漫谈战斗机飞行控制系统(组图)

Frank

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对于飞控这个概念，很多人平时大概只能“凭感觉”聊聊而已。今天不妨了解下，战机飞控究竟是个啥。

广义来说，飞机的飞控由三个部分组成：信号系统硬件和软件以及辅助动力系统（比如液压器）。战机飞控也无外乎这三部分。

早期的战机一方面速度都不快，同时体积也不大，所以这时的飞控就可以做的非常原始。飞行员通过驾驶杆和脚蹬牵拉金属连杆，以此来带动平尾和方向舵，进而控制飞机改变飞行姿态。在这套体系中，飞控的硬件就是那一系列的驾驶杆，脚蹬，连杆（有时可以是金属索）等等，软件就是飞行员的大脑。辅助动力系统就是飞行员的肌肉力量（当时还不需要液压器）。



机械传动，大致上就是这种结构

这种飞控就是“机械飞控”最原始的面貌，而这种以连杆或金属索实现各个气动舵面偏转的传动模式就是“机械传动”。

随着航空技术的发展，战机的动力变得越来越充沛。人类开始打造更大，更高速的飞机了。这时，飞控的硬件体系就变得很庞大，很重；再加之速度的提升带来的速压的大幅增加，飞行员的肌肉力量已经不足以掰动气动舵面了。这时，就出现了液压动力系统作为飞行员肌肉力量的辅助。而液压器至今任然广泛地在各类飞机上使用——无论是民航大客机，还是F22。



纯人力是不可能掰动高速战机的气动舵面的，必须有液压器的辅助

截至到这个阶段的战机飞控，都被划为机械飞控的范畴。机械飞控的使用时间跨度非常长，直到二代战机的时代，机械飞控依然完全可以满足战机操控的需求。

机械飞控的终结者，就是以F16以及苏27为代表的一批采用放宽静稳定设计的战机为代表的三代战机。放宽静稳定设计的不稳定的飞行特性已经足够让飞行员手忙脚乱了，再加之类似苏27这样的边条翼设计会产生极为难以捉摸的涡流，人脑这个长期以来的飞控软件已经无法及时有效地做出反应了。事实上在此之前出现的F15和F14这类静稳定设计的战机已经开始采用了初步的电子系统增强，但总体上依然属于机械飞控。这显然无法满足新一代战机的飞控需求。



注意白色水汽，这便是边条翼产生的涡流地带。这种涡流极难控制，所以机械飞控根本候不住

所以，电脑开始在战机上取代人脑进行有效的飞行控制。这其中最核心的部分就是飞控软件的设计。飞控软件的作用，其实简单来说就是将影响战机飞行力学的所有因素公式化，通过分布在战机身上的传感器来获取这些因素的变化量——这些因素包括速度，高度，飞机重心，飞机升力中心，机翼涡流的强度变化乃至武器挂载和燃油消耗，电脑会自动计算出在这些变量发生变化后，战机的各个气动舵面应该如何恰到好处的偏转以保持或按飞行员的要求改变飞行姿态。飞行员理论上只需要拉杆蹬舵来向电脑传达自己的操控意图，剩下的事电脑来解决。

随着电脑的“登机”，战机传统的机械传动模式也被更为高效的电子传动模式所取代。原本的连杆或者金属索这样的机械传动连接被电缆所取代。这就叫做“电子传动”，也就是俗称的“电传”。而采用了电脑软件加电子传动的飞控系统，就是现在大家在各大军事论坛时不时脱口而出的“电传飞控”。当然，电传飞控也历经了模拟电传到数字电传的发展，简单来讲就是传动信号由较为不稳定，易失真易受干扰的模拟信号发展为了数字信号，使用过模拟电话和数字电话的人应该能体会两种信号的差别，本文就不进一步深入了。



国内公开展出的数字式电传飞控系统

那么，既然漫谈，那就说说我国的战机飞控吧。跟大家分享个关于苏27战机飞控的故事。

早期的T10原型机采用的是静稳定的气动设计，机械飞控。照理来讲这类战机采用机械飞控应该“候得住”了。但由于T10采用了边条翼的设计，其产生的涡流的不稳定特性完全超出了机械飞控的能力范围，根本无法在俯仰方向上控制住战斗机，拉杆后飞机剧烈上仰，过载迅速不受控制的增大，当试飞员推杆试图使飞机下俯卸载过载后，飞机又迅速进入负迎角状态，过载迅速变为-8G的负过载（一般现代战斗机最大允许-3G的负过载）。

所以，苏联人不得不在T10C,也就是苏27的方案上加入了电传飞控系统。但这套方案做的完全“半吊子”，战机在俯仰方向的气动舵面（前缘机动襟翼与水平尾翼）采用了电传，却在横向上（襟副翼和垂尾）使用了机械传控。这被称为“混合飞控”.....



早期T10的方案被视为“垃圾”全盘否定了，T10C完全是另一种飞机了

这种半电传、半机械混合的飞控系统，加上模拟电路的飞控计算机，也使得大量控制功能设计——比如限制过载、迎角限制，方向舵偏度限制、襟翼偏度限制、差动平尾的权限分配，都需要额外的硬件设备和载荷机构来完成。这不仅大幅度增加了飞行控制系统的重量和空间占用，而且可靠性也很差；事实上苏27用来控制迎角和过载在允许范围的“极限状态控制系统”，一直就是飞控系统故障总体故障率的重要贡献者。再加上机械传动连杆所带来的结构重量以及为防止高过载形变而留出的空间冗余，这种飞控的粗暴和简单低效不可靠简直令人发指。比如：

在苏27采用电传飞控以后，它的俯仰控制问题并没有得到立刻的解决，反而仍然出现了几次灾难性俯仰摆动的事故；苏联专家对事故分析以后认为，苏27在大速压下出现了平尾操纵敏感性突然急剧增高的现象。最后的解决办法是在飞行控制系统中又添加了一个滤波器，此后的苏27家族型号均未再遭遇此类问题。普遍认为这个现象的根源性原因在于苏27的大展弦比后掠翼在速压增大后翼尖产生形变较大丧失升力，导致升力中心在边条翼的引导下前移造成了平尾操控敏感性大幅增加从而俯仰失控。



苏27系列在早期出现过不少俯仰失控的问题。苏33也曾上仰失控从而着舰失败

全盘接手苏27国产化的沈飞在初期吃过不少飞控的亏。在苏27国产化的过程中，沈飞在早期并没有吃透这套飞控的情况下取消了这个滤波器，所以我国在几年前，公开报道了一起由于俯仰失控导致的歼11BS战机坠毁的严重事故。而正是由于这起事故才让技术人员意识到了这个滤波器的真实用途，从而大幅降低了同样问题的事故率。



国内报道的歼11BS战机事故，战机在高度下突然上仰失控，瞬间过载峰值达到9.36G，险些酿成空中解体惨剧

根据公开消息，我国在歼11BS上更换了数字电传飞控系统。但目前并无公开资料说明这套飞行控制系统的硬件和软件构成。包括该机是否已经改进为全电传飞机、数字计算机中运行的控制律软件是自行研发，还是提取自苏27UBK，种种问题目前仍然得不到明确的解答。而不久前，歼15战机在降落过程中再次出现上仰失控让中国歼11家族的飞控水准再次饱受质疑。

值得一提的是，苏35身上已经解决了关于苏27飞控的一系列问题。所以，骚年们，目光不要只盯着发动机，发动机，发动机。再好的发动机按在不靠谱的飞控上同样不靠谱。话说前几天盛传歼15搞定了“全自动着舰飞控”，希望沈霍伊这次能真的靠点谱——虽然个人依然对此事保持怀疑态度。



国内战机飞控哪家强？目前我只服成飞.....