电动操纵负荷系统中基本力感的建立

摘 要：操纵负荷系统作为飞行模拟机/器的重要组成部分，使其能精确地再现飞行员在操纵飞行器时所感受到的力，对于实现逼真的飞行模拟极其重要。文章基于Fokker公司的Ecol系统，对电动操纵负荷系统中基本力感的实现进行阐述、分析，从而增强对飞行模拟器中电动操纵负荷系统的维护能力，对操纵负荷系统的设计、维护、改进具有现实意义。

关键词：飞行仿真；操纵负荷系统；飞行操纵；力感

引言

飞行模拟机/器的操纵负荷系统中，飞机的座舱操纵机构仍然被保留，但钢索、液压助力器、操纵面等都被仿真。座舱操纵机构连接到操纵的作动器上，钢索、连接和飞机后段的机构在主计算机的模型中计算，然后将计算结果返回操纵系统。

1 通过基本模型建立力感

在飞行器中，飞行员向驾驶杆施加力来调整操纵面，在座舱操纵机构和操纵面之间有钢索、滑轮、摇臂、助力器、感觉弹簧、阻尼器、配重等。在模拟机/器中，座舱操纵机构的位移由飞行员与负荷系统所施加力形成的差值所体现。在法规要求下，负荷机构需在动态、静态表现出的特性与所模拟飞行器操纵相一致。

1.1 不可逆的飞行操纵系统

助力的操纵系统功能正常情况下，在地面、高度及恶劣天气中，感觉是相同的。所以这种系统的力感可以通过地面的状态来描述，无需空中测试，将其称为不可逆的飞行操纵系统。

1.2 可逆的飞行操纵系统

人工操纵系统的力感受到气流的影响，需要飞行数据和风洞数据来支持，人工操纵系统要承受气动力，然后反馈给机组成员，将其称为可逆的飞行操纵系统。

在模拟过程中，对于这两种飞行操纵系统，通过基本模型分别建立力感。

2 不可逆操纵系统的力感

不可逆操纵系统不能将气动力反馈给飞行员，操纵由作动器来完成，给飞行员提供正确的力感。

无论飞行器在空中还是在地面，不可逆操纵系统的操纵感觉总是相同的。可以在地面通过设备进行测量得到，包括摩擦、弹簧启动力和弹簧梯度等。

图3是一个液压操纵系统的静态力感的实例，静态曲线包含了中立位置附近的启动弹簧、摩擦、多个弹簧梯度、行程限制，箭头显示杆移动方向，这些特性可以在所有的液压操纵系统中见到。

2.1 建立的基本原则

可以通过向Ecol基本模型输入各种简化参数来模拟图3的力感，图中显示了三个弹簧梯度和一个启动力，但是基本模型仅有三个弹簧梯度，其中一个弹簧梯度必须用于仿真启动力，只剩下两个梯度用于感觉弹簧的仿真，所以Ecol基本模型不能完全复现图3的力感，例如拐点e不能用基本模型仿真。

2.2 其它操纵系统附加效果的建立

2.2.1 自动驾驶仪作动器：使用阻塞模式驱动杆，基本模型不能仿真自动驾驶仪的摩擦离合器。

2.2.2 推杆器：设置“力偏差”实现正确的推杆力。

2.2.3 抖杆器：在“力偏差”中输入一个正弦信号。

2.2.4 感觉弹簧配平系统：设置“配平速度”达到正确的水平。

2.2.5 直升机混合器：将一个通道的前向止动设置为其它通道位移的函数。

2.2.6 直升机驾驶员的辅助作动器：作动器打开和关闭时，使用不同的感觉参数。

不可逆操纵系统的动态力是由操纵系统硬件产生的，就是很象静态力，在地面和在空中相同。通过设置参数“前向阻尼”和“前向质量”在模拟机中实现回中的参数，可与所模拟飞行器进行匹配。从不可逆系统中，飞行员感觉不到气动力。

3 可逆的飞行操纵系统

可逆的飞行操纵系统将气动力反馈到飞行员处，操纵面由人力驱动，因此机组成员必须克服力动力才能驱动操纵面，人工操纵系统的力感主要是由气动力决定的，非气动力参数也需要被准确模拟。

3.1 人工操纵系统在地面的力感

3.1.1 所有人工操纵飞行器中的力感因素

在地面，人工操纵系统中的力感来源于：

（1）钢索和连接传动装置的摩擦力。

（2）操纵面止动后，由于钢索/连接机构的拉伸，导致座舱机构有一定的位移。

（3）在地面，通过操纵面止动或舵面锁有效是表现出钢索/连接机构的刚度。

（4）力偏差，如在传统飞机中，俯仰杆总是向前倒杆。

上述力感可以通过测量设备进行测量。

图4给出了地面上人工操纵系统静态力感的例子，从中可以看到前面提到的力的四个因素。

3.1.2 大、中型飞机中，还可能会存在以下影响力感的因素

（1）舵面锁系统（操纵感觉到锁在特定位置）；（2）自动驾驶仪作动器（需要克服摩擦离合器的特定的力）；（3）连接到升降舵安定面的弹簧（产生力的偏差，它是配平安定面的函数）；（4）方向舵/副翼互连弹簧。基本模型只能仿真图4中所标书的部分特性，例如钢索的刚度就不能仿真。

3.2 人工操纵系统的气动感觉

人工操纵系统的气动感觉由作用在操纵面上气动力决定，它是叠加在地面感觉上的。描述操纵力的简单的、常规的方法就是通过减少作用在操纵面铰链上的力矩。

现代飞行器中，座舱操纵总是回复到特定的中立位置，中立位置由：包括攻角、倾斜角、攻角变化率、配平片偏转、操纵面的气流分离、空速、高度等多个参数决定。模拟机/器主计算机计算气动力以决定飞机对操纵面偏转的响应，为了传输的时效与响应的及时，在亚音速飞行器模拟中，对计算进行了合理的简化，结果如下面的公式：

Cmα，Cmt和Cmδ来自于飞行或风洞数据。

带有线性铰链力矩系统的飞机的气动静态曲线类似是图5的曲线，图中显示的拉伸气动梯度为2N/cm，改变气动力偏差将使整个曲线上移或下移。操纵机构在中立位置配平，松杆时操纵机构将回到中立位置，但是由于摩擦带的存在，操纵机构将停在中立位置前后4cm之间的某个位置上。

图4和图5的两个力感的例子都是静态曲线，没有显示动态力。动态力有两种类型：阻尼和惯性，这就需要位置的时间曲线或动态曲线，图6通过使操纵机构偏离中立位置，然后松杆获得，气动力将使操纵机构回中。惯性、阻尼、回中力共同决定了动态曲线的形状。

Ecol基本模型引入了阻尼输入和惯性输入，以使模拟机能复现出与所模拟飞行器相同的动态曲线，模拟机复现时必须建立正确的飞行和操纵参数。

另外影响气动力的其它系统还有抖杆器和推杆器，这些系统安装到飞机中，用于阻止飞机出现失速。抖杆器仅可通过向“力偏差”输入正弦波来实现，推杆器也可通过设置“力偏差”输入信号来建模。

4 结束语

通过分析飞行器基本力的产生和影响以及Ecol在模拟机/器上对这些力的复现，对于运行、维护、改造、设计飞行模拟机/器中的操纵系统，从而增强模拟机/器模拟效果是必要且有用的。

参考文献

[1]王行仁.飞行实时仿真与技术[M].北京航空航天大学出版社，1998.

[2]Installation Operation Manual Ecol 8000 QC_line ECLS.

[3]Maintenance manual B737-800 FFS for CAFUC.

[4]Ascent B737-NG FFS X（TM）Maintenance Manual.