适用于钢索传动的电传飞机驾驶盘盘力测量方法研究

薛 瀛，郭建伟，田金强，张 勇

上海飞机设计研究院，上海 200232

0 引言

飞机驾驶盘操纵力验证是对飞机操纵稳特性的一个重要方面，是飞机试飞、适航取证考核的重要指标。驾驶盘安装于驾驶舱内，其空间狭小、结构复杂，很难布置较大的测试仪器。如果对驾驶盘本身进行改装容易造成飞行员操纵不便，影响飞行安全，且无法达到较好的测量结果。

通常飞机的驾驶盘主要用来控制副翼舵面，对飞机进行滚转操纵，其驾驶盘行程与舵面行程具有对应关系，使飞行员可以较直观的了解此时舵面的状态。大多数飞机驾驶盘都是通过钢索传动，经过一系列的传力转化操纵舵面运动的。在现代电传飞机中驾驶盘钢索已经不需要直接连接舵面，通过钢索带动传感器运动，将电信号发往舵面处的作动器，推动舵面运动[1]。

因此电传飞机的驾驶盘钢索仅用于将飞行员操纵侧的驾驶盘和传感器，将飞行员的操纵位移转化为电信号。其传力路径单一、直接，飞行员的操纵力完全作用在钢索本身的张力上。通过测量钢索张力可以反映出飞行员的操纵力。

1 电传飞机盘力系统介绍

1.1 盘力的组成

图1 感觉力包线

由于电传飞机不能从舵面直接感受到舵面载荷，为了还原真实的飞机操纵感受，给飞行员以直观的感受飞机的状态，避免飞行员出现误操纵影响飞机安全，所以合理的感觉力设计是电传飞机的一个重要组成部分[2]。对于目前主流的设计思路，电传飞机的盘力感觉系统主要包括：弹簧力；启动力；动摩擦力[3]。

启动力：又称定中力，是操纵器件维持中立位置的特性。启动力的主要来自机械系统本身的静摩擦力，例如飞行员操纵驾驶盘由静止到运动会有一个操纵力，该力就是启动力，

弹簧力：该力用于模拟飞行员因操纵位移的变化产生的舵面载荷变化。其本质是根据弹簧的形变引起的，操纵位移越大所需的操纵力越大。

动摩擦力：该力是系统机械特性所决定的，与接触面表面的粗糙程度和相对压力有关，一般来说操纵力越大，动摩擦力越大，感觉力包线就越宽。

1.2 盘力的传递

驾驶盘和传感器系统之间为钢索连接，所有的力通过钢索进行传递，驾驶盘后部为一滑轮分别缠绕两根钢索，每根钢索通过卡块缠绕在滑轮之上，同样的在弹簧系统处也有一个滑轮相对应缠绕如图2所示：

图2 驾驶盘操纵简图

由图2可知，驾驶盘本身并无任何力感设备，所有的力源均来自钢索连接处的弹簧系统。因此驾驶盘上的操纵载荷完全通过钢索传递到弹簧系统之上。

在顺时针操纵驾驶盘时，主要的载荷均由钢索1承受，在逆时针操纵驾驶盘时，主要的载荷均由钢索2承受，如图3所示。

2 盘力分析

2.1 钢索受力分析

在操纵驾驶盘时，由于主动侧钢索受拉出现变形，弹簧系统从动端并非严格按照传动比进行运动，行程略有滞后，假设驾驶盘运动角度θ1，弹簧系统运动角度θ2，驾驶盘半径r，弹簧系统滑轮半径R，钢索原长度L，两根钢索材料一致，且预紧力一致均为F’。

图3 钢索运动分析图

在顺时针运动时钢索1呈以下关系：

θ2＜θ1*r/R；

钢索1受载后长度L1：

L1=L+（θ1*r/2π-θ2*R/2π）。

对于钢索2的两端由于同轴，驾驶盘和弹簧系统运动角度仍为θ1和θ2，但主动端变为弹簧系统端，因此钢索2的长度L2为：

如图4所示：

图4 钢索受力原理图

由于两根钢索弹性系数K近似，根据胡克定律可知钢索1张力F1和钢索2张力F2分别为：

在一根钢索受载操纵时另一根钢索卸载操纵因此钢索张力呈现出一边上升而另一边下降的趋势。

2.2 驾驶盘受力分析

对于驾驶盘滑轮作用点的合力F如图5所示为：

图5 驾驶盘受力图

两点作用力为同心，因此根据力矩平衡得到驾驶盘处的操纵力F操纵力：

F操纵力*r盘= F *r；

其中：F合为驾驶盘滑轮处的合力；

r盘为驾驶盘把手处的有效半径；

r为驾驶盘滑轮的有效半径。

3 试验验证及结果分析

为了验证通过测量钢索张力换算得到驾驶盘操纵力方法的可行性，本文专门在试验平台上验证了该方法，通过在驾驶盘钢索中段加装测试应变体，利用应变体形变测量钢索所收的载荷，如图6所示：

图6 钢索测量试验图

钢索张力测量结果如下图7所示：

图7 钢索张力测量图

换算成盘力值如下图8所示，可以看出通过测量钢索张力得到的驾驶盘操纵力与图1的设计状态基本吻合，可以较好的得到驾驶盘的操纵力。

图8 盘力换算图

4 结论

本文主要介绍了通过测量钢索张力换算得到驾驶盘操纵力方法的理论依据和推导过程。为电传飞机盘力测量一种有效的解决方法。经过试验证实，该方法有效测量驾驶盘操纵力，同加装在驾驶盘处的扭矩传感器测量得到的数据基本吻合，盘力曲线符合设计要求。

[1]林丰俊.CRJ200飞机飞行操纵系统设计分析[J].民用飞机设计与研究，2001，4：32-39.

[2]李浩，王海燕.电传操纵系统在民用客机中的新发展[J].中国民航学院学报，2000，6：8-11.

[3]宋祥贵，张新国.电传飞行控制系统[M].北京：国防工业出版社，2003，1.

[4]张汝麟.飞行控制与飞机发展[J].北京航空航天大学学报，2003，12：1077-1083.

[5]张明廉.飞行控制系统[M].北京：国防工业出版社，1984.