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1、飞机结构与系统第五章：飞机飞行操纵系统,航空工程学院飞机系,2012.11,Page2,飞机飞行操纵系统是飞机上用来传递操纵指令，驱动舵面运动的所有部件和装置的总合。 驾驶员通过操纵飞机的各舵面和调整片实现飞机姿态的改变，以完成对飞机的飞行状态、气动外形的控制,Page3,飞机的操纵面,Page4,飞机的操纵面,Page5,俯仰配平,飞机的操纵面,Page6,俯仰配平,方向舵,飞机的操纵面,Page7,俯仰配平,方向舵,扰流板,飞机的操纵面,Page8,本章内容,5.1 简单机械操纵系统 5.2 有助力器的飞机操纵系统 5.3 调节飞机操纵性的装置 5.4 辅助操纵装置 5.5 电传操纵装置

2、5.6 飞行操纵警告系统,Page9,一、对飞机操纵系统的要求,中央 操纵机构,5.1 简单机械操纵系统,二、飞机操纵系统的工作原理 飞机飞行操纵系统的分类(根据操纵信号的来源) 人工飞行操纵系统 主操纵系统： 手操纵机构：操纵升降舵、副翼 脚操纵机构：操纵方向舵 辅助操纵系统：扰流板、调整片、前缘襟翼、 后缘襟翼、水平安定面的操纵系统 自动飞行控制系统,Page10,飞行操纵系统（中央操纵机构）,Page11,1、飞机的纵向操纵 飞机的纵向操纵是通过操纵驾驶杆或驾驶盘控制升降舵来实现的。,Page12,2、飞机的横向操纵 飞机的横向操纵系统是通过操纵驾驶杆或驾驶盘控制副翼来实现的。,Page

3、13,Page14,3、飞机的航向操纵 飞机的航向操纵是通过脚蹬控制方向舵来实现的。,Page15,三、中央操纵机构的机构和工作原理 飞机主操纵系统是由中央操纵机构和传动系统两大部分组成。 手操纵机构 手操纵机构一般分为驾驶杆式和驾驶盘式两种，图为驾驶杆式手操纵机构及其原理,Page16,驾驶盘式手操纵机构,Page17,侧杆操纵机构 输入力信号，输出电信号；前后、左右摆动时发出互不干扰的电信号,Page18, 脚操纵机构 脚操纵机构有脚蹬平放式和脚蹬立放式两种。,Page19, 脚操纵机构 脚操纵机构有脚蹬平放式和脚蹬立放式两种。 脚蹬平放式脚操纵机构 平行四边形机构保证脚蹬只做平移而不转动

4、,Page20,脚蹬立放式脚操纵机构,之一,之二,Page21,（一）传动机构的构造形式 软式传动机构： 主要由钢索、滑轮等构件所组成； 硬式传动机构： 主要由传动杆、摇臂等构件所组成； 混合式传动机构： 由软式、硬式传动机构混合组成。,四、传动机构的构造和工作原理,四、传动机构的构造和工作原理,Page22,（二）硬式传动机构的主要构件 1、传动杆，传动杆又称为拉杆。传动杆的接头如图所示。在传动过程中，传动杆不仅要作往复直线运动，而且要相对于摇臂转动。,Page23,2、摇臂 摇臂通常由硬铝材料制成，在与传动杆和支座的连接处都装有轴承。 放大或缩小力的作用,Page24, 放大或缩小位移的作

5、用,Page25, 放大或缩小运动速度的作用,Page26, 改变传动杆运动方向,Page27,差动摇臂：当驾驶杆左右或前后移动的位移相等，而舵面上下偏转的角度不等，称之为差动操纵，实现差动操纵最简单的机构是双摇臂，称为差动摇臂，其工作原理如图所示：,Page28,3、导向滑轮 导向滑轮是由三个或四个小滑轮及其支架所组成。它的功用是：支持传动杆，提高传动杆受压时的杆轴临界应力，使传动杆不至于过早地失去总稳定性。,Page29, 软式传动机构的主要构件 1、钢索：钢索是由钢丝编成的。只能承受拉力，不能承受压力。,规格型号 77 719,股数,钢丝数,Page30,有预加张力和无预加张力的钢索，在

6、传动中所受的张力。,Page31,2、滑轮和扇形轮 滑轮用来支撑钢索和改变钢索的运动方向； 扇形轮（扇形摇臂）除了具有滑轮的作用外，还可以改变力的大小,Page32,3、松紧螺套 松紧螺套用来调整钢索的预紧力。调松钢索时，螺杆末端不应超过小孔的位置,Page33,4、钢索张力补偿器,飞机机体上的外载荷的变化和周围气温变化，使机体结构和操纵系统之间产生相对变形，因而钢索可能会变松或过紧。 变松将发生弹性间隙，过紧将产生附加摩擦。 钢索张力补偿器的功用是保持钢索的正确张力。,Page34,五、飞机飞行操纵系统的传动系数、传动比及非线性传动机构 操纵系统的传动系数 舵偏角与杆位移X的比值,Page3

7、5, 操纵系统的传动比,Page36, 改变传动比和传动系数的机构非线性传动机构,传动系数不变的操纵系统，不能满足对飞机操纵性的要求： 传动系数大,小舵面偏转角时，杆行程太小，难以准确控制 传动系数小，舵面偏角很大时，杆行程过大 装有非线性传动机构的操纵系统，杆行程与舵面偏角之间成曲线关系,Page37,六、气动力补偿及气动力平衡 气动补偿的目的：降低铰链力矩，减小驾驶员操纵飞机的疲劳程度 气动补偿方法：移轴补偿、角式补偿、随动补偿、内补偿、操纵调整片,舵面铰链力矩,Page38, 移轴补偿 将铰链轴后移，轴前面积即为补偿面积,Page39, 角式补偿 将一小部分舵面伸出于铰链轴的前面，形成一

8、个角，该角的面积约占操纵面面积的6-12%,Page40, 随动补偿 随动补偿片也称随动调整片，在舵面后缘有自己转轴的可旋转小翼面。随着舵面的偏转，补偿片向与舵面转动方向相反的方向转动。,Page41, 内补偿 补偿面积位于机翼后缘的空腔内，该空腔由气密布隔成上下两部分。一般用在副翼上,Page42, 操纵调整片,Page43, 气动力平衡：飞机处于某一飞行状态时，完全消除驾驶杆力，实现松杆飞行 1、配平调整片：调整片一般用于飞机配平，当飞机着陆时，如果需要也可以利用调整片带动升降舵向上偏转来减小驾驶杆的拉力。,Page44,气动平衡与气动补偿的区别： 功能不同：气动平衡是将铰链力矩完全抵消，

9、驾驶员松杆，飞机仍保持飞行姿态；气动补偿是驾驶员操纵舵面偏转时，减小铰链力矩 操纵方式不同：气动平衡装置不是随操纵面偏转来起作用的，而是通过独立的配平手轮或配平电门操纵,Page45,2、补偿配平调整片：又称助力配平调整片。,驾驶员直接操纵舵面:调整片按补偿调整片原理工作，起助力作用 驾驶员操纵调整片操纵机构（转盘或手柄），起配平作用,Page46,安装角可变的水平安定面,通过改变水平安定面的安装角，达到纵向配平的目的 现代大型高速飞机，尤其是大型客机上普遍使用 水平安定面的安装角变化范围一般为 -123,Page47,Page48,七、飞机颤振与副翼反效、结构承力与传力、操纵系统的强度与刚度

10、 （1）传动杆的振动和翼面颤振 1、振动的主要特性参数 振幅 振动周期,梁的自然振动,Page49,2、传动杆的振动 传动杆会发生振动，振动的方向与传动杆的长度垂直，因此叫做弯曲振动。,Page50,颤振,弹性结构在气动力和惯性及自身弹性结构力的作用下，由于作用力相互耦合而形成的剧烈自激振动。,Page51,颤振的形式,机翼弯曲扭转颤振 机翼弯曲-舵面偏转颤振 操纵面本身颤振,Page52,由于机翼扭转而产生激振力,机翼的弯扭颤振,Page53,机翼的弯扭颤振,由于机翼垂直运动速度而产生减振力,Page54,机翼的弯扭颤振,Page55,产生弯扭颤振的结构原因 机翼为弹性体（刚度） 重心和刚心

11、不重合（重心的位置） 机翼刚度 增加机翼的蒙皮厚度以增大机翼扭转刚度。 为使蒙皮在弯曲强度中、桁条在扭转中有贡献，因而发展了单块式机翼结构。,Page56, 机翼重心的位置 机翼重心位置沿弦向前移，使机翼重心靠近刚心，临界速度增大。为了提高颤振临界速度常在机翼翼尖的前缘部位上加配重。,Page57,机翼弯曲副翼偏转颤振（舵面颤振类似) 机翼弯曲振动引起副翼偏转振动产生激振力而形成的剧烈的自激振动。,Page58,副翼重心到转轴的距离,Page59,防止机翼弯曲副翼偏转颤振的措施： 重量平衡法:在副翼前缘加上配重使其重心前移，包括分布配重和集中配重。,Page60,6、尾翼颤振 尾翼颤振是和机身

12、的弯扭、振动联合产生的，有机身弯曲舵面偏转或机身扭转舵面偏转。,预防尾翼颤振：对舵面采用重量平衡的方法，通常采用集中配重。对后略式尾翼，还需在舵面尖端安置端部配重，且是过度的静平衡。,Page61,升降舵的过度重量平衡对飞机操纵性有不良的影响。当飞机作法向过载飞行时，由于升降度配重的质量力使驾驶杆自动向后倒向驾驶员，一般在驾驶杆的前面加上反平衡配重,Page62, 副翼反效 机翼的弹性变形对副翼效能有严重的影响，在飞行速度很大时，能使副翼效能完全丧失，甚至出现反效能，称为“副翼反效”或“副翼逆动”。,Page63,提高副翼反效作用的临界速度的措施： 把副翼向机翼内侧移动，缺点是挤掉襟翼面积。,

13、Page64, 用差动平尾以代替正常形式的副翼，同时采用机翼上的扰流片，以辅助差动平尾在低速时效能不足。 在大型飞机的机翼上有两个副翼。一个位于机翼内侧称为内侧副翼，又称高速副翼；另一个位于机翼外侧，称为外侧副翼，又称低速副翼。,Page65,五、简单机械操纵系统的维护特点 防止系统摩擦力过大,Page66,操纵系统摩擦力过大的原因如下： 1、活动连接接头表面不清洁或润滑不良而造成锈蚀； 2、活动连接接头固定过紧； 3、传动机构和飞机其他部分发生摩擦； 4、传动机构本身摩擦力过大。 防止系统间隙过大 保持钢索张力正常 操纵系统的调整,Page67,5.2 有助力器的飞机操纵系统,助力机械操纵系

14、统的提出 舵面铰链力矩随舵面尺寸和飞行速压的增加而增加 当铰链力矩变得很大时，即使利用气动补偿法，也不能使驾驶杆（脚蹬）力保持在规定的范围之内 现代高速和重型飞机广泛采用助力器 助力机械操纵系统的分类 有回力的助力操纵系统 无回力的助力操纵系统 助力机械操纵系统的主要元件：液压助力器,Page68,一、助力操纵系统的形式 1、有回力的助力操纵系统 有回力的助力操纵系统，通常是利用回力连杆把舵面传来的一部分载荷传给驾驶杆,助力操纵系统的回力比,Page69,回力比：枢轴力矩相同的条件下，使用液压助力器时平衡舵面载荷所需的杆力与不使用液压助力器时平衡舵面载荷所需的杆力的比值 小回力比可在舵面枢轴力

15、矩很大的情况下保证驾驶杆力不致过大，但在舵面枢轴力矩阵较小的时候，会使驾驶杆变得过“轻” 。 在有回力的助力操纵系统中，往往还装设载荷感觉器适当增加驾驶杆力。 有回力的助力操纵系统通常用在亚音速飞机上。,Page70,有回力液压助力器工作原理图：,Page71,2、无回力的助力操纵系统 在无回力的助力操纵系统中，液压助力器的一端直接与通向舵面的传动机构相连，舵面传来的载荷全部由助力器承受。 现代超音速飞机都采用无回力的助力操纵系统,飞行中松驾驶杆，舵面在空气动力的作用下不能自由偏转 将液压助力器安装在舵面附近，减少助力器后传动机构的连接点，可减少舵面的活动间隙，从而有效地防止机翼或尾翼颤振 舵

16、面受阵风载荷后不能自动偏转，这对于结构受力是不利的,Page72,二、液压助力器的基本工作原理 (一)液压助力器的工作原理 液压位置伺服控制系统 采用机械式操纵机构的系统中，为机液位置伺服机构 采用电传操纵系统（或自动驾驶仪）中，为电液位置伺服机构 液压位置伺服控制系统是一种以液压动力装置作为执行机构并且有反馈控制的控制系统。不仅能自动地，准确而快速地复现输入量的变化规律，而且能对输入信号进行放大与变换。,Page73,飞机上常用的机液伺服机构和电液伺服控制机构的原理图：,Page74,(二)典型液压助力器的构造,壳体,配油柱塞,传动活塞,Page75,典型液压助力器工作原理,Page76,典

17、型液压助力器工作原理,Page77,典型液压助力器工作原理,Page78,典型液压助力器工作原理,Page79,典型液压助力器工作原理,Page80,Page81,典型液压助力器工作原理,Page82,液压助力器应急工作,Page83,液压助力器应急工作,Page84,液压助力器应急工作,Page85,液压助力器应急工作,Page86,液压助力器应急工作,Page87,液压助力器应急工作,Page88,另一种典型液压助力器,配油柱塞装在活塞杆头部的壳体内，左端a点与一个固定在壳体b点上的小摇臂相连。 小摇臂的下端c点与通向驾驶杆的传动机构相连，在壳体上的圆孔内有一定的游动间隙,Page89,三

18、、液压助力器的性能分析和维护、修理、使用特点 (一)液压助力器的性能分析 经验表明，液压助力器的各项工作性能中，与维护、使用关系最为密切的是：快速性、灵敏性和稳定性。,Page90,1、快速性 液压助力器的快速性是指助力器的传动活塞在液压作用下，能以多大速度运动的性能。 (1)影响液压助力器快速性的因素 传动活塞运动速度与流量的关系为V传动活塞F=Q，传动活塞的有效面积是不变的，其运动速度仅与油液流量成正比，即V传动活塞=Q/F。,Page91,通油孔面积f与配油柱塞的尺寸、通油孔形状和通油孔开度Z等因素有关，开度越大，进入助力器的油液流量就越大，传动活塞也就运动的越快。,通油孔的开度,Pag

19、e92,液压助力器的快速性： 当p一定时，与通油孔两边的压力差、回油压力和传动活塞的摩擦力有关，来油压力升高、回油压力降低、摩擦力减小，都会使压力差增大而增大流量。 与传动活塞上的载荷p有关。载荷越小，通油孔两边的压力差就越大，因而传动活塞的运动速度也越大。 与密封性有关。当进入助力器的一部分油液渗漏以后，实际上用来推动传动活塞的油液就会减少，传动活塞的运动速度就减少。,Page93,(2)改善和保持助力器快速性的措施 通油孔的最大开度，在构造上有配油柱塞的游动间隙来保证，维护工作应当注意保持游动间隙正常。 助力器的来油压力和回油压力，主要取决于液压系统的工作性能。用专门的助力液压系统来保证助

20、力器工作。 传动活塞的摩擦力作用在活塞、活塞杆与外筒内壁接触的部位,Page94,为保证助力器的密封性，在外筒两端和传动活塞周围都装有橡胶密封圈；内部零件装配精密度很高；此外，许多液压助力器的配油柱塞的凸缘与它所遮盖的通油孔之间，都有一定的交叠量。,配油柱塞的正交叠,Page95,2、灵敏性 液压助力器的灵敏性是指它的传动活塞迅速地跟随配油活塞运动的能力。 当配油柱塞在某一范围内活动时，传动活塞并不运动，这个活动范围叫做助力器的不灵敏范围； 当传动活塞跟随配油柱塞运动时，传动活塞的行程与配油柱塞的行程之间始终存在着一定的差值，这个行程上的差值叫做随从误差。 助力器的不灵敏范围和随从误差越小，表

21、示它的灵敏性越好。,Page96,(1)助力器的不灵敏范围 助力器具有不灵敏范围的主要原因是：配油柱塞的凸缘与它所遮盖的通油孔之间，通常都有一定的交叠量。助力器的不灵敏区如图：,液压助力器的不灵敏范围，还与它的密封性以及传动活塞上的载荷和摩擦力的大小有关。 助力器内有空气，不灵敏范围也要增大,Page97,(2)助力器的随从误差 助力器传动活塞的运动速度是随通油孔开度而改变的。助力器的随从误差是由其工作特点带来的，在传动活塞的运动过程中是不可避免的。,在传动活塞的运动过程中，随从误差的产生与消除情况如图：,Page98,3、稳定性 液压助力器的稳定性，指它在外部扰动作用消失后，能够迅速、自动地

22、恢复到原来的工作状态的能力。 影响液压助力器稳定性的因素很多，其中与使用、维护关系比较密切的有： 传动机构连接部分的间隙 混杂在油液中的空气 操纵系统的摩擦力 助力器的密封性等。,Page99,从驾驶杆到助力器之间的传动机构中，如各连接点的间隙过大，液压助力器的稳定性会显著变差，当他受到外部扰动作用后，就容易发生震动。,传动机构的间隙对稳定性的影响,(1)传动机构连接部分的间隙,Page100,(2)混杂在油液中的空气 油液中混杂着空气，也会使助力器的稳定性变差。,油液中混有空气的液压助力器,Page101,(3)操纵系统的摩擦力 操纵系统各部分的摩擦力，对于助力器的稳定性有很大影响。摩擦力的

23、方向始终是与助力器各零件的运动方向相反的，所以它通常能起到减弱振动的作用。,Page102,5.3 调节飞机操纵性的装置,一、载荷感觉器 (一) 构造及基本工作原理 当驾驶杆前后运动时，一方面通过助力器去操纵舵面，另一方面带动载荷感觉器的活动杆向一边移动，使载荷感觉器的一个弹簧受到压缩。,Page103,(二)载荷感觉器的工作特性曲线 表示弹簧作用在活动杆上的合力随活动杆行程而变化的规律,Page104,二、调整片效应机构 在无回力的助力器操纵系统中，当助力器的工作正常时，杆力只是由载荷感觉器引起的，使用调整片后，并不能卸除杆力，在这种操纵系统中，还装有调整片效应机构。,Page105,5.4

24、 辅助操纵系统,飞机飞行操纵系统的分类(根据操纵信号的来源) 人工飞行操纵系统 主操纵系统： 手操纵机构：操纵升降舵、副翼 脚操纵机构：操纵方向舵 辅助操纵系统：扰流板、调整片、前缘襟翼、后缘襟翼、水平安定面的操纵系统 自动飞行控制系统,中央 操纵机构,Page106,5.4 辅助操纵系统,辅助操纵面,Page107,前缘缝翼（leading edge slat),安装在基本机翼前缘的一段或者几段狭长小翼，主要是靠增大飞机临界迎角来获得升力增加的一种增升装置,Page108,后缘襟翼（trailing edge flap） 安装于机翼后缘内侧，主要是靠增大机翼的弯度来获得升力增加的一种增升装置

25、。是主要增加升力作用的可操纵翼面。,Page109,B737-600的双开缝后缘襟翼,Page110,前缘襟翼(leading edge flap),在大迎角下向下偏转，使前缘与来流之间的角度减小，气流较平缓地沿上翼面的流动，避免发生局部气流分离，同时也可增大翼型的弯度。,波音747飞机克鲁格襟翼,Page111,扰流板 安装在机翼上表面(或下表面)，能阻扰气流，减小(或增加)升力的板状操纵面，是飞机的横向辅助操纵装置。,Page112,水平安定面 水平尾翼前部的固定部分,是保证飞机纵向平衡和俯仰稳定性的重要部件。,水平安定面的操纵示意图,Page113,5.5 电传操纵系统,一、电传操纵系统

26、的提出 机械操纵系统缺点 存在摩擦、间隙和非线性因素导致无法实现精微操纵信号传递 机械操纵系统对飞机结构的变化非常敏感 体积大，结构复杂，重量大 随着飞机性能的不断提高，控制增稳操纵系统也不能满足需要。,电传操纵系统的可靠性问题 机械操纵系统可靠性较高 单通道电传系统可靠性较低 可接受的安全指标 解决措施：余度技术,Page114,电传操纵系统,侧杆移动所产生的电信号首先到达飞行控制计算机，然后被送达操纵面液压作动筒(伺服控制器) 计算机分析此电信号来检查它是一个安全的指令并保证得到满足需求的最佳的操纵面偏转量,Page115,二、电传操纵系统中可靠性与余度技术 实现电传操纵的关键在于安全可靠

27、性。 余度技术：引入多重(套)系统来执行同一指令，完成同一项工作任务。,前置 放大,计算机,执行 机构,传感器,四余度电传操纵系统简图,Page116,助力器,四余度模拟式电传操纵系统原理图,Page117,余度系统为满足如下三个条件的多重系统： 对组成系统的各个部分具有故障监控、信号表决的能力； 一旦系统或系统中的某部分出现故障后，必须具有故障隔离的能力； 当系统中出现一个或数个故障时，它具有重新组织余下的完好部分，使系统具有故障安全或双故障安全的能力。,Page118,三、电传操纵系统的组成、工作原理,组成 主要包括驾驶杆(或“侧杆”)或脚蹬、传感器、机载计算机和伺服控制机构(执行机构)

28、工作原理 驾驶员的操纵指令信号，变换为电信号，通过电缆(或总线)传给计算机，经其计算（按预定的规律）产生输出指令，操纵舵面偏转，以实现对飞机的操纵。,Page119,四、电传操纵系统的优点及存在的问题 优点： 减轻了操纵系统的重量，减少体积 节省设计和安装时间 提高生存力 消除了机械操纵系统中的摩擦、间隙、非线性因素以及飞机结构变形的影响 简化了主操纵系统与自动驾驶仪的组合 可采用小侧杆操纵机构 飞机操稳特性得到根本改善，并可发生质的变化 缺点 单通道电传操纵系统的可靠性不够高 电传操纵系统的成本较高 系统易受雷击和电磁脉冲波干扰影响,Page120,五、A-320 飞机的飞行控制系统 A32

29、0第一架采用侧杆控制器的电传控制的民航客机,A-320电传飞行控制系统结构,Page121,系统特点 能使飞机在正常飞行包线内具有良好的中立静安定度和纵向短周期安全性； A-320的俯仰控制根据C*准则； 滚转操纵由机翼外侧副翼和4块外侧扰流板实现，基本偏航操纵由方向舵实现； 侧杆操纵手柄在俯仰操纵方向的最大偏角为16，在滚转操纵方向最大偏角为12； 系统使用三套211kgf/cm2的液压系统； 系统使用三套400Hz，115/200V三相电源； ELAC和SEC计算机采用非相似余度技术。,Page122,基本功能 (1)俯仰控制 (2)横滚控制 (3)偏航控制 主要分系统 (1)集中式飞机监控告警系统(ECAM) (2)飞机阵风载荷减轻系统(LAS) (3)电子飞行仪表系统(EFIS) (4)综合飞行管理系统(FMS),Page123,Page124,飞行员通过侧杆操纵俯仰和横滚,Page125,有相应的侧杆优先灯,Page126,俯仰