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中国歼20鸭式布局飞控技术解析 飞行员不怕飞机失控

中国歼20鸭式布局飞控技术解析 飞行员不怕飞机失控
2018年10月10日 09:40 新浪军事
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  说起战斗机性能,大家都知道更快高更强,但是很少人知道,潮流早就发生了深刻转变,实际上从上世纪70年代开始,更高更快更强,早就变成了更低更慢更轻,单纯追求高空高速的年代早已过去,而且从飞机替换来说,更小的飞机可以有更强悍的性能,这也是F16小个头替代F4大个头的原因。

  单发小F16替换双发大F4,这就是技术进步的威力

  F16替代F4的强悍攻击能力,最大理由是,采用了翼身融合技术外加电传飞控,使得飞机尺寸重量阻力大幅度减小,虽然机体重量只有后者的一半,总推力只有66%,但是挂载能力,航程,机动性都比后者强,这就是电传飞控创造的奇迹。

  F16和F4相比更小更轻转弯更快,而且可以同时和2架F4交战而不落下风

  大家不禁要问,电传操纵是何许神圣,为何如此强悍,能让飞机减重不减能?为了回答这个问题,我们先从飞机飞行操纵系统说起。

  飞行操纵系统,也称为飞行控制系统,这就是将飞行员的动作转换为到飞机动作的一个复杂系统,从工作分类来说分为人工操纵系统和自动操纵系统,自动操纵系统这个很好理解,预先设定好飞行方案,所有参数,让飞机自己飞行,飞行员就是监控状态而已,简单来说就是自动驾驶,和现在很热的汽车自动驾驶技术很类似。

  从这个对比可以看出F4肥硕笨重,F16轻盈修长

  而电传飞控系统也经历了一个很长的过程,并不是忽然跳出来的,从最初的机械操纵经过多次进步到电子控制增稳最终才到电传操纵系统。

  飞行控制系统是很复杂的,这是二代机JA37的飞控系统简图

  以下让我们看看飞行控制系统的历史,虽然从名词来说很不容易理解,但是我们可以从瑞典的飞机设计家族中看到点滴的进步。

  第一种:纯机械控制系统,这是最早的设计模式,这种设计,只能使用飞机飞行速度比较低200-300公里每小时的低速飞行机常用,舵面控制能力弱的情况,而且飞行员得一直进行操纵,当然飞机在舵面上带了调整片,可以节省点力气。

  这就是机械操纵模式,1940年萨博公司的J21,操纵杆通过复杂杆系链接到舵面

  第二种,带了助力的机械操纵系统,这种设计就用液压设备放大了飞行员的“力气”使得飞行员能飞700-800公里每小时甚至更高的速度。

  J29,高亚音速喷气飞机,人力很难拉动舵面了,所以使用液压助力

  这种设计下,飞行员可以直接感受到飞行国产中舵面返回来的力量大小,在高速时候飞行员做动作,杆力就很重,低速飞行时候飞行员杆就很轻。

  第三种,间接回力的飞行控制系统,这种设计出现在超音速飞机上,由于超音速舵面回力太大,使得飞行员的体力吃不消,所以做了一部分回力,让飞行员还能感受到操纵力度大小。

  这是低超音速飞机控制系统设计,飞机飞行速度刚刚超出一倍音速点点

  第四种,二倍音速飞机雷的飞控系统设计,飞控系统中特别加了传感器,电子部件和控制伺服器,这种设计兼顾了亚音速飞机,超音速飞行,而且在整个飞行过程中,使得飞行员的杆力不会变化过大,难于操纵。

  从技术来说,这个飞行控制系统很不错

  由于飞机需要拦截超音速敌机,所以设计师使用了自动驾驶仪辅助高速飞行带来的振动问题,减振效果良好,配合双三角翼设计,这套操纵系统得到了飞行员的好评。

  第五种,SAAB37的飞控系统,这是一款鸭式布局飞机,短距起降能力惊人,尾部带发动机反推装置,可以使飞机在冰雪跑道上500米内停下来,不仅如此,飞机最大速度2马赫以上,可以发射近距和中距拦射导弹,以及大量空对地弹药,有专用对地攻击和空战型号之分。

  AJ37主打攻击,机械操纵系统带全套伺服器和全权限,外加限制5度偏转的模拟式飞控系统

  AJ37的飞控系统使用杆力传感器,提升飞行员的操纵特性,主要特色在于从自动驾驶仪到控制面之增加了稳定和减振功能,AJ37的自动驾驶仪是模拟式的,可以在很大范围内调节,可以将每架飞机的操纵系统任意调节参数,最终每架飞机操纵反应特性都稍有差异而且独一无二。

  JA37的操纵系统是世界上第一种在基本机械操纵系统上增加数字控制系统的飞机,这种数字式控制系统消除了模拟空子系统的偏差。

  JA37也是一种静稳定飞机

  第六种 数字式控制系统

  上世纪80年代,瑞典萨博公司为了拿到纯数字式电传飞控上几乎,为此对一架JA37进行了大改,这就是JA 37-21 ESS01电传操纵试验机,用于测试全权限电传操纵系统,这是一种三轴异步全权限数字式飞行操纵系统(后缘控制面偏转角度可达±30度),另外带机械备份操纵系统

  这就是瑞典第一款电传操纵试验机,中国则有K8,歼8,歼7等型号与之对应

  在JA37电传操纵实验,获得成功后,萨博公司展开了对JAS39鹰狮的电传操纵系统研发,最大的进步就是取消了机械操纵系统备份,转变成全数字式电传操纵系统,为了增加安全性,采用了多余度设计,操纵系统额外增加了一个状态监控表决器,随时监测和判断操纵通道的正常与否。

  这就是鹰狮的飞控系统,所有飞行员动作都通过计算机来处理,形成控制指令

  从技术来说,鹰狮和上面的所有飞机的操纵系统都不同,就是电传操纵系统和机械操纵系统的区别,其实质是能量利用效率高低的档次问题,JA32,JA35,JA37战斗机从稳定性的观点来说,都是常规静稳定飞机,这种飞机的缺点在于,飞机机翼面积很大,带来更大的飞行阻力,而且转弯也带来了更大的速度损失,而鹰狮战斗机截然相反。

  主要的不同其实主要是重心和气动中心位置关系,静稳定飞机重心都比较靠前,飞机经过气流扰动后,偏向于恢复原样,而静不稳定飞机相反。

  鹰狮电传操纵系统能做到无忧虑操纵,功能很强大,使得飞行员专心驾驶作战

  同样要转弯,静稳定飞机先抬头,需要机翼后缘操纵面向上偏转,形成一个抬头力矩,但是这个抬头力矩造成了飞机的升力巨大损失,为了保持额定的过载能力,比如8-9G,机翼面积就必须做的更大,这造成了巨大的阻力增加。

  而静不稳定飞机正好相反,所以,这就是70年代以来电传操纵系统使得飞机减肥,由小变大的秘诀。

  个头小了一大圈,重量几乎减半,飞行性能还提高了,这就是电传操纵的奇效。

  而鹰狮的电传操纵系统则设计的很先进也很复杂,得益于全动鸭翼的鸭式布局,起飞和着陆都可以在机翼和鸭翼产生升力,使得飞机对于操纵面的大功率作动器需求减小了不少,而且鹰狮是一种高度不稳定的飞机,遇到突风干扰假如不使用自动驾驶仪稳定飞机可能在0.4秒之内,振幅增加一倍。

  鹰狮的飞控系统要求稳定指令以最低的延迟发出,而且最少每秒钟60赫兹的频率,在幅值选择上很有难度,幅值太小了,系统控制不了那么严密,幅值太大了,飞机抖得厉害。

  鹰狮战斗机试飞过广泛的高速速度攻角组合,飞机都能非常安全飞行

  战斗机飞行很麻烦,高空低空高速低速都要经历,而在低空低速飞行时候,容易发生翼面气流分离导致失速失控甚至导致坠毁,而且飞机也有一定的设计强度,飞行员要在发挥最高性能的同时也保证不损伤飞机结构,这就是个两难的题目。

  实际上鹰狮的飞控设计完全做到了飞行员不需要担心任何攻角问题,过载问题,侧滑,进气道限制等等失速或者偏离问题。

  鹰狮战斗机飞控系统图,歼10战斗机与之类似

  实际上来说,中国的歼10也做到了类似水平,而歼20更好飞,外加隐身和传感器的优势,这就是大批飞行员大量写申请想转飞歼20的理由。(作者署名:大水)

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