薛 瀛，郭建偉，田金強(qiáng)，張 勇

上海飛機(jī)設(shè)計(jì)研究院，上海 200232

0 引言

飛機(jī)駕駛盤操縱力驗(yàn)證是對(duì)飛機(jī)操縱穩(wěn)特性的一個(gè)重要方面，是飛機(jī)試飛、適航取證考核的重要指標(biāo)。駕駛盤安裝于駕駛艙內(nèi)，其空間狹小、結(jié)構(gòu)復(fù)雜，很難布置較大的測(cè)試儀器。如果對(duì)駕駛盤本身進(jìn)行改裝容易造成飛行員操縱不便，影響飛行安全，且無(wú)法達(dá)到較好的測(cè)量結(jié)果。

通常飛機(jī)的駕駛盤主要用來(lái)控制副翼舵面，對(duì)飛機(jī)進(jìn)行滾轉(zhuǎn)操縱，其駕駛盤行程與舵面行程具有對(duì)應(yīng)關(guān)系，使飛行員可以較直觀的了解此時(shí)舵面的狀態(tài)。大多數(shù)飛機(jī)駕駛盤都是通過(guò)鋼索傳動(dòng)，經(jīng)過(guò)一系列的傳力轉(zhuǎn)化操縱舵面運(yùn)動(dòng)的。在現(xiàn)代電傳飛機(jī)中駕駛盤鋼索已經(jīng)不需要直接連接舵面，通過(guò)鋼索帶動(dòng)傳感器運(yùn)動(dòng)，將電信號(hào)發(fā)往舵面處的作動(dòng)器，推動(dòng)舵面運(yùn)動(dòng)[1]。

因此電傳飛機(jī)的駕駛盤鋼索僅用于將飛行員操縱側(cè)的駕駛盤和傳感器，將飛行員的操縱位移轉(zhuǎn)化為電信號(hào)。其傳力路徑單一、直接，飛行員的操縱力完全作用在鋼索本身的張力上。通過(guò)測(cè)量鋼索張力可以反映出飛行員的操縱力。

1 電傳飛機(jī)盤力系統(tǒng)介紹

1.1 盤力的組成

圖1 感覺力包線

由于電傳飛機(jī)不能從舵面直接感受到舵面載荷，為了還原真實(shí)的飛機(jī)操縱感受，給飛行員以直觀的感受飛機(jī)的狀態(tài)，避免飛行員出現(xiàn)誤操縱影響飛機(jī)安全，所以合理的感覺力設(shè)計(jì)是電傳飛機(jī)的一個(gè)重要組成部分[2]。對(duì)于目前主流的設(shè)計(jì)思路，電傳飛機(jī)的盤力感覺系統(tǒng)主要包括：彈簧力；啟動(dòng)力；動(dòng)摩擦力[3]。

啟動(dòng)力：又稱定中力，是操縱器件維持中立位置的特性。啟動(dòng)力的主要來(lái)自機(jī)械系統(tǒng)本身的靜摩擦力，例如飛行員操縱駕駛盤由靜止到運(yùn)動(dòng)會(huì)有一個(gè)操縱力，該力就是啟動(dòng)力，

彈簧力：該力用于模擬飛行員因操縱位移的變化產(chǎn)生的舵面載荷變化。其本質(zhì)是根據(jù)彈簧的形變引起的，操縱位移越大所需的操縱力越大。

動(dòng)摩擦力：該力是系統(tǒng)機(jī)械特性所決定的，與接觸面表面的粗糙程度和相對(duì)壓力有關(guān)，一般來(lái)說(shuō)操縱力越大，動(dòng)摩擦力越大，感覺力包線就越寬。

1.2 盤力的傳遞

駕駛盤和傳感器系統(tǒng)之間為鋼索連接，所有的力通過(guò)鋼索進(jìn)行傳遞，駕駛盤后部為一滑輪分別纏繞兩根鋼索，每根鋼索通過(guò)卡塊纏繞在滑輪之上，同樣的在彈簧系統(tǒng)處也有一個(gè)滑輪相對(duì)應(yīng)纏繞如圖2所示：

圖2 駕駛盤操縱簡(jiǎn)圖

由圖2可知，駕駛盤本身并無(wú)任何力感設(shè)備，所有的力源均來(lái)自鋼索連接處的彈簧系統(tǒng)。因此駕駛盤上的操縱載荷完全通過(guò)鋼索傳遞到彈簧系統(tǒng)之上。

在順時(shí)針操縱駕駛盤時(shí)，主要的載荷均由鋼索1承受，在逆時(shí)針操縱駕駛盤時(shí)，主要的載荷均由鋼索2承受，如圖3所示。

2 盤力分析

2.1 鋼索受力分析

在操縱駕駛盤時(shí)，由于主動(dòng)側(cè)鋼索受拉出現(xiàn)變形，彈簧系統(tǒng)從動(dòng)端并非嚴(yán)格按照傳動(dòng)比進(jìn)行運(yùn)動(dòng)，行程略有滯后，假設(shè)駕駛盤運(yùn)動(dòng)角度θ1，彈簧系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)角度θ2，駕駛盤半徑r，彈簧系統(tǒng)滑輪半徑R，鋼索原長(zhǎng)度L，兩根鋼索材料一致，且預(yù)緊力一致均為F’。

圖3 鋼索運(yùn)動(dòng)分析圖

在順時(shí)針運(yùn)動(dòng)時(shí)鋼索1呈以下關(guān)系：

θ2＜θ1*r/R；

鋼索1受載后長(zhǎng)度L1：

L1=L+（θ1*r/2π-θ2*R/2π）。

對(duì)于鋼索2的兩端由于同軸，駕駛盤和彈簧系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)角度仍為θ1和θ2，但主動(dòng)端變?yōu)閺椈上到y(tǒng)端，因此鋼索2的長(zhǎng)度L2為：

如圖4所示：

圖4 鋼索受力原理圖

由于兩根鋼索彈性系數(shù)K近似，根據(jù)胡克定律可知鋼索1張力F1和鋼索2張力F2分別為：

在一根鋼索受載操縱時(shí)另一根鋼索卸載操縱因此鋼索張力呈現(xiàn)出一邊上升而另一邊下降的趨勢(shì)。

2.2 駕駛盤受力分析

對(duì)于駕駛盤滑輪作用點(diǎn)的合力F如圖5所示為：

圖5 駕駛盤受力圖

兩點(diǎn)作用力為同心，因此根據(jù)力矩平衡得到駕駛盤處的操縱力F操縱力：

F操縱力*r盤= F *r；

其中：F合為駕駛盤滑輪處的合力；

r盤為駕駛盤把手處的有效半徑；

r為駕駛盤滑輪的有效半徑。

3 試驗(yàn)驗(yàn)證及結(jié)果分析

為了驗(yàn)證通過(guò)測(cè)量鋼索張力換算得到駕駛盤操縱力方法的可行性，本文專門在試驗(yàn)平臺(tái)上驗(yàn)證了該方法，通過(guò)在駕駛盤鋼索中段加裝測(cè)試應(yīng)變體，利用應(yīng)變體形變測(cè)量鋼索所收的載荷，如圖6所示：

圖6 鋼索測(cè)量試驗(yàn)圖

鋼索張力測(cè)量結(jié)果如下圖7所示：

圖7 鋼索張力測(cè)量圖

換算成盤力值如下圖8所示，可以看出通過(guò)測(cè)量鋼索張力得到的駕駛盤操縱力與圖1的設(shè)計(jì)狀態(tài)基本吻合，可以較好的得到駕駛盤的操縱力。

圖8 盤力換算圖

4 結(jié)論

本文主要介紹了通過(guò)測(cè)量鋼索張力換算得到駕駛盤操縱力方法的理論依據(jù)和推導(dǎo)過(guò)程。為電傳飛機(jī)盤力測(cè)量一種有效的解決方法。經(jīng)過(guò)試驗(yàn)證實(shí)，該方法有效測(cè)量駕駛盤操縱力，同加裝在駕駛盤處的扭矩傳感器測(cè)量得到的數(shù)據(jù)基本吻合，盤力曲線符合設(shè)計(jì)要求。

[1]林豐俊.CRJ200飛機(jī)飛行操縱系統(tǒng)設(shè)計(jì)分析[J].民用飛機(jī)設(shè)計(jì)與研究，2001，4：32-39.

[2]李浩，王海燕.電傳操縱系統(tǒng)在民用客機(jī)中的新發(fā)展[J].中國(guó)民航學(xué)院學(xué)報(bào)，2000，6：8-11.

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