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主动控制技术

主动控制技术(Active Control Technology),是由美国率先提出的一种飞机设计和控制技术。从飞机设计的角度来说,主动控制技术就是在飞机设计的初始阶段就考虑到电传飞行控制系统对总体设计的影响,充分发挥飞行控制系统潜力的一种飞行控制技术。F-16是世界上第一架采用主动控制思想设计的飞机。

采用主动控制技术的设计方法和常规设计方法有什么不同呢?我们就从常规的飞机设计方法谈起。常规的飞机设计方法的过程是这样的:根据任务要求,考虑气动力、结构强度和发动机三大因素,并在它们之间进行折衷以满足任务要求,这样为获得某一方面的性能就必须在其他方面作出让步或牺牲,例如为实现更好的气动稳定性就必须在尾翼的重量和阻力方面付出代价。折衷之后就确定了飞机的构形,再经过风洞吹风后,对飞机的各分系统(其中包括飞行控制系统)提出设计要求。这里飞行控制系统和其他分系统一样,处于被动地位,其基本功能是辅助驾驶员进行姿态航迹控制。

常规设计方法的设计步骤

而采用主动控制技术的设计方法则打破了这一格局,把飞行控制系统提高到和上述三大因素同等重要的地位,成为选型必须考虑的四大因素之一,并起积极作用。在飞机的初步设计阶段就考虑全时间、全权限的电传飞行控制系统的作用,综合选形,选形后再对飞行控制系统以外的其他分系统提出设计要求。这样就可以放宽对气动、结构和发动机方面的限制,依靠控制系统主动提供人工补偿,于是飞行控制由原来的被动地位变为主动地位,充分发挥了飞行控制的主动性和潜力,因而称这种技术为主动控制技术。

主动控制技术的设计方法的设计步骤

正是由于采用主动控制技术的设计方法在选形和布局的过程中,都将控制系统作为一个主要因素来考虑,所以这种技术又被称作随控布局技术(Control Configured Veh icle)。

主动控制思想的出现是由两个因素促成的,一个是美国空军战略思想的改变,从要导弹不要飞机变成发展机动性好的空中优势战斗机,正是提高飞机机动性的努力使主动控制技术走向航空科技的前缘;第二个是现代自动飞行控制技术和电子计算机的迅速发展,为主动控制技术的实现奠定了物质基础。从控制的角度来说,主动控制技术实际上是自动控制系统的反馈原理的应用和发展。飞机上最早的应用就是自动驾驶仪,但早期的自动驾驶仪主要是为减轻驾驶员保持姿态、航向的工作负担,在飞行个可以接通或断开,因此它对飞机设计本身不产生直接影响。随着超音速飞机的出现,产生了高空飞行气动阻尼不足的问题。其中最突出的是航向稳定问题,为此采用了增稳系统造成人工阻尼来解决,由于增稳系统所阻尼的是频率较高的短周期振动,这是驾驶员来不及反应并进行手操纵的,因此增稳系统的功能是驾驶员无法取代的。增稳系统的采用,减轻了飞机本身的设计任务,因此它的采用对飞机设计产生了直接影响。这些增稳系统仍然采用机械系统来进行控制,然而在越南战争中,美军被击落的飞机中有30%是被地面炮火击中机械操纵系统而导致坠毁的,因此提出了电传操纵系统的概念。正是电传操纵系统的运用,成为了主动控制技术的物质载体。

一、采用主动控制技术的飞机可以具有以下一些功能:

1.放宽静稳定度

2.实现直接力控制

3.控制机动载荷

4.控制突风载荷

5.控制机体颤振

6.采用综合火控/飞行/推力控制系统

二、采用主动控制技术之后,对飞机的性能有很大提高,主要表现在:

1.减小飞机尺寸,减轻结构重量,降低巡航阻力,增大航程;

2.提高战斗机的机动性和完成作战任务的效率;

3.减少结构疲劳损坏,延长使用寿命,改善乘座品质和着陆性能,减轻驾驶员工作负担;

4.降低制造成本和维护费用;

国外的第三代战斗机都广泛采用了主动控制技术,例如F-16,F-18,Su-27,Mig-29等等。民航机也有采用主动控制技术的,例如波音777,空中客车A320等等。

在飞机总体设计阶段就主动把控制系统与气动布局、结构、发动机等进行协调,从而提高飞行性能、改善飞行品质的反馈控制技术。又称随控布局技术。它是20世纪70年代出现电传操纵系统控制后迅速发展起来的一项新技术。主要内容包括:

放宽静稳定性控制

按传统办法,飞机是靠平尾使其焦点位于质心之后以获得静稳定性,往往为此要付出增大平尾、加长机身、增加重量的代价,而且超音速飞行时焦点过于靠后,机动性也差。此项控制,是将飞机设计成仅超音速飞行时为静稳定的,亚音速飞行时由控制系统根据干扰信号驱动平尾,产生恢复力矩,提供人工稳定。

机动载荷控制

按传统办法,轰炸机也按机动过载设计,致使长时间的巡航飞行中机翼抗弯强度有富余。现将机翼承载能力按巡航要求设计,机动飞行时,通过控制系统驱动有关操纵面,使机翼升力分布中心向翼根移动,保证净增升力满足需要,翼根弯矩又不致增大,从而减轻结构重量,提高巡航经济性。歼击机仍按机动过载设计,但机动飞行时,控制机翼升力沿展向按椭圆形规律分布,来减小诱导阻力和延缓气流分离,以此增大单位剩余功率和抖振升力系数,提高机动性。

颤振抑制控制

防止机翼、 尾翼颤振, 传统办法是加厚蒙皮和增设配重。现改为在机翼、尾翼上安装加速度计感受振动信号,以此驱动有关操纵面按一定规律偏转,产生阻尼气动力来抑制颤振,因而减轻了结构的重量。

阵风载荷控制

阵风或大气紊流使飞机产生颠簸,增加结构疲劳,降低 乘坐品质,影响武器投射精度。此项控制,是在飞机适当部位安装加速度计来测得干扰信号,以此控制相应的操纵面偏转,增加状态阻尼,使因阵风或大气紊流引起的机翼升力变化减小。

直接力控制

按传统办法飞机重心沿立轴、横轴的运动,是依靠力矩操纵来改变力间接控制的,即为姿态运动和轨迹运动的耦合。采用直接力控制的飞机上,通过增设水平前翼、垂直前翼,利用控制系统使它们与水平尾翼、方向舵协调偏转,可产生纯升力、纯侧力,从而解除上述耦合现象,减小操纵反应的时间滞后,提高了飞机的机动性和武器投射的命中率。

主动控制技术除上述几项外,还应用到综合飞行/推力控制、综合火力与飞行控制系统等方面。


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