性带来的操纵感受，在混合式机械操纵系统中表现更为明显。

3．小幅度精确操纵对机械操纵系统的影响

3.1钢索和钢索滑轮

钢索和钢索滑轮机构见图 1，钢索在装配时具有初始预紧力。操纵时，钢索在滑轮处进行往复运动，会弯曲疲劳和拉伸、扭曲、振动引起的疲劳，这些与钢索受到的载荷、弯曲次数有关。当进行小幅、精确操纵，钢索在滑轮上的往复运动次数较多，钢索滑轮的磨损和钢索的疲劳程度增加。而高频、小幅操纵产生的冲击力，会使钢索产生微小的弹性形变，轻微增加钢索产生的空
行程，进而影响精确操纵。

图 1 典型的钢索和钢索滑轮机构

3.2拉压杆和拉压杆滑轮导向机构

拉压杆滑轮导向件主要作用是辅助支撑拉压杆，并通过改变拉压杆的有效长度，约束拉压杆在大载荷下的形变量来提高其受压时的临界应力，以防止拉杆受压时失稳。拉压杆和滑轮导向件之间采用浮动支撑结构，两者之间有间隙以降低摩擦力。在使用过程中，拉杆和滑轮为滚动接触，会有轻微接触力，从而产生一定的摩擦力。当进行小幅、精确操纵时，拉杆的往复运动会对拉压杆表面和滑轮造成磨损，通常不会影响其完好性，其影响可忽略。

拉压杆之间的通常通过螺栓将叉耳与接头进行连接，接头内部装有轴承，在润滑良好的情况下，拉压杆之间的运动副产生的磨损量极小，但需要注意的是，运动副的磨损造成的铰接间隙会随着使用量而增加，长时间的小幅、精确操纵会使铰接间隙变大，使系统各固有接间隙进一步增大，产生较为明显的操纵空行程。

4．结论

软式和硬式机械操纵系统的占主要地位的非线性因素不同，软式主要为刚度和摩擦力，硬式主要为铰接间隙。对操纵装置而言，刚度引起的弹性形变和硬式的铰接间隙表现为操纵的空行程，进而引起操纵的延迟，从而影响精确操纵。而系统的摩擦力则会影响回中性和启动力，这与飞行品质密切相关。

本文分析了小幅精确操纵工况下，各类传动机构所受的影响。小幅精确操纵会使传动机构进行较多频次的往复运动，并伴随有交变受力，长期在此工况下使用，使得钢索滑轮的磨损和钢索的疲劳程度增加，铰接间隙也会有一定增加。在此工况下，由于系统存在固有铰接间隙，以及交变作用下较为明显的钢索弹性形变，两者综合作用下，混合式机械操纵系统的跟随性会有较为明显的下降，对飞行品质产生一定影响。

参考文献

[1]  吴文海，高阳，汪节. 飞行控制系统的发展历程、现状与趋势. 飞行力学，2018(8): 1-5.

[2]  王慧，刘世前. 大型飞机机械操纵系统的精确控制研究. 内燃机与配件，2019(21): 232-235.

[3]  田力伟，舒振杰. 人工飞行控制系统的设计要求浅析. 航空标准化与质量，2012(5): 19-22.

[4]  徐鑫福，冯亚昌. 飞机飞行操纵系统. 北京：北京航空航天大学出版社，1989.