徐瓊瓊

摘要 直升機飛行操縱系統(tǒng)和飛行控制系統(tǒng)是直升機上重要的兩個系統(tǒng)，直升機由于其獨特的飛行方式，導致它的操縱方式與固定翼飛機完全不同，直升機飛行控制系統(tǒng)是在飛行操縱系統(tǒng)的基礎上通過加裝輔助舵機，提高全機的穩(wěn)定性和操縱性；直升機旋翼的特點決定了直升機具有強耦合，弱穩(wěn)定的等特性，這也給飛行操縱及控制系統(tǒng)的設計提出了很高的要求。本文簡單描述了直升機飛行操縱及控制系統(tǒng)的特點，以及兩者之間的交聯(lián)設計特點及其應用。

關鍵詞 直升機；飛行操縱；飛行控制；交聯(lián)設計

中圖分類號 V2

文獻標識碼 A

文章編號2095-6363（2015）10-0025-02

1 直升機概述

直升機能夠垂直起降，能在空中向前、后、左、右各個方向任意運動，并且還能在一定高度保持懸停，對起落場地質量要求也不高。上述這些特點，使它日益廣泛地運用于軍事和民用的各個方面。直升機不僅在國民經濟各個部門（如農牧漁業(yè)、地質、石油、交通、電力和公安等）用作交通運輸、施肥滅蟲、地質勘探、海上石油開采、消防滅火、應急救生、吊裝巡線、城市治安、海關緝私等任務，而且在軍事上用作通信聯(lián)絡、邊境巡邏、炮兵觀測、后勤支援、戰(zhàn)地救護、襲擊登陸等任務，武裝直升機還可執(zhí)行對地火力支援、攻擊地面目標、反坦克、反潛艇、布雷和掃雷、以及與敵方武裝直升機進行空戰(zhàn)等任務。

按結構型式，可分為如下幾種。

1）單旋翼帶尾槳直升機。這種直升機的旋翼反作用扭矩靠尾槳推力來平衡。優(yōu)點是構造簡單、操縱系統(tǒng)簡單、成本較低。缺點是尾槳造成功率損失，重心定位范圍窄，尾部長，尺寸大。直8、直9均為此種型式。

2）共軸式雙旋翼直升機。兩副旋轉方向相反的旋翼安裝在一根軸上，旋翼的反作用扭矩互相平衡。共軸式直升機由于機身短，外形好，因而正面阻力小，而且外廓尺寸也小。缺點是操縱系統(tǒng)及傳動機構復雜，旋翼有相互干擾，方向穩(wěn)定性不夠。代表機種如前蘇聯(lián)的卡-28。

3）縱列式雙旋翼直升機。這種型式的直升機的兩個旋翼分別安裝在機身前后端。后面的旋翼通常高于前面旋翼的旋轉平面。這種型式的優(yōu)點是縱向穩(wěn)定性好，重心定位范圍廣，重量效率高，機身有效容積大，但是傳動系統(tǒng)復雜，平飛時誘導損失大，利用旋翼自轉進行滑翔降落困難。代表機種為美國的CH-47型直升機。

4）橫列式雙旋翼直升機。它有兩個位于機身兩側并在同一平面內反向旋轉的旋翼。這種直升機的優(yōu)點是操縱性及對縱軸和橫軸的穩(wěn)定性好，兩個旋翼存在有利的相互影響，平飛誘導損失小，因此經濟性較好，并且能保證乘員乘坐舒適。缺點是構造復雜，操縱系統(tǒng)復雜，迎風阻力大。代表機種如前蘇聯(lián)的米-12。

5）交叉式雙旋翼直升機。這種直升機的兩個旋翼位于機身兩側，但兩個槳轂之間很近。旋翼轉軸向外傾斜，旋翼的旋轉必須協(xié)調以免相碰。兩個旋翼的反作用扭矩對直升機的垂直軸平衡，但對橫軸的分量則要相加，因此會產生俯仰力矩。這種型式的優(yōu)點是正面阻力小，外廓尺寸小。但傳動系統(tǒng)復雜，槳尖可能碰地，不安全，直升機的平衡復雜。代表機種如美國的K-max。

6）傾轉旋翼機。這種型式的直升機在起飛時象橫列式直升機，起飛后旋翼軸相對于機體向前傾轉，旋翼錐體也隨之前倒，直升機逐漸轉入前飛，過渡到平飛時就象普通的固定翼飛機那樣，靠機翼產生升力，靠轉軸近于水平的旋翼產生向前的力。代表機種為美國的v-22“魚鷹”。

2 直升機飛行操縱系統(tǒng)

直升機在空中有六個自由度，即沿X、Y、Z三軸的移動和繞這三個軸的轉動。穩(wěn)定飛行時，直升機處于一種平衡狀態(tài)，作用在它上面的力和力矩合力為零。若要改變直升機的飛行狀態(tài)，必須對它進行操縱。所謂操縱就是改變作用在直升機上的力和力矩，即打破原來的平衡狀態(tài)，建立新的平衡狀態(tài)，直升機操縱具有以下特點。

1）對于直升機的6個運動自由度，只有4個直接的飛行操縱，（注：還有一個操縱是對發(fā)動機轉速或功率控制），因而對各自由度的控制并非彼此獨立。

2）直升機對操縱的響應，各軸間耦合嚴重（對擾動的響應也是如此），須由駕駛員或SCAS的修正動作予以消除。

3）升降、俯仰、滾轉操縱，皆經過旋翼揮舞這一環(huán)節(jié)，所以直升機響應滯后較大，而且揮舞慣性抑制了對于高頻操縱輸入的響應，起著過濾器的作用。駕駛員通過飛行操縱系統(tǒng)改變主旋翼和尾槳的槳距角，從而改變直升機的高度、速度和航向，以控制直升機的飛行?？倶嗖倏v桿能同時改變所有槳葉的槳距角，從而改變主旋翼的升力（FN）的大小。周期變距操縱桿能使主槳葉槳距角產生周期性的改變，來操縱旋翼槳盤的傾斜角，從而控制升力（FN）的方向。腳蹬的作用是改變尾槳的推力（TY）的大小來實現(xiàn)直升機的航向操縱。

由于現(xiàn)代的直升機的鉸鏈力矩一般比較大、飛行品質要求高并且不可逆助力器的技術已經相當成熟，所以通常采用不可逆助力操縱型式；對于鉸鏈力矩較小并且給駕駛員帶來的載荷負擔很小的直升機，可以考慮采用純機械操縱系統(tǒng)。

機械飛行操縱系統(tǒng)的線系一般有三種型式：硬式操縱、軟式操縱、軟硬混合式操縱。直升機縱向、橫向及總距操縱系統(tǒng)通常為硬式操縱；航向操縱系統(tǒng)可以為硬式操縱或軟、硬混合操縱；助力器之后的線系部分則多為硬式操縱。

3 直升機飛行控制系統(tǒng)

直升機有其獨特的優(yōu)點，能夠垂直起落不需要機場跑道，能夠空中懸停便于觀察和救護，能夠任意方向飛行（前飛，側飛，后飛等）機動靈活。但直升機也存在自身的缺點，如：載重較小，經濟性低，振動較大，舒適性差，操縱困難，穩(wěn)定性差等。

直升機作為控制對象，與固定翼飛機相比具有更復雜的氣動特性。如果把固定翼飛機看成六自由度的運動體，那么對直升機而言，還必須考慮旋翼和尾槳對機身的轉動，槳葉相對于鉸鏈接頭的轉動。除此之外，直升機本身還有一系列的特殊飛行狀態(tài)，例如懸停、垂直起落、自旋等。

由于直升機動特性的不穩(wěn)定，對電子反饋的依賴性大。目前世界上所有直升機的動特性都是不穩(wěn)定的，不穩(wěn)定的程度與直升機結構與飛行狀態(tài)密切相關。不穩(wěn)定的程度主要表現(xiàn)在縱向運動，特征根出現(xiàn)一對正實部的復根，表現(xiàn)為長周期運動不穩(wěn)定。

直升機各控制通道之間存在著嚴重的氣動耦合。由于直升機與固定翼飛機相比有更復雜的氣動特征與更特殊的飛行狀態(tài)，四個控制通道間存在著強軸間的耦合，在懸停狀態(tài)時更是如此。人工駕駛時必須由駕駛員進行復雜、緊張的控制協(xié)調，其駕駛難度比一般的飛機大得多。俯仰與橫滾交叉耦合，總距與俯仰，總距與航向之間的交叉耦合已成為直升機影響操縱品質的主要因素。因此解耦設計已成為直升機控制界普遍關注的研究課題。

直升機飛控系統(tǒng)通常由計算機、串聯(lián)舵機、并聯(lián)舵機和操縱臺組成，其控制原理是使用組合導航系統(tǒng)測量直升機的姿態(tài)、姿態(tài)角速率、線加速度等飛行參數(shù)，使用大氣速度系統(tǒng)測量直升機的空速、氣壓高度和垂直速度等飛行參數(shù)，這些參數(shù)送入飛控計算機進行控制率解算，再經過伺服回路驅動串聯(lián)、并聯(lián)舵機操縱液壓助力器實現(xiàn)俯仰、橫滾周期變距、尾槳變距和總距，使得直升機產生抬（低）頭、左（右）滾轉、左（右）偏航力矩，從而控制直升機。

典型的直升機飛控系統(tǒng)組成及控制律設計如圖所示。

4 直升機飛行操縱及控制系統(tǒng)交聯(lián)設計

現(xiàn)代直升機上，除機械人工操縱系統(tǒng)外，一般還有飛控系統(tǒng)（阻尼器、增穩(wěn)系統(tǒng)或控制增穩(wěn)系統(tǒng)）來改善直升機的操穩(wěn)特性以及自動駕駛儀來減輕駕駛員負擔和保證飛行安全。

飛控系統(tǒng)通常采用串聯(lián)舵機作為其執(zhí)行機構，串聯(lián)舵機串聯(lián)安裝于機械桿系之中，置于助力器之前，人工操縱時作為一根普通拉桿使用，增強控制時它的工作桿伸縮帶動其后面的線系和助力器運動，實現(xiàn)槳葉變距，而其前面的線系直至駕駛桿都保持位置不動。串聯(lián)舵機與后面的線系、助力器、槳葉以及直升機組成通常所稱的“內回路”。

飛控系統(tǒng)通常采用并聯(lián)舵機作為其執(zhí)行機構，并聯(lián)舵機與整個機械桿系并聯(lián)安裝，它工作時將帶動整個機械桿系連同駕駛桿一起運動。并聯(lián)舵機與機械線系、助力器、槳葉以及直升機組成通常所稱的“外回路”。

另外，增強系統(tǒng)和自動駕駛儀也可以將其執(zhí)行機構（串聯(lián)舵機和并聯(lián)舵機）與助力器相復合在一起，組成復合舵機。

飛行操縱系統(tǒng)與飛行控制系統(tǒng)的區(qū)別與聯(lián)系主要體現(xiàn)在以下幾點。1）從功能上劃分，飛行操縱系統(tǒng)實現(xiàn)駕駛員對直升機的開環(huán)操縱；飛行控制系統(tǒng)實現(xiàn)對直升機的閉環(huán)控制；2）從物理實現(xiàn)上劃分，飛行操縱系統(tǒng)以機械液壓為主；飛行控制系統(tǒng)：以電信號為主（模擬、離散、數(shù)字）。但飛行控制系統(tǒng)最終的變距實現(xiàn)必須借助與飛行操縱系統(tǒng)，所以兩者之間就存在交聯(lián)問題。

對于電傳或光傳飛控系統(tǒng)，由于物理實現(xiàn)上均是以電信號為主，所以從物理部件上已經很難將飛行操縱系統(tǒng)和自動飛控系統(tǒng)分開。其區(qū)別主要是功能上的，一般劃分為主飛控系統(tǒng)和自動飛控系統(tǒng)，其實現(xiàn)均是通過傳感部件、計算部件、執(zhí)行部件等完成。

5 結論

本文對直升機飛行操縱系統(tǒng)和飛行控制系統(tǒng)進行簡單綜述，并且對兩者之間的交聯(lián)設計特點進行詳細闡述了，希望能對初級入門的工程師具有一點參考意義。