单位文秘网 2021-10-08 08:12:42 点击: 次
对于一架飞机的评价,作为业余爱好者来说主要是看外表,往往对它的新奇外形设计感叹不已。但是,对于专业人士,尤其是飞行员来说,他们关注的点很多,首先想到的是观察这架飞机的座舱。在那里有很多值得了解的东西:飞机的操纵是否顺手;仪表显示是否已更新换代,而且便于飞行员观察;飞行控制和导航系统的自动化程度如何等等。
这些统称为飞机系统,它包括操纵系统、探测显示系统、导航系统和通信系统,在军用飞机上还有火力控制系统、电子对抗系统、飞行员防护和救生系统等。它们都是飞机必不可少的重要组成部分,最能反映一种飞机的技术水准。本文将对飞机系统的演变与发展分别作一介绍。
操纵系统的演变
有些老飞行员简称自己的工作是“一杆两舵”。别小看这“一杆两舵”,飞机能否上天、飞行操纵是否自如?就全靠它了。飞机发明后的半个多世纪内,驾驶飞机的典型操纵方法是这样的:飞机的俯仰操纵(绕飞机横轴的运动)是靠飞行员推、拉驾驶杆或驾驶盘,带动升降舵偏转来完成的;飞机的侧向操纵(绕飞机纵轴的运动)是靠飞行员压杆,带动副翼偏转(或打开扰流片)来完成的;飞机的方向操纵(绕飞机立轴的运动)是靠飞行员蹬脚蹬板,带动方向舵偏转来完成的。驾驶杆和脚蹬板与各操纵翼面之间,通过钢索(软式)、或连杆(硬式),或二者兼用(混合式)来传动的。
被称为空气动力学之父的英国人乔治·凯利(George Cayley,1773-1857),在他1809年设计的滑翔机上,已经装备了全动式升降舵。飞机发明的先驱者们,如英国的斯特林费洛(John Stringfellow,1799-1883)、亨森(William Samuel Henson,1812-1888)、德国的李林达尔(Otto Lilienthal,1848-1896)、法国的阿方斯·佩诺(Alphonse Penaud,1850-1880)和美国的莱特兄弟(Wilbur Wright,1867-1912;Orville Wright,1871-1948),在他们设计的飞机上也都采用了全动式升降舵。直到飞机发明6年后的1909年8月29日,法国人莱昂·勒瓦瓦瑟(Leon Levavasseur,1863-1922)在他设计的安托瓦内特Ⅳ型单翼飞机上,发明了现代飞机上使用的,由固定的水平安定面与活动的升降舵组成的水平尾翼和由固定的垂直安定面与活动的方向舵组成的垂直尾翼。这种飞机在世界上第一次飞到了155米的高度。1911年,勒瓦瓦瑟又设计了具有现代流线外形的新的安托瓦内特型飞机。可惜的是这位天才的设计师,晚年穷困潦倒,几近乞丐。
说到飞机上用于横侧操纵的副翼的发明,争议较多。英国人博尔顿(M.P.W.Boulton),在他1863年注册的第392号专利中明确提出,“为了保证飞行器的安全飞行,需要设置可以实施侧向(绕纵轴滚转)操纵的叶片(翼面)”。这里实际上指的就是副翼,但因为当时还没有成功的飞机,所以他的发明并没有引起人们的注意。1891年至1896年,在李林达尔设计的滑翔机上,是靠移动飞行员身体的重心来实现横侧操纵的。1901年9月1日,威尔伯·莱特在芝加哥发表的论文中,宣布了他们以机翼扭曲装置实现飞机侧向操纵的概念。1903年4月,出生于法国,而工作于美国的查纽特(Octave Chanute,1832-1910),在巴黎的法国航空俱乐部集会上,首先介绍了莱特兄弟的这一概念。
1905年,英国人科迪(S.F.Cody)在他设计的双翼滑翔机下翼前缘的下方,装了狭长的三角形翼片,用于侧向和俯仰操纵。这实际上属于升降副翼的概念。而法国人布莱里奥(Louis Charles-Joseph Bleriot,1872-1936),在1901年设计的布莱里奥X1型飞机的原型机上,已装有翼尖全动副翼。1909年7月25日,布莱里奥驾驶该机成功飞越英吉利海峡。
1908年6月21日,美国人寇蒂斯(Glenn Hammond Curtiss,1878-1930)设计的“六月臭虫”号飞机首次试飞,并于同年7月4日获得美国首届飞机飞行大赛的“科学美国人”奖杯。这种飞机的上、下翼装有分离的三角形翼尖副翼。这种设施实际上是由美国的飞艇和跳伞先驱者鲍德温(Thomas Scott Baldwin,1860-1923)在他设计的“白翼”号飞机上首次采用的。
1909年6月,寇蒂斯受科迪的启发,在他设计的“金鸟”号飞机的双翼之间安装了独立的“翼间副翼”。这架飞机当年在法国兰斯首届戈登·贝内特飞行速度竞赛中获得冠军,平均飞行速度为74公里/小时。莱特兄弟认为“翼间副翼”是他们的“机翼扭曲装置”的变形,并向法院提出指控,并最终被法院判决胜诉。在中国航空博物馆有一架由中国航空的先驱——冯如(1884-1912)于1911年制造的“冯如2号”飞机的复制品,在该机上还可以看到这种特殊形式的副翼。
1909年,俄国发明家西乌科夫(Sivkov)在他的滑翔机上安装了机翼后缘副翼。1912年,英国的阿弗罗504-K型教练机的原型机上,首次采用左、右协调动作的机翼后缘副翼。现代的飞机普遍地使用这样的副翼,配合方向舵进行横侧操纵。
经历了不少争执之后,莱特兄弟终于在1915年设计的K型水上飞机上,以副翼取代了他们发明的翼尖扭曲装置。有趣的是,1958年,在世界滑翔冠军赛中获胜的西德HKS-3型高性能滑翔机上,仍然是利用机翼扭曲技术来实现机翼增升和侧向操纵的。20世纪70年代以来发展起来的任务适应机翼技术,利用机翼柔性蒙皮和变弯度机构,可以自动改变机翼的切面形状。在这样的机翼上,采用机翼扭曲技术可能是更为合理的设计。目前,美国国家航空航天局(NASA)就正在研究可以根据飞行状态,改变外形的柔性机翼。可以预见,智能结构和记忆合金材料的出现,完全可能使这项技术成为现实。
在飞机发明的百年当中,飞机的操纵系统经历了两次大的技术突破。
第一次是实用陀螺仪的发明和应用。美国的埃尔默·安布罗斯·斯佩里(Elmer Ambrose Sperry,1860-1930),从1896年开始研究实用的陀螺仪。1912年,他又协助飞机设计师寇蒂斯研制飞机上使用的自动稳定器,并于第二年,在寇蒂斯设计的水上飞机上试飞验证。
1914年6月18日,埃尔默·斯佩里的儿子劳伦斯·伯斯特·斯佩里(Lawrence Burst Sperry,1892-1923)在法国巴黎的飞机安全飞行竞赛上,驾驶装有陀螺稳定器的飞机进行了表演,证实了飞机可以依靠自动驾驶仪飞行(实际只是保持平飞,不是全飞行过程)。1918年,德国在对伦敦进行长距离夜间空袭时,使用的“哥达”式巨型轰炸机上,已经装有飞机姿态稳定系统。
埃尔默·斯佩里后来又发明了陀螺罗盘、陀螺地平仪和侧滑指示器等一系列飞行仪表,使飞行员可以在夜间和复杂气象条件下,按仪表指示操纵飞机,对人类航空技术发展作出了突出的贡献。1929年9月24日,美国陆军中尉詹姆斯·杜立特(James Harold Doolittle,1896-1993)驾驶联合NY-2型飞机,由飞行员本杰明·凯尔西(Benjamin S.Kelsey)同乘,完成了世界上首次全过程暗舱仪表飞行(过去称“盲目飞行”)。同一时期,英国的里德(Reid)和西格里斯特(Frederick Sigrist,1880-1956,索普威思公司经理)发明了指示飞机转弯角速度的转弯倾斜仪。
陀螺是一个高速旋转的刚体转子,它具有保持自己的旋转轴稳定不变的特性——定轴性。利用这一特性,可以测定和保持飞机的飞行姿态。我国4000年前的仰韶文化遗址出土的文物中已经有了石制的陀螺。2000多年前,汉朝长安巧匠丁缓发明了陀螺的平衡环(万向支架)的原理。当时的装置只是作为暖被子的用具(被中香炉)。公元1700年以后,陀螺传入欧洲。1852年,法国天文学家傅科(Jean Bernard Leon Foucault,1819-1868)为了说明地球的自转现象,发明了原始的陀螺仪——傅科摆。它的原理是让转子(陀螺)通过轴承安装在内外框架和基座上,使之可以实现有三个角运动自由度的旋转。
现代的陀螺仪已经从概念上产生了巨大的变化,甚至可以取消支承的框架和转子,消除了一切机械摩擦,有着极高的精度。至今,陀螺仍是飞机自动控制系统和无人驾驶飞机控制系统中的核心部件。
飞机操纵系统的第二次重大突破是电传操纵系统的出现。电传操纵系统真正使用于飞机,发生在20世纪70年代。在采用电传操纵系统的飞机上,没有了传统的钢索和连杆等机械传动机构,飞行员完全通过电信号来操纵飞机。整个系统包括侧杆、敏感元件、计算机、伺服机构和助力器等部件,并和人工增稳、自动着陆和地形回避与跟随系统等自动控制系统结合,组成一个全新的飞行控制系统。这样的操纵系统与机械传动系统比较,不仅有结构简单、体积小、重量轻、易于安装和便于维护等显著的优点,而且它是实现主动控制技术,如放宽静稳定度、阵风减缓和乘坐品质控制、直接力控制、机动载荷控制和结构振动控制等的基础。
实际上电传操纵的发展历史可以追溯到60年前。1943年,第二次世界大战期间,美国在B-17E型轰炸机上安装的C-1型自动驾驶仪,就是由陀螺测得飞机的滚转、俯仰和方向等姿态变化参数,放大成电信号,再通过电缆输入电磁阀门或伺服电动机,直接操纵升降舵、方向舵和副翼。这已经是电传操纵的雏形。
1947年美国开始研制的“斗牛士”、“鲨蛇怪”等地地导弹,“波马克”地空导弹和“恶徒”空地导弹上,都已采用了电传控制系统,为研制乘人飞机上使用电传操纵系统积累了宝贵的经验。
从1961年至1972年,经过了11年的技术攻关,终于在1972年4月29日,美国空军的一架改装的F-4型(12200号)战斗机,首次进行了全电传操纵系统的验证飞行。由莱特兄弟开创的,借助机械传动机构操纵飞机的飞行方式,在其70年之后,变成了飞行员通过电信号传达对飞机的操纵指令。当时,人们对这种技术改革的新鲜感,不亚于1876年人们从亚历山大·格雷厄姆·贝尔(Alexander Graham Bell,1847-1922)发明的电话里,听到电线传来谈话声音时的惊奇。不过,此时人们对电传操纵系统的可靠性还是心存疑虑的。
1974年2月,通用动力F-16型战斗机的原型机首次试飞,是世界上第一种采用电传操纵系统的定型飞机。为了保险,在这种飞机上装有4套备份操纵系统,也就是我们所说的四余度设计。和它同时研制的麦道和诺斯罗普公司的YF-18型战斗机就没有采用这样的操纵系统。那时,有的飞机设计师还担心,通过电信号操纵的飞机,会像机器人一样,飞行动作不连贯。
又过30年之后的今天,电传操纵系统的优越性已经得到充分展现。20世纪70年代以后设计的第三、四代超音速战斗机,都借助它,减轻了结构重量,提高了机动性能。90年代加入航线的民航客机,如美国的MD-90和波音777、欧洲空中客车的A330和A340等,也都采用数字式电传操纵系统和放宽静稳定度技术,降低了配平阻力,提高了飞机的经济性。
电传操纵系统的应用,对飞机设计理念产生了深远的影响。在飞机设计中,既然摆脱了为获得固有安定性和相应的操纵性所必须遵循的戒律,设计师就可以发挥电传操纵系统在改善飞机性能和飞行品质方面的潜力,并对飞机的气动布局、结构和动力装置进行统一调配。电传操纵技术也为创造新的飞机运动方式和新的飞机气动外形提供了可能性。
1966年,英籍华人高锟(Charles K.Kao)和英国人霍克汉姆(George A.Hockham)提出了利用玻璃纤维传递光信号的设想。同年,美国阿穆尔研究所的汤斯发明了光学纤维。1970年,美国康宁公司制造出第一条低损耗光导纤维。1976年,英国在哈德福郡敷设的光缆,可以同时提供1920条电话通路;用它传输整套《大英百科全书》只需2秒钟。这种通信手段效率之高,令人难以置信。光纤通信技术的发展,促进了全球网络时代的到来。如今,在飞机的先进电子设备中,纤维光缆正日益取代传统的金属电缆。
电传操纵系统有易受电磁波和核辐射干扰的缺点,在大量使用复合材料的飞机上,由于没有金属蒙皮的屏蔽作用,这一问题就显得更加严重,而采用光纤技术就有利于解决这一问题。
1975年,美国空军在A-7D型飞机上试验数字战术飞行控制系统时,开始使用光纤作为数据传输线。光纤技术和数字式电传操纵系统相结合,产生了光传操纵系统的概念。1979年9月,洛克希德的乔治亚分公司利用卡普罗尼型研究机试飞光传操纵系统,取得令人满意的结果。1984年12月开始,美国陆军又投资,在改装的UH-60型直升机上,试飞采用侧杆操纵的光传操纵系统。研究表明,在重4吨、13吨和更重的直升机上采用光传操纵系统,可使其飞行控制系统的重量分别减少25%、50%和70%。
实践证明,光纤传输系统具有速率高、损耗低、容量大、保密性好和原料价格低廉等很多突出的优点。它的应用和发展,对飞机的通信和导航系统的更新也将带来巨大的效益。
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