十四、飛行控制系統(tǒng)

飛機在空中飛行的時間有時很長（十幾個小時），且飛行姿態(tài)變化較小，使飛行員感到非常疲勞；另一方面，飛機一旦在空中突然遭遇氣流不穩(wěn)定的情況（例如陣風或紊流），由于變化快，飛行員往往很難操縱飛機。因此，為了減輕飛行員的負擔、提高飛機的安全性、操縱性和穩(wěn)定性，就需要發(fā)展控制系統(tǒng)。

飛機的操縱可分為人工操縱和自動控制兩類。人工操縱是指駕駛員通過操縱裝置操縱氣動舵面、發(fā)動機油門桿或閥門開關(guān)等方式控制飛行器的飛行。自動控制是指通過飛行自動控制系統(tǒng)，自動完成對氣動舵面和發(fā)動機油門桿的操縱，駕駛員只進行監(jiān)控和在必要的時候切換到人工操縱。

1.飛機的操縱系統(tǒng)

是將飛行員的操縱動作指令傳達給氣動舵面或其它操縱機構(gòu)的系統(tǒng)，經(jīng)歷了從機械操縱系統(tǒng)、液壓助力操縱系統(tǒng)到電傳操縱系統(tǒng)的發(fā)展過程。

（1）機械和液壓助力操縱系統(tǒng)

機械操縱系統(tǒng)隨著飛機的發(fā)明同時出現(xiàn)，由連桿、搖臂、支座、鋼索、滑輪等零部件組成（圖1）。機械操縱系統(tǒng)屬于飛機的結(jié)構(gòu)部分，一般不將其列入機載設備，目前仍舊在一些輕小型飛機和直升機上使用。

隨著飛機飛行速度的提高，氣動舵面的載荷越來越大，以至于僅憑飛行員個人的力量不能完成必要的操縱動作。為了克服這一問題，發(fā)展了液壓助力操縱系統(tǒng)（圖2）。這樣，飛行員只需將操縱桿的位移量傳輸給液壓系統(tǒng)，由它去承擔驅(qū)動氣動舵面的較大的操縱力，自己只需用很小的力就可移動操縱桿和腳蹬。

（2）電傳操縱系統(tǒng)

機械操縱系統(tǒng)存在間隙、摩擦和變形等缺點，液壓助力操縱系統(tǒng)則重量和尺寸都較大。為了改善飛機的操縱品質(zhì)和減小操縱系統(tǒng)的重量和尺寸，又發(fā)展了電傳操縱系統(tǒng)。

電傳操縱系統(tǒng)將飛行員的操縱動作通過操縱桿轉(zhuǎn)變?yōu)殡娭噶钚盘?，由電纜傳輸?shù)叫盘柼幚硐到y(tǒng)處理后，控制執(zhí)行機構(gòu)和助力器（如液壓舵機、電動舵機）輸出力和位移，操縱氣動舵面來駕駛飛機。由于是用電纜代替操縱系統(tǒng)的傳動機構(gòu)和液壓助力操縱系統(tǒng)的液壓管路傳遞操縱信號，因而得名電傳操縱系統(tǒng)。

電傳操縱系統(tǒng)主要由電子器件構(gòu)成，屬于機載設備范疇。電傳操縱系統(tǒng)包括駕駛桿、桿力傳感器（或桿位移傳感器）、信號放大器、信號綜合處理和余度管理計算機、飛行參數(shù)傳感器（如高度、速度傳感器等）、執(zhí)行機構(gòu)與助力器等部件（圖3）。

由于操縱指令要通過許多元器件，因此相對機械操縱系統(tǒng)而言，電傳操縱系統(tǒng)故障概率要高一些。為了提高可靠性，目前主要采用余度技術(shù)。所謂余度技術(shù)，是指在同一架航空器上并行著三套（或四套）相同（或相似）的電傳操縱裝置，通過計算機軟件把它們組合在一起，形成幾個操縱通道。幾套裝置同時工作、互相監(jiān)測，發(fā)現(xiàn)故障自動并隔離有故障的通道，其余通道則繼續(xù)正常工作，保持原有的操縱性能，從而提高了系統(tǒng)的可靠性。

2.飛機的自動控制系統(tǒng)

電傳操縱系統(tǒng)的出現(xiàn)，使得發(fā)展自動駕駛儀成為可能。自動駕駛儀不僅可以代替駕駛員操縱飛機，還可以對飛機進行增穩(wěn)、提高其飛行性能和避免危險飛行等。自動駕駛系統(tǒng)是現(xiàn)代飛行器的主要機載設備。軍用殲擊機、轟炸機，民用客機、運輸機，航天飛機、飛船等均采用了自動駕駛系統(tǒng)，代替駕駛員完成一定的飛行任務。而無人駕駛飛機則完全由自動駕駛系統(tǒng)根據(jù)預先給定的程序飛行。自動駕駛系統(tǒng)能夠幫助飛行員完成預定的航線飛行；完成復雜氣象條件下的自動起飛、著陸；還可在其它導航系統(tǒng)的協(xié)助下，完成如地形跟蹤等難度較大的特殊飛行任務。

為了介紹自動駕駛儀的工作原理，下面以飛機的等速直線飛行為例，說明飛行員操縱飛機俯仰運動的過程。所圖4所示，飛行員通過眼睛觀察地平儀或座艙外景物來判斷飛機俯仰姿態(tài)的變化。如果飛機偏離水平狀態(tài)，飛行員用手操縱駕駛桿，由傳動系統(tǒng)將駕駛桿的運動傳遞到升降舵；升降舵的偏轉(zhuǎn)引起飛機俯仰力矩變化，使其恢復到水平狀態(tài)。在這個過程中，飛行員要根據(jù)姿態(tài)角的變化不斷改變駕駛桿量，調(diào)整升降舵，使飛機保持水平飛行狀態(tài)。

采用自動駕駛儀代替飛行員時，它會模仿飛行員的駕駛過程，用測量姿態(tài)角的敏感元件代替飛行員的眼睛，判斷飛機偏離給定姿態(tài)角的情況，然后傳輸給綜合放大裝置（代替飛行員的大腦）進行運算處理，并結(jié)合飛機當時的其它飛行參數(shù)（速度、高度等）給出合理的操縱指令，并傳達給執(zhí)行裝置（用以代替飛行員的手和腳）直接操縱舵面，使飛機回到給定的飛行姿態(tài)。

自動駕駛儀主要包括敏感元件、綜合放大裝置、執(zhí)行裝置三個部分，以及人工操縱指令輸入裝置。在自動駕駛儀工作過程中，駕駛員可輸入飛行參數(shù)（速度、高度、航向等），以便自動駕駛儀按照給定的參數(shù)操縱飛機飛行。飛行員也可隨時中斷自動駕駛儀的操縱，改為人工操縱飛行（圖5）。

自動駕駛儀不僅能在長時間的巡航飛行中使用，還能在起飛和著陸過程中使用?，F(xiàn)代無人機從起飛到任務飛行再到著陸都可進行自動駕駛。艦載無人機還可利用自動駕駛儀自主著艦并掛上攔阻索。著陸是飛行中一個非常重要的階段，飛行員必須在很短的時間內(nèi)完成許多要求很高的操作，特別是在機場區(qū)域能見度不良的情況下，如云層低，有霧、雨及夜間等目視識別困難或完全不能識別時，采用自動駕駛儀自主著陸或輔助駕駛員著陸，可以大大提高飛機的著陸安全。

3.航模級小型無人機的

飛行控制系統(tǒng)

航模級小型無人機上使用的飛行控制系統(tǒng)（也稱自駕儀或飛控），原理上與上面介紹的相同，只是系統(tǒng)的尺寸和重量更小、也更簡化。

國外小型無人機及其飛控技術(shù)發(fā)展較早，目前己有十幾種較成熟的飛行控制系統(tǒng)產(chǎn)品，有些精度己達戰(zhàn)術(shù)級無人機的水平。典型的產(chǎn)品有：美國的AP50系列、Piccolo系列（圖6），加拿大的MP2028、MP2128系列（圖7），以及由瑞士蘇黎世聯(lián)邦理工大學實驗室和一些優(yōu)秀個人組成的團隊開發(fā)并更新的APM開源飛行控制系統(tǒng)（圖8）。

國內(nèi)近年來在小型無人機的飛行控制系統(tǒng)方面取得了很大的進展，多個公司擁有自己的品牌產(chǎn)品，如：零度智控公司出品的"雙子星”（GEMINI）多旋翼飛控（圖9）、YS09固定翼飛控，大疆公司出品的WooKong系列多旋翼飛控，普洛特公司出品的UPx系列飛控。

這些產(chǎn)品采用低功耗的運算處理器，集成有GPS、氣壓高度計、三軸慣性器件、雙軸磁力計等多種傳感器，并提供標準的舵機接口（控制油門、升降、方向、副翼、傘降的舵機）和地面站通信接口，完全能夠滿足小型無人機所需要的主要功能：穩(wěn)定飛行器、導航和任務控制。（未完待續(xù)）