飞机与机械操纵系统变形差异对机动操纵影响设计方法与流程

本发明涉及飞机操纵性稳定性设计技术领域，尤其涉及飞机与机械操纵系统变形差异对机动操纵影响设计方法。

背景技术：

当前，虽然采用电传输和光传输的操纵系统在现代飞机中的使用越来越广泛，但是采用机械系统操纵的飞机还是目前现役飞机里的主流。

机械系统操纵的战斗机、轰炸机属于第二代飞机的技术，如前苏联的米格－21、米格－23和中国的歼－7、歼－8均采用液压助力机械操纵系统，虽然目前已成为主力军种的第三代乃至第四代战斗机、轰炸机大量引入电传操纵系统，但是电传操纵系统中驱动机构(舵机)至放大机构(助力器)之间布置不合理时也会引起相对变形，而且机械系统操纵的飞机仍是是现役作战飞机以及大量民用、通用飞机里的主流。

目前国内外对飞机机动操纵特性设计的描述中还未提到考虑飞机机体与机械系统相互变形的影响，虽然许多飞机根据试飞结果修正了飞机的系统，但是缺少系统性的确定分析方法。

本发明提出了一种全面、系统考虑及确定飞机机械操纵系统与飞机变形不同步对飞机机动操纵特性影响的方法，从而能够在确保飞机全任务剖面满足飞机机动操纵特性设计要求，预防和制止飞机在不同速度机动时出现非指令性偏离，保证飞行安全、减轻驾驶员负担，并改善操纵品质，从而提高了飞机的安全性和舒适性。

技术实现要素：

本发明的目的：提出一种飞机与机械操纵系统变形差异对机动操纵影响设计方法，能够在确保飞机全任务剖面满足飞机机动操纵特性设计要求，预防和制止飞机在不同速度机动时出现非指令性偏离，保证飞行安全、减轻驾驶员负担，并改善操纵品质，从而提高了飞机的安全性和舒适性。

本发明的技术方案：

飞机与机械操纵系统变形差异对机动操纵影响设计方法，包括以下步骤：

步骤1：根据飞机机动时合力与合力矩的要求，计算飞机机动时的纵、横、航向机动所需舵面偏度；

步骤2：计算飞机机动过程中机械操纵系统相对于飞机变形的偏离量；

步骤3：计算飞机机动过程中飞机的座舱操纵位移及操纵力。

步骤4：根据飞机机动时的不同目标过载，重复步骤1－步骤3，得到飞机机动时的纵、横、航向的座舱操纵位移、操纵力对对应目标过载的杆力梯度、杆位移梯度。

步骤2所述的计算飞机机动过程中机械操纵系统相对于飞机变形的偏离量，还包括以下步骤：

步骤2.1：根据飞机飞行状态确定飞机沿机身纵向变形以及飞机沿机翼横向变形；

步骤2.2：确定飞机机械操纵系统各安装点、转轴支点随飞机沿机身纵向变形以及飞机沿机翼横向变形后的空间位置变化量；

步骤2.3：计算机械操纵系统在飞机上两个相邻的两个安装点、转轴支点之间的相对变形。

步骤2.4：将机械操纵系统在飞机上所有相邻的两个安装点、转轴支点之间的相对变形求和，最终确定操纵系统在当前飞行状态的总变形，即确定偏离操纵系统设计理论值的偏离量；

步骤2.5：根据步骤2.4计算得到的偏离，修正当前机动状态下的机械操纵系统数据。

步骤3所述的计算飞机的座舱操纵位移及操纵力，具体为根据步骤1中所得出的飞机机动时的纵、横、航向机动所需舵面偏度以及步骤2计算确定当前机动过程中不同过载下机械操纵系统相对于飞机变形的偏离量，修正飞机机械操纵系统实时的真实传动比，计算飞机的座舱操纵位移及操纵力，并计算飞机纵向杆力梯度、杆位移梯度。

根据飞机机动时合力与合力矩的要求，计算飞机机动时的纵、横、航向机动所需舵面偏度；此时需综合飞机总体设计所确定的全飞行剖面内主要的飞行状态，包括飞机的重量重心状态、襟翼状态、发动机状态、飞行速度、飞行高度，依据考虑飞机弹性变形的气动数据、飞机质量特性、动力特性数据，再计算飞机平衡时的纵、横航向平衡所需舵面偏度。

步骤2.5所述的根据步骤2.4计算得到的偏离，修正当前机动状态下的机械操纵系统数据，所述的机械操纵系统数据为修正后的真实传动比。

本发明的有益效果：提供一种飞机与机械操纵系统变形差异对机动操纵影响设计方法，从而能够在确保飞机全任务剖面满足飞机机动操纵特性设计要求，预防和制止飞机在不同速度机动时出现非指令性偏离，实现了飞机在飞行中真实的飞机机械操纵系统特性确定流程，以及真实的飞机机动操纵特性设计确定方法，从而保证了飞行与设计的一致性，修正了机械操纵系统特性误差，同时保证了部分飞行包线边界点如大表速、大过载飞行状态的机动操纵设计的精度和准度，提高了飞机飞行的安全性，改善了操纵品质，同时，本发明还具有系统详实，效率较高；重点突出，考虑全面，准确性高；适用性强的特点。

附图说明

图1为飞机航向机械操纵系统示意图；

图2为飞机正过载飞行过程中机身上下表面变形示意图。

具体实施方式

飞机与机械操纵系统变形差异对机动操纵影响设计方法，包括以下步骤：

步骤1：根据飞机机动时合力与合力矩的要求，计算飞机机动时的纵、横、航向机动所需舵面偏度；

步骤2：计算飞机机动过程中机械操纵系统相对于飞机变形的偏离量；

步骤3：计算飞机机动过程中飞机的座舱操纵位移及操纵力。

步骤4：根据飞机机动时的不同目标过载，重复步骤1－步骤3，得到飞机机动时的纵、横、航向的座舱操纵位移、操纵力对对应目标过载的杆力梯度、杆位移梯度。

步骤2所述的计算飞机机动过程中机械操纵系统相对于飞机变形的偏离量，还包括以下步骤：

步骤2.1：根据飞机飞行状态确定飞机沿机身纵向变形以及飞机沿机翼横向变形；

步骤2.2：确定飞机机械操纵系统各安装点、转轴支点随飞机沿机身纵向变形以及飞机沿机翼横向变形后的空间位置变化量；

步骤2.3：计算机械操纵系统在飞机上两个相邻的两个安装点、转轴支点之间的相对变形。

步骤2.4：将机械操纵系统在飞机上所有相邻的两个安装点、转轴支点之间的相对变形求和，最终确定操纵系统在当前飞行状态的总变形，即确定偏离操纵系统设计理论值的偏离量；

步骤2.5：根据步骤2.4计算得到的偏离，修正当前机动状态下的机械操纵系统数据。

步骤3所述的计算飞机的座舱操纵位移及操纵力，具体为根据步骤1中所得出的飞机机动时的纵、横、航向机动所需舵面偏度以及步骤2计算确定当前机动过程中不同过载下机械操纵系统相对于飞机变形的偏离量，修正飞机机械操纵系统实时的真实传动比，计算飞机的座舱操纵位移及操纵力，并计算飞机纵向杆力梯度、杆位移梯度。

根据飞机机动时合力与合力矩的要求，计算飞机机动时的纵、横、航向机动所需舵面偏度；此时需综合飞机总体设计所确定的全飞行剖面内主要的飞行状态，包括飞机的重量重心状态、襟翼状态、发动机状态、飞行速度、飞行高度，依据考虑飞机弹性变形的气动数据、飞机质量特性、动力特性数据，再计算飞机平衡时的纵、横航向平衡所需舵面偏度。

步骤2.5所述的根据步骤2.4计算得到的偏离，修正当前机动状态下的机械操纵系统数据，所述的机械操纵系统数据为修正后的真实传动比。

实施例：

飞机航向机械操纵系统在飞机上安装示意图见图1，飞机机械操纵系统在飞机上的整个变形量应包括飞机在各个安装点、转轴支点之间机体与机械操纵系统相对变形量的组合叠加。

飞机机体在飞行时会发生弹性变形，而在机动中飞机变形量会随着飞机机动中过载的的变化而变化。对于飞机纵向机动，如果法向过载为正过载，则机身向下弯曲，此时机身背部会拉长。机身会产生形如“扁担”的弹性变形，见图2，图2中的自由端为飞机某一横截面，两个横截面之间的机身背部会拉长产生拉长量，底部会压缩产生缩短量。假设飞机机械操纵系统相邻两个安装点分别在图2中的自由端，在此区间的机械操纵系统杆系相对于机身产生相对变形，机械操纵系统杆系为多个机械杆连接而成，一般的飞机常采用机械操纵系统杆系主要部分位于机身背部(背鳍位置)，当机身背部拉长时，由于操纵系统的刚度远大于飞机机体的刚度，操纵杆系不会随机身长度的变化而变化，机身背部的机械操纵杆系主要摇臂转轴支点坐标位置均发生变化，此时，操纵杆系相对于机身有所缩短，这将导致杆头位置前移从而产生操纵系统向对于飞机的“变形”。同理，飞机滚转过程中也会产生机械操纵系统在机翼内的安装位置的相对变形。

在设计中，飞机和机械操纵系统均应分别按照弹性体进行设计，但总体来说，机械操纵系统刚度设计较大，而且，仅受到座舱操纵力、助力机构控制阀的摩擦力(无回力操纵系统)、舵面的铰链力矩(有回力操纵系统)，系统变形相对较小。弹性飞机及机械操纵系统运动方程是综合考虑飞机及机械操纵系统的刚体运动和弹性振动自由度，从系统能量的角度出发，应用lagrange运动方程推导弹性飞机及机械操纵系统运动的一般运动方程。

假使各弹性振动模态均已求得，并用参考体轴系的单位矢量及弹性飞机及机械操纵系统运动未变形的形状表示弹性振动模态振型，

随着法向过载的增加，机身背部的纵向操纵杆系主要摇臂转轴支点坐标位置均发生变化。在法向过载为正过载时，根据机身挠度数据△h可得，机身产生弯曲角度△α：

式中，△l为机身长度变形量，机身上表面到弯曲中性层的距离为ru，因此，此区域的机身上表面拉长量为：

δl＝ruδα1

式中，△α1为机身某一段相邻两个安装点及转轴支点之间产生弯曲角度，航向操纵系统输入位移与输出位移的比值为k1，在法向过载为正过载时，由于操纵系统安装在飞机背鳍位置(机身上表面处)，所以杆系相对机身的缩短引起杆头的位移为：

δxr＝δl/k1

航向操纵系统中方向舵舵面偏度与杆头位移的传动比为k2，这样，△xr杆头位移产生的方向舵偏度的偏离量为△δr：

δδr＝δxr×k2

同样，可以根据飞机的舵面位置反向计算飞机的座舱操纵位置。同时根据此时飞机机动所需的舵面偏转位置，可以计算出飞机机动时的座舱操纵位移和操纵力。

当飞机大过载飞行时，应分别根据不同过载下飞机机体和机械操纵系统本身变形之差来计算飞机对应的座舱操纵量，包括操纵力和操纵位移，从而得出飞机在大过载机动时的真实杆力梯度和杆位移梯度。