戰斗機中的飛控

對于飛控這個概念,很多人平時大概只能“憑感覺”聊聊而已。今天不妨了解下,戰機飛控究竟是個啥。

廣義來說,飛機的飛控由三個部分組成:信號系統硬件和軟件以及輔助動力系統(比如液壓器)。戰機飛控也無外乎這三部分。

早期的戰機一方面速度都不快,同時體積也不大,所以這時的飛控就可以做的非常原始。飛行員通過駕駛桿和腳蹬牽拉金屬連桿,以此來帶動平尾和方向舵,進而控制飛機改變飛行姿態。在這套體系中,飛控的硬件就是那一系列的駕駛桿,腳蹬,連桿(有時可以是金屬索)等等,軟件就是飛行員的大腦。輔助動力系統就是飛行員的肌肉力量(當時還不需要液壓器)。


機械傳動,大致上就是這種結構

這種飛控就是“機械飛控”最原始的面貌,而這種以連桿或金屬索實現各個氣動舵面偏轉的傳動模式就是“機械傳動”。

隨著航空技術的發展,戰機的動力變得越來越充沛。人類開始打造更大,更高速的飛機了。這時,飛控的硬件體系就變得很龐大,很重;再加之速度的提升帶來的速壓的大幅增加,飛行員的肌肉力量已經不足以掰動氣動舵面了。這時,就出現了液壓動力系統作為飛行員肌肉力量的輔助。而液壓器至今任然廣泛地在各類飛機上使用——無論是民航大客機,還是F22。


純人力是不可能掰動高速戰機的氣動舵面的,必須有液壓器的輔助

截至到這個階段的戰機飛控,都被劃為機械飛控的范疇。機械飛控的使用時間跨度非常長,直到二代戰機的時代,機械飛控依然完全可以滿足戰機操控的需求。

機械飛控的終結者,就是以F16以及蘇27為代表的一批采用放寬靜穩定設計的戰機為代表的三代戰機。放寬靜穩定設計的不穩定的飛行特性已經足夠讓飛行員手忙腳亂了,再加之類似蘇27這樣的邊條翼設計會產生極為難以捉摸的渦流,人腦這個長期以來的飛控軟件已經無法及時有效地做出反應了。事實上在此之前出現的F15和F14這類靜穩定設計的戰機已經開始采用了初步的電子系統增強,但總體上依然屬于機械飛控。這顯然無法滿足新一代戰機的飛控需求。

注意白色水汽,這便是邊條翼產生的渦流地帶。這種渦流極難控制,所以機械飛控根本候不住

所以,電腦開始在戰機上取代人腦進行有效的飛行控制。這其中最核心的部分就是飛控軟件的設計。飛控軟件的作用,其實簡單來說就是將影響戰機飛行力學的所有因素公式化,通過分布在戰機身上的傳感器來獲取這些因素的變化量——這些因素包括速度,高度,飛機重心,飛機升力中心,機翼渦流的強度變化乃至武器掛載和燃油消耗,電腦會自動計算出在這些變量發生變化后,戰機的各個氣動舵面應該如何恰到好處的偏轉以保持或按飛行員的要求改變飛行姿態。飛行員理論上只需要拉桿蹬舵來向電腦傳達自己的操控意圖,剩下的事電腦來解決。

隨著電腦的“登機”,戰機傳統的機械傳動模式也被更為高效的電子傳動模式所取代。原本的連桿或者金屬索這樣的機械傳動連接被電纜所取代。這就叫做“電子傳動”,也就是俗稱的“電傳”。而采用了電腦軟件加電子傳動的飛控系統,就是現在大家在各大軍事論壇時不時脫口而出的“電傳飛控”。當然,電傳飛控也歷經了模擬電傳到數字電傳的發展,簡單來講就是傳動信號由較為不穩定,易失真易受干擾的模擬信號發展為了數字信號,使用過模擬電話和數字電話的人應該能體會兩種信號的差別,本文就不進一步深入了。


國內公開展出的數字式電傳飛控系統

那么,既然漫談,那就說說我國的戰機飛控吧。跟大家分享個關于蘇27戰機飛控的故事。

早期的T10原型機采用的是靜穩定的氣動設計,機械飛控。照理來講這類戰機采用機械飛控應該“候得住”了。但由于T10采用了邊條翼的設計,其產生的渦流的不穩定特性完全超出了機械飛控的能力范圍,根本無法在俯仰方向上控制住戰斗機,拉桿后飛機劇烈上仰,過載迅速不受控制的增大,當試飛員推桿試圖使飛機下俯卸載過載后,飛機又迅速進入負迎角狀態,過載迅速變為-8G的負過載(一般現代戰斗機最大允許-3G的負過載)。

所以,蘇聯人不得不在T10C,也就是蘇27的方案上加入了電傳飛控系統。但這套方案做的完全“半吊子”,戰機在俯仰方向的氣動舵面(前緣機動襟翼與水平尾翼)采用了電傳,卻在橫向上(襟副翼和垂尾)使用了機械傳控。這被稱為“混合飛控”.....

早期T10的方案被視為“垃圾”全盤否定了,T10C完全是另一種飛機了

這種半電傳、半機械混合的飛控系統,加上模擬電路的飛控計算機,也使得大量控制功能設計——比如限制過載、迎角限制,方向舵偏度限制、襟翼偏度限制、差動平尾的權限分配,都需要額外的硬件設備和載荷機構來完成。這不僅大幅度增加了飛行控制系統的重量和空間占用,而且可靠性也很差;事實上蘇27用來控制迎角和過載在允許范圍的“極限狀態控制系統”,一直就是飛控系統故障總體故障率的重要貢獻者。再加上機械傳動連桿所帶來的結構重量以及為防止高過載形變而留出的空間冗余,這種飛控的粗暴和簡單低效不可靠簡直令人發指。比如:

在蘇27采用電傳飛控以后,它的俯仰控制問題并沒有得到立刻的解決,反而仍然出現了幾次災難性俯仰擺動的事故;蘇聯專家對事故分析以后認為,蘇27在大速壓下出現了平尾操縱敏感性突然急劇增高的現象。最后的解決辦法是在飛行控制系統中又添加了一個濾波器,此后的蘇27家族型號均未再遭遇此類問題。普遍認為這個現象的根源性原因在于蘇27的大展弦比后掠翼在速壓增大后翼尖產生形變較大喪失升力,導致升力中心在邊條翼的引導下前移造成了平尾操控敏感性大幅增加從而俯仰失控。


蘇27系列在早期出現過不少俯仰失控的問題。蘇33也曾上仰失控從而著艦失敗

全盤接手蘇27國產化的沈飛在初期吃過不少飛控的虧。在蘇27國產化的過程中,沈飛在早期并沒有吃透這套飛控的情況下取消了這個濾波器,所以我國在幾年前,公開報道了一起由于俯仰失控導致的殲11BS戰機墜毀的嚴重事故。而正是由于這起事故才讓技術人員意識到了這個濾波器的真實用途,從而大幅降低了同樣問題的事故率。


國內報道的殲11BS戰機事故,戰機在高度下突然上仰失控,瞬間過載峰值達到9.36G,險些釀成空中解體慘劇

根據公開消息,我國在殲11BS上更換了數字電傳飛控系統。但目前并無公開資料說明這套飛行控制系統的硬件和軟件構成。包括該機是否已經改進為全電傳飛機、數字計算機中運行的控制律軟件是自行研發,還是提取自蘇27UBK,種種問題目前仍然得不到明確的解答。而不久前,殲15戰機在降落過程中再次出現上仰失控讓中國殲11家族的飛控水準再次飽受質疑。

值得一提的是,蘇35身上已經解決了關于蘇27飛控的一系列問題。所以,騷年們,目光不要只盯著發動機,發動機,發動機。再好的發動機按在不靠譜的飛控上同樣不靠譜。話說前幾天盛傳殲15搞定了“全自動著艦飛控”,希望沈霍伊這次能真的靠點譜——雖然個人依然對此事保持懷疑態度。

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