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电传操纵(Flying By Wire)系统是将飞行员的操纵信号,经过变换器变成电信号 ,通过电缆直接传输到自主式舵机的一种系统。它去掉了传统的飞机操纵系统中布满飞机内部的从操纵杆到舵机之间的机械传动装置和液压管路。电传操纵系统的主要组成部分包括运动传感器、中央计算机 、作动器和电源,它相当于动物的感觉器官、大脑和肌肉 。
由飞机操纵系统的发展我们可以体会到,任何事物的发展都是由需要和可能这两个因素决定的 ,电传操纵系统的发展也是如此。它是随着飞机(包括某些飞行器)的飞行控制技术的不断提高以及科学技术的发展而逐渐发展起来的。
电传操纵的重要性在于打破了飞机设计中需要保持静稳定性的布局,设计师们可以为战斗任务选择和优化最有效的布局,然后由储存在飞行控制计算机软件中的相应控制律增加人工稳定性 。现役战斗机中已经有多种飞机采用电传操纵系统 ,例如F-16、幻影2000 、“狂风”战斗机、F-15、Su-27 、F/A-18等等。
电传操纵的优缺点
电传操纵系统克服了传统的机械操纵系统存在的一系到缺点:重量大、占据空间大、存在非线性(摩擦 、间隙)和弹性变形,为了保证飞机合适的操纵性的机械机构相当复杂。电传操纵系统与机械系统相比却简单得多,它不受温度变化而引起的膨胀和收缩的影响,不需要润滑 ,去掉了百余个铰支点,更重要的是可为主动控制技术的实现作出重要贡献 。
电传操纵系统的优点概括起来有下述几点:
减轻操纵系统的重量。按飞行操纵系统的重量百分化来考虑,使用电传操纵系统可减轻的重量是相当显著的。据研究估计在战斗机上使用电传操纵系统可使飞行操纵系统的重量减轻58% ,如F-16减少181公斤;通用动力公司估计在大型、高性能战略轰炸机上使用电传操纵系统的话,可使飞行操纵系统重量减轻84%,即242.7公斤左右;洛克希德公司估计在大型运输机上使用电传操纵系统可使飞行操纵系统重量减少317.5公斤;在直升机上应用电传操纵系统也能使重量减少很多。在类似现在使用的那些直升机上应用电传操纵系统可使操纵系统重量减少86% 。
减少体积。在高性能飞机上使用电传操纵系统使操纵系统的体积大为减少。在战术战斗机上可减少体积24,000立方厘米;对于战略轰炸机来说 ,体积的减少更为惊人 。通用动力公司估计,使用电传操纵系统,由于去掉安装操纵钢索、铺设管道和机械联动机构的空间 ,体积可减少4.39立方米。
节省设计和安装时间。使用电传操纵系统可以缩短设计和安装时间,这是不言而喻的 。据北美洛克威尔公司估计,大批生产时 ,大型、高性能战略轰炸机飞行操纵系统设计和安装时间,每架飞机差不多可节约5000个工时,使每架飞机生产总成本降低8万美元。
提高飞行操纵系统的可靠性和生存性。由于电传操纵系统都采用冗余技术,例如三余度或四余度设计 ,可使系统可靠性大大提高,这种可靠性的提高除了增加飞行操纵系统本身结构可靠性外,还可从排除像维护疏忽 、自然界的影响或是飞行中机务人员或乘客的动作之类的因素造成的不能予知的故障影响 ,这些故障在一般机械操纵系统中是灾难性的故障 。所谓三余度或四余度就是飞机的传感器、计算机和舵机采用三或四套,以确保一套发生故障时,能够有另一套继续完成相应工作 ,确保飞机的安全。
减少维护工时。采用机内自检装置可从很快发现故障并加以隔离,恢复工作状态,就不需要进行现在必须完成的花钱多、费时间的定期维修 。电传操纵系统由于采用余度技术 ,部件多了可能故障次数有所增加,但是由于故障隔离和维修简便完全可从抵消故障增加的影响。北美洛克威尔公司估计,对于高性能战略轰炸机来说 ,使用电传操纵系统,每飞行小时的维护工时大约减少10%,这样可从使飞机在地面停机时间减少3.5%。伏托尔公司估计,对于直升机和其他垂直短距起落飞机上所使用的复杂操纵系统来说 ,采用电传操纵系统后可使操纵系统的维护工时减少50%或者更多。
改善飞机的操纵品质 。使用电传操纵系统剔除了诸如静摩擦和迟滞等机械系统的非线性,因此很容易调整飞机响应和杆力的函数关系,使其在所有飞行状态下满足操纵要求。
对挠曲 ,弯曲 、热膨胀等引起的飞机结构变化的影响不敏感。机械操纵系统对于飞机结构的变化是非常敏成的,设计师必须尽最大努力力求使这种影响减到最小,采用电传操纵系统这些影响就自然清除了 。电传操纵系统甚至可能应用某种结构模态稳定措施有效地提高飞机构架的刚度 ,从而增加系统的疲劳寿命。
座舱布局员活性大电传操纵系统可用侧杆控制器和其他小型控制器。因此,驾驶员观察仪表的视线再不会受到很大的中央驾驶杆的影响 。
自动飞行和着陆系统的结合方便。电传操纵系统不需要串、并联的伺服作动器以及自动飞行控制系统和自动着陆系统的复杂混合和综合装置,因为全部输入量是电信号而且在伺服助力器前面采用电子方法综合。
使设计具有更多的灵活性 。电传操纵系统受在生产阶段可能引起的飞机外型或系统性能变化的影响很小。这是因为电传操纵系统的设计固有的灵活性 ,实际上控制的变量是感受飞行器的运动而不是控制操纵面的位置。一旦电传操纵系统在飞机基本设计阶段加以考虑,而且飞机的飞行安全完全可依赖于它的连续工作,飞机机体的静稳定就已经不那么重要了 。因此 ,飞机设计师和气动力专家将得到全新的设计自由,这种设计以前一直受到飞机机体在没有任何控制信号输入时是稳定的这一要求的限制。这种新的设计方法可从设计出机动性更好、重量更轻 、阻力更小和执行特殊任务的飞机。这种技术对未来飞机所产生的影响将远远超出用电传操纵系统简单地取代机械操纵系统所能得到的好处。
降低用户的费用 。因为电传操纵系统具有上述诸优点,因而可从使用户的使用费用大大降低,这对政府和民用航空公司都是头等重要的。
电传操纵虽然具有如此众多优点 ,但是由于它采用了大量的电气设备,所以在使用过程中会有可能受到电磁干扰以及雷击,这对电气设备的可靠性威胁很大。特别是现代先进战斗机采用了越来越多的复合材料 ,飞机机体对电磁波的屏蔽作用越来越小,这个问题就越来越严重 。因此,现在美国已经开始了光传操纵系统的研究和试飞 ,它将电信号转化为光信号,利用光纤来传输,从而彻底避免了电磁干扰的产生
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