滚珠式钢索在飞行操纵系统中的应用

白一尚

（中国直升机设计研究所，江西 景德镇 333001）

0 引言

通过飞行器上机械传动链的方式，将飞行员的操纵指令传递到操纵面，从而实现飞行控制目的的机构称为飞行操纵系统[1]。飞行操纵系统控制飞行器的飞行姿态和高度，与飞行器性能、安全性、可靠性和飞行品质有密切的关系。飞行操纵系统的发展经历了简单机械式操纵系统、机械液压式操纵系统、电传操纵系统，再到光传操纵系统[2]。因为机械液压式飞行操纵系统成本低、可靠性高，所以在飞行器上仍然被广泛采用。

典型的机械液压式操纵系统一般由驾驶员操纵装置、机械传动环节和机械液压伺服作动器组成。根据机械传动环节所使用的传输构件的不同，又分为硬式操纵线系和软式操纵线系。硬式操纵线系主要由拉杆、摇臂和支座组成，具有摩擦力小、系统刚度好、对结构变形和温度变化不敏感、间隙大、重量大、成本高等特点；软式操纵线系主要由钢索和滑轮装置组成，具有系统间隙小、重量轻、易布置、成本低、摩擦力大、系统刚度差、对结构变形和温度变化敏感等特点[3]。

目前各类飞行器中主要采用软、硬式操纵或混合操纵线系。在系统方案选择中一般对远距离、平直段传输、受力较小的系统或区域、结构变形小和温度变化小的区域、空间开敞维修方便的线路选用软式操作线系，如轻小类、轰运类飞机的平尾与方向舵操纵、动力飞行操纵系统的前段系统等，其余类型选用硬式操纵线系[3]。飞行操纵系统研制可分为可行性研究、初步设计、详细设计、地面试验、试飞验证和适航取证等过程。因软式或硬式操纵线系一般贯穿整机，零部件多、与其他系统接口多，操纵系统研制涉及大量的计算、布置、协调工作，相应的系统验证、后期维护等工作量也较大。

1 采用滚珠式钢索的飞行操纵系统

1.1 滚珠式钢索

滚珠式钢索，也叫滚珠式软轴、球柔钢索等。其传递运动和力的唯一机构是中间的芯部滑杆，芯部滑杆采用双滑道和断面“8”字形结构，由两排滚珠引导运动。产品以芯部滑杆为中心呈中间对称结构，两排滚珠的外侧是固定杆，两固定杆与外围的金属管中心轴重叠，固定杆锁定在锁紧套上以保证钢索整体安全。在芯部滑杆和固定杆之间设有保持架杆，保持架设有均布的小孔，滚珠就安装在其中，保持架使滚珠隔开并保持适当的距离[4]。产品工作时，滚珠在固定杆和芯部滑杆形成的轨道之间滚动，大大减小了芯部滑杆运动时的摩擦阻力。在最外层设有耐高温的保护套，主要是起到保护及密封的作用。

1.2 滚珠式钢索特性

软式操纵线系中钢索滑轮传动机构具有典型的刚度和摩擦特性，类似弹簧、摩擦滑块组件；硬式操纵线系中摇臂拉杆传动机构具有典型的间隙特性，即可视为具有特定间隙的刚性组件[5]。因为滚珠式钢索传力部件是一根被约束在滚道中的细长滑杆，其特性介于软式操纵线系和硬式操纵线系之间，所以滚珠式钢索具有较典型的刚度和摩擦特性。

滚珠式钢索具有易安装布置、可靠性高的特点和良好的三维定向性能，适合应用在狭小、复杂的空间环境。滚珠式钢索兼具硬式操纵线系和软式操纵线系的优点，即摩擦力小、系统刚度较好、对结构变形和温度变化不敏感、间隙小、重量小等。滚珠式钢索在EC120 发动机控制、EC155主桨操纵系统、NH90 尾桨操纵系统、A340 起落架舱门控制、A320A321 空调控制等型号中应用较广。在国内，滚珠式钢索在起落架应急收放、旋翼刹车、舱门控制和发动机控制等方面有应用，在主舵面控制方面应用较少，相应的研究也较少。

2 应用实例

针对某型机航向操纵系统布置空间狭小、检查维护困难的情况，将航向操纵系统中尾梁段由原硬式操纵线系更改为滚珠式钢索结构。原航向操纵系统由若干拉杆、摇臂、扭轴、支座和轴承组成，更换滚珠式钢索部分的航向操纵系统由滚珠式钢索、支座、角片和卡箍等组成。换装滚珠式钢索后航向操纵系统重量、安全性、可靠性、环境适应性指标与换装前相当，维修性改善。为验证更换滚珠式钢索后的航向操纵系统性能，进行了航向操纵系统地面对比试验和试飞验证工作。

3 验证

航向操纵系统地面对比试验结果如图1～图6 所示。试验结果表明：换装滚珠式钢索后航向操纵系统功能正常，操纵范围、传动比、摩擦力、间隙、动特性等指标满足系统设计要求。

摩擦力和启动力：因为硬式摇臂拉杆结构和滚珠式钢索都主要为滚动摩擦，因此换装滚珠式钢索前后系统摩擦力和启动力相当，如图1 和图2 所示。

间隙：换装滚珠式钢索后传动环节减少，运动副减少，航向操纵系统间隙小于换装前，如图3 所示。

刚度：因滚珠式钢索细长滑杆结构和其刚度特性，换装滚珠式钢索后系统刚度减小（图4），滚珠式钢索段刚度与系统调节状态有关，经安装调整，可满足系统设计要求。

频率特性：航向飞行操纵系统频率特性在换装滚珠式钢索前后均满足设计要求，但由于滚珠式钢索在操纵系统中引入了柔性环节，频率特性比硬式操纵线系状态差，如图5 所示。

阶跃特性：航向飞行操纵系统阶跃特性在换装滚珠式钢索前后均满足设计要求，但由于滚珠式钢索在操纵系统中引入了柔性环节，阶跃特性比杆系状态稍优，如图6 所示。

航向操纵系统更换滚珠式钢索后进行了试飞验证，试飞结果表明，换装滚珠式钢索的航向操纵系统操纵正常，操纵力及操纵响应正常。

4 结论

图1 换装前后摩擦力

图2 换装前后航启动力

图3 换装前后间隙

图4 换装前后刚度

图5 换装前后频率特性

图6 换装前后阶跃特性

滚珠式钢索特性介于软式操纵线系和硬式操纵线系之间，兼具硬式操纵线系和软式操纵线系的优点。具有三维定向性好、安装布置和可靠性高等特点，适合应用在空间狭小、复杂的环境。在某直升机航向操纵系统平台上，通过将尾梁段操纵线系由硬式操纵线系更换为滚珠式钢索，并进行了航向操纵系统地面对比试验和试飞验证工作，表明换装滚珠式钢索的航向操纵系统功能正常，系统指标满足设计要求。滚珠式钢索在飞行操纵系统中的应用简化了设计和验证工作，同时也降低了飞行操纵系统维护时间和成本。