飞机操纵钢索线系张力调整研究与分析

飞机操纵钢索线系张力调整研究与分析

杨杰文

航空工业陕西飞机工业有限责任公司，陕西汉中，723213

摘要：飞机操纵系统的张力调整，是飞机操纵品质控制系统中的一个重要环节。由于飞机操纵过程中受到复杂的非线性、强耦合的非定常气动力和气动力矩，使得飞行员难以通过传统的理论计算来对张力进行调整。本文针对目前我国飞机操纵钢索线系张力调整技术和理论研究方面存在的问题，提出了一种钢索线系张力调整分析方法，并通过仿真分析研究不同飞行状态下钢索线系张力调整规律。

关键词：飞机；飞行员；操纵品质；控制理论

引言

飞机操纵系统是现代航空航天飞行器重要的组成部分，对飞机的性能起着决定性作用。为了使飞行员能更好地控制飞机，并保障飞行安全，需要在驾驶过程中对飞机操纵系统中的张力进行调节，即要控制飞行员所需要的操作张力。 近年来，随着航空工业不断发展和进步、现代空中交通量持续增加以及大型运输机等一系列新机型的出现，飞行员驾驶难度增加，特别是飞行员对飞机操纵系统中张力调节问题越来越重视。 在过去10多年里开展了大量相关理论研究和试验验证工作，在保证飞行安全、提高操纵品质方面取得了一些重要成果。 然而，从目前的研究来看，由于受复杂非线性气动力、气动力矩和机翼扭转力场影响下导致飞机操纵系统张力难以通过理论计算进行有效调节控制等因素影响，使得对飞行员进行张力调整存在着较大难度。

一、相关理论基础

飞机操纵系统在正常飞行状态下，飞行员只需要通过传统的调节方式即可使飞行系统保持稳定。 但是在特殊飞行状态下，飞行员需要通过对飞机操纵舵面进行调整以改变钢索的受力状态，此时将导致钢索的受力状态发生变化。 这种力在飞行员操纵飞机时将产生一系列复杂的非线性作用，使得飞行员无法根据理论计算得到的数据来对张力进行调整。 这种因飞机钢索受力状态变化而产生的调整张力问题，称为“非定常气动力调整”（简称“气包效应”）问题。飞机钢索线系中主要的张力由一根或多根钢绳来承担，主要包括了横向力和纵向力。 横向力的大小主要取决于钢绳的直径、钢丝绳中所含钢芯数量以及钢丝绳线径，而钢芯受力情况与钢丝绳的直径和钢丝绳线径密切相关。 纵向力主要取决于钢绳中所含钢芯数量、钢丝绳线径与钢芯数的比例关系，一般以每根钢筋为单位来表示。 飞机操纵系统在水平飞行时，飞机纵向力的大小与操纵杆所能提供的横向力成正比，因此在操纵系统设计中应该充分考虑到横向力、纵向力和弯矩之间的关系。 当操纵特性（如俯仰力矩、横滚角度等）与飞机纵向力和横向力大小无关时，就可以认为飞机纵向阻力是恒定不变的。 当飞机处于垂直飞行状态时（即垂直速度很大时），纵向阻力主要由侧向力来承担，因此在设计中要充分考虑侧向力对系缆产生的附加影响。

二、钢索线系张力调整分析方法的设计原则和实现过程

首先，针对目前飞机操纵系统中普遍存在的非线性、强耦合非定常气动力和气动力矩等问题，提出了一种基于钢索线系气-液-固耦合非线性动力学模型理论分析方法，通过数值仿真计算验证了该方法的有效性以及在钢索线系张力控制方面应用的可行性。 其次，针对目前钢索线系张力调整分析方法中存在不能反映飞行员动态操作过程实际情况、对飞行过程中可能产生张力不合理现象缺少有效措施等问题，提出了一种基于数据驱动和遗传算法相结合实现张力调整效果最优、能够反映飞行员动态操作过程实际情况的仿真计算方法。

飞机操纵系统包括操纵机构、操纵控制、钢索线系统及其他系统。飞机的主要操控方式是气动驾驶，其操纵控制的核心是操纵机构，通常包括操纵臂、舵面和钢索三部分。操纵机构是由液压伺服阀驱动的，液压伺服阀是由压力传感器提供驱动信号并通过压力控制阀进行控制的。 当飞机处于运动状态时，需要在一定条件下改变操纵杆的位置和方向，以达到安全、迅速、准确的目的。如果在飞机正常飞行过程中出现不符合安全要求的情况；或在操作过程中发生意外中断或发生故障时，则必须对飞机操纵机构进行调整或更换。

对钢索线系收放控制系统的理论研究和试验仿真结果进行了综合分析。根据飞机性能需求和数据特点，设计了相应的控制系统软件，并对所设计软件进行了性能验证。针对钢索线系收放控制系统设计要求，建立相应的模型，采用有限元方法仿真分析钢绳的变形规律及其对控制系统的影响；对钢索线系统进行了建模并建立其运动方程；对钢绳的动力学特性进行分析，并基于钢绳动力学模型研究其张力变化规律及张力调整策略。结合飞机操纵特性，设计了相应的操纵系统动力学模型并建立了相关仿真计算模型；对飞机操纵过程中受力进行分析和仿真计算。研究了钢绳子系张力与飞机操纵载荷之间关系；分析了钢绳张力变化因素对钢绳动态特性的影响规律和方法。总结并展望该领域的研究趋势及未来发展方向。

三、仿真计算分析

通过仿真软件 MATLAB，分析不同飞行状态下飞机和钢索线系的动态响应特性。基于飞机操纵系统动力学特性，建立钢索线系张力模型。建立飞机操纵运动模型，并通过仿真软件 MATLAB对其进行仿真分析。提出并设计了一种具有实时反馈的飞行控制系统，在飞行过程中实时对钢索线

系统进行张力调整，减少飞机地面滑行时对其造成的损伤。提出基于滑模变结构控制的飞行控制器设计方案。提出一种具有实时反馈控制功能和实时状态显示功能的高精度钢索线系张力调整策略。开展了对不同状态下的钢索线系统阻力测量和分析，为提高飞机控制系统实时性、可靠性提供依据。

飞机在地面滑跑时，速度与水平速度基本保持一致；当飞机加速至一定的速度后，开始以较大的偏航角爬升，并在此过程中产生较大的水平纵向偏航力矩。 飞机在以较大偏航角度爬升时，会出现与前一个动作类似的现象，即飞机爬升过程中有明显的上下偏航角；而当爬升角度逐渐减小时，则会出现水平纵向偏转力矩。

本文的仿真分析中，考虑到飞机运动特性及操纵系统对钢索张力调节的影响，其数学模型采用广义势流理论。 考虑到实际飞行中飞机所受气动载荷会在飞行过程中产生波动且存在时变现象，所以本文采用等效自由模态分析方法对钢索线系进行分析。 等效自由模态分析法主要用于分析自由状态下的振动特性，其方法是通过求解广义势函数得到飞机运动响应，并将飞机在某一时刻的运动用等效自由模态表示。根据上述分析，可以得到飞机上钢索线系的张力调节范围和方法，其主要内容包括：在给定的飞行条件下，当采用调整钢索张力的方法时，在飞行中通过调节张力来调节飞机操纵系统的稳定性。当飞机飞离地面时通过控制钢索张力来保证其操纵系统的稳定性，以减小其振动。

四、结论

通过本文的分析，可以看出：一是在飞机操纵系统设计中，必须考虑飞行员的操纵特性和飞机所处工作环境，因此建议在设计相关操纵系统时，在保证操纵性、稳定性和安全性等前提下，充分考虑飞行员的操纵特性；二是对于需要张力调整的控制指令应进行严格的验证，保证设计方案与飞机实际工作状态相一致；三是在实际飞行过程中需要综合考虑各因素带来的影响。 因此本文将进一步研究如何通过有效分析和处理这些影响因素来获得更好控制效果。 此外，本文根据某型号飞机钢索线系特点提出了一种新控制方法并进行了验证；这种方法是从飞行数据中获得钢索张力变化信息并通过控制算法来实现张力调整。 但是该控制方法并不是万能的，在实际飞行过程中会遇到各种复杂情况：如：系统本身结构特点、气动参数及地面设备条件等都会影响控制效果。

参考文献：

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