随控布局飞机


    开始人们对战斗机性能的认识经历了一个由片面到全面,由低级到高级的发展过程。
这个认识过程大致可分为三个阶段:
    开始第一阶段,在70年代以前,人们主要是用飞机的状态参数,即飞机的最大速度和
升限等参数来衡量战斗机性能的优劣。
    开始第二阶段,在70年代和80年代,人们又强调战斗机机动性的重要。衡量飞机的机
动性主要有以下两方面:1.常规机动性。主要是飞机在轴向加速度、曲线角速度、滚转角速
度和高度方面的改变能力。2.能量机动性,从飞机能量变化的角度来分析飞机的机动能力。
它包括动能和位能。
    开始第三阶段,80年代以后,人们又强调了战斗机的敏捷性。所谓敏捷性简单讲就是
机动性和可操纵性的结合。它包括了加减速度变化率、角速度变化率、滚转角加速度等。如
何使飞机达到高敏捷性,必须从飞机设计上想办法,如果仍然按照常规的飞机来设计,很难
使飞机具有高敏捷性,而采用随控布局技术就不同了。
    开始随控布局技术是指随着控制系统来进行飞机总体布局。具有这种技术的飞机装有各
种飞行状态传感器、计算机、自动控制系统。在飞行过程中机载计算机可根据飞行员的意
图、飞机的姿态、周围的气流条件,及时发出指令信号,主动控制各种操纵面,使操纵面上
的气动力按需要变化,以提高飞机的机动性。
    开始随控布局飞机(ControlConfiguredVehicle即CCV)简单地讲就是将主动控制技术
应用到飞机上,通过电传操纵,提高飞行品质的飞机。概括地讲,随控布局飞机应用了两大
技术即主动控制技术和基本(常规)设计技术。主动控制技术(ACT),就是在飞机总体设
计阶段主动地将自动控制系统与气动布局、结构、动力装置等结合在一起进行综合的设计,
从而全面地提高飞机的飞行性能并改善飞行品质。
    开始从设计角度讲,设计初始阶段就考虑了飞行控制系统对总体设计的影响,可充分发
挥飞行控制系统的潜力。从控制角度讲,在各种飞行状态下通过传感器的指令,按预定程序
操纵,可使气动力按需要变化,从而使飞机性能达到最佳。
    开始主动控制设计技术与基本设计技术的区别是,基本设计技术是根据任务的要求,以
气动力、结构和动力装置三大基本因素来确定飞机布局的,如飞机不能完全满足设计要求,
这时才采用自动控制系统加以改善,也就是说,主动控制系统是后来加到飞机上的,对飞机
的结构没有直接影响。
    而主动控制设计技术,则把主动控制系统提到和上述三个因素(气动力、结构和动力装
置)并驾齐驱的地位,也就是在飞机布局设计之初就把控制技术与基本的三大技术同时考
虑,因而使设计者可以利用飞行控制技术明显地提高飞行器的性能。
    开始随控布局飞机也存在一定缺点,就是对自动控制系统的可靠性要求很高,一旦电子
设备出了故障,飞机就很容易出事故。
    开始随控布局飞机的控制内容主要包括放宽静稳定性、直接力控制、机动载荷控制、阵
风缓和控制、颤振抑制控制、乘坐品质控制等项。从目前的随控布局飞机来看,有的应用了
其中的一项,也有的采用了其中多项。
    开始1.放宽稳定性
    开始为保证飞机飞行中有足够的稳定性,在常规飞机的设计中,必须使飞机的焦点位于
飞机重心后面一定距离,这样,当飞机受到扰动时,飞机本身就会产生恢复力距(稳定力
距),使飞机趋于恢复原来的姿态,而不需飞行员去操纵。不过,对稳定性的追求往往要牺
牲飞机的操纵性。若纵向稳定性太大则操纵费力,飞机不灵敏,机动性也差;若稳定性太
小,飞机又过于灵敏,不容易控制杆位移量。如果在设计飞机时,使飞机在亚音速飞行中稳
定裕量适中的话,那么飞机在超音速飞行中的稳定裕量就会显得过大(因为飞机从亚音速增
速到超音速的过程中,飞机的焦点会急剧后移如图1所示),以致影响飞机的机动性。而且
由于飞机焦点后移量大,其升力形成的下俯力矩就大,为了达到平衡,在平尾上就需要产生
一个较大的向下的配平升力,由于平尾偏转角度有限,只有增加平尾面积才行,这又会导致
飞机重量和配平阻力的增加。
    开始如果放宽了飞机的静稳定性,就不会出现这样的问题。因为这种飞机在亚音速飞行
中,飞机的焦点位于飞机重心之前,从而加大了飞机的不稳定性,在近音速飞行中,飞机的
焦点与飞机重心相距很近,处于接近稳定状态,即中立稳定状态;而在超音速飞行中,飞机
焦点虽然移至飞机重心后面,但两者距离不会太大,即可将稳定裕量大大降低,从而显著改
善飞机的机动性能。那么,又如何保证飞机的稳定性呢?这就要求飞机装有优良而可靠的自
动控制系统,由它来保证飞机的稳定性。这就是放宽静稳定性(Relcxed Static 
Stability,即Rss)的概念。
    开始采用纵向稳定性放宽技术之后,不论飞机纵向是稳定的,是中立稳定的,还是不稳
定的,飞行员可统统按纵向稳定的情况进行操纵,因为升将舵(或平尾)是由计算机和电传
操纵机构根据传感器所感受到的飞行状态参数,按预定程序,自动进行控制的。所以飞机的
操纵性和机动性可得到明显改善。
    开始由于采用放宽静稳定性技术的飞机,焦点在重心之前,其升力产生的是上仰力矩,
因此,在平尾上必须产生一个向上的配平升力来实现力矩平衡(如图2所示)。这就意味
着,在其它条件不变的情况下,飞机可获得较大的升力。当飞机处于超音速飞行时,尽管飞
机的焦点后移到重心之后但由于离重心的距离小,因此,升力产生的下俯力矩并不大,在平
尾上只须产生不大的向下配平升力就可实现力矩平衡,这样平尾面积就可大大减小。
    开始F-4ECCV验证机,把纵向静稳定性放宽了4%后,起飞重量可减轻20%。
    开始2.直接力控制
    开始对于常规飞机来说,操纵面(升降舵、方向舵和副翼)偏转的直接效果主要是产生
操纵力矩(俯仰、方向和滚转力矩)来改变飞机的姿态,从而产生迎角、侧滑角和滚转角的
变化,以产生足够的气动力的变化,来改变飞机的飞行轨迹。所以飞行员在操纵以后,飞机
航迹不会马上改变,有明显的滞后作用。而采用直接力控制,可在不改变飞机姿态的条件
下,直接通过控制面造成升力或侧力来操纵飞机机动,从而达到精确控制飞行轨迹和增强机
动能力的目的。直接力控制包括直接升力和直接侧力两种控制。
    开始采用直接力控制,可以大大改善飞机的操纵性,为实现飞机的精确操纵开辟了新途
径,为创造新的空战战术提供了条件。
    开始3.机动载荷控制
    开始常规飞机的机动飞行能力受失速迎角的限制。有的机型在大迎角下,还可能产生翼
尖失速,甚至会危及飞行安全。装有机动载荷控制系统的飞机,根据飞机过载的大小或根据
过载指令的大小,控制系统会自动地偏转机翼上的气动力操纵面,调整沿机翼展向或弦向的
气动载荷分布,从而达到改善机翼承载状况和增强飞机机动性的目的。例如,采用机动载荷
控制技术的F-4飞机与常规F-4飞机相比,当转弯30秒钟,前者已转过180°而后者只
转过135°。
    开始对于轰炸机和运输机来说,主要是进行长时间的巡航飞行,机翼承载能力可按巡航
飞行状态的要求进行设计。在机动飞行中,通过飞行控制计算机自动偏转襟翼(包括前、后
缘襟翼),可以使机翼压力中心向机翼内侧移动,减小升力对翼根所形成的弯曲力矩,从而
减轻机翼的结构重量,提高飞机的航程和运载能力。例如,采用了机动载荷控制技术的B-
52飞机比常规的B-52飞机,在过载等于1的机动动作下,翼根弯矩减少40%,在随控布
局的C-5A军用运输机上,翼根弯矩减少30%~40%。
    开始4.阵风缓和控制
    开始飞机在较强的阵风下飞行,迎角、侧滑角,相对气流速度以及相应的气动力和力
矩,往往会发生明显的变化,从而引起飞机颠簸、摇晃、乘坐不舒适,也增加了飞行员操纵
飞机的困难。甚至还会因出现载荷过大,使飞机结构损坏。对于在低空执行任务的轰炸机来
说,还可能严重地影响武器投放和飞行安全。
    开始装有阵风缓和控制系统的飞机,在飞行中遇有阵风时,安装在机身适当位的加速计
(敏感元件),将感受到阵风的加速度,并将信号输入机载计算机进行处理,然后由计算机
控制舵面偏转,使飞机的空气动力基本保持不变。这样,就可以大大缓和飞机对阵风的反
应。例如,F-8CCV,衰减阵风过载可达30%~41%,F-16CCV的衰减阵风过载可达50%
左右,效果都比较好。
    开始阵风缓和控制系统主要是减弱阵风对飞机纵向运动的影响,如图3所示。实验表
明,采用阵风缓和控制技术后,在低空高速突防状态中,飞机结构在达到疲劳损坏之前的飞
行时间可增加11倍之多。
    开始5.颤振抑制控制
    开始过去防止飞机颤振的办法是加强部件的刚度或增加配重,以提高抗颤振的能力,结
果使机体重量增加。随控布局飞机采用颤振抑制系统,可在不增加飞机重量的条件下解决抑
制颤振的问题。该系统采用了加速度计传感器,分别置于机翼或其它气动力舵面的相应部位
上,来敏感颤振信息。
    所测到的信号输给计算机处理后,会给出指令驱动舵机使气动力操纵面偏转,自动增大
颤振阻尼,从而抑制颤振的发生。这种控制系统的采用,可以减轻飞机重量,扩展飞机颤振
的临界飞行速度,从而提高机动性。研究结果表明,采用该系统后,歼击机的颤振临界速度
可提高30%左右。
    开始6.乘坐品质控制
    开始乘坐品质控制又称乘感控制。按常规设计的高速飞机,飞行中若遇到周期性阵风
时,机身会发生弹性振动,乘员会感到不舒服,从而影响飞行员的操纵,这就是所谓乘坐品
质问题。所以对飞机乘感控制的首要任务是抑制弹性振动。
    开始抑制弹性振动的常规办法是增加机体的结构刚度,这样就会带来机体结构重量的增
加。乘坐品质控制的控制原理是,把测量机身弹性振动加速度的加速度计所感受到的信号输
入机载计算机,经过解算后,再控制舵机协调偏转抑振力操纵面,以达到抑制机身弹性振动
的目的。从而可改善空勤人员或旅客的乘坐舒适度。在轰炸机和战斗机乘员坐位处,要求改
善空勤人员乘坐的舒适度,而旅客机则要求改善沿整个机身的舒适性。这种控制,对军用飞
机而言,因减轻了空勤人员长时间飞行的疲劳,从而可改善执行任务的效果。例如,美国在
B-1战略轰炸机上采用了这种系统,就大大改善了长时间执行低空任务飞行员的乘坐舒适
性。