[科普中國]-操縱面互作用

操縱面

飛機的飛行操縱面，是鉸鏈在飛機機翼、水平尾翼和垂直尾翼上的可動翼面。它們用來在飛機飛行和在地面高速滑跑時，操控飛機。包括升降舵（全動平尾）、副翼、方向舵等主操縱面以及前緣縫翼、襟翼、擾流板等輔助操縱面，還有鴨翼這樣的特殊操縱面。

多操縱面無尾布局飛機相比常規(guī)布局飛機，無尾布局由于取消了傳統(tǒng)平尾以及垂尾，布局結(jié)構(gòu)更加簡單，也大幅度地縮減了雷達散射截面，隱身性能得到相應(yīng)的提高。對無尾布局飛機而言，一個較大的挑戰(zhàn)是尋找合適的操縱面配置，使其能夠產(chǎn)生足夠的偏航力矩來替代被取消的立尾，完成飛機高敏捷性所要求的各種動作。美國在無尾布局飛機研制方面積累了重要經(jīng)驗，尤其是1993年后針對高機動無尾布局飛機進行的“創(chuàng)新控制裝置ICE”，項目研究使得人們對多操縱面布局以及配合等問題有了更加深入的認識。

通過風(fēng)洞測力實驗，研究了不同操縱面單側(cè)作動和同步差動對無尾布局飛機橫航向氣動特性的影響。結(jié)果表明：在線性段，升降副翼和襟副翼正向單側(cè)作動以及同步差動都具有一定的增升效果，全動翼尖單側(cè)作動使得全機升力系數(shù)減小。操縱面作動對偏航力矩控制的規(guī)律性不明顯，通過比較發(fā)現(xiàn)全動翼尖單側(cè)作動對偏航力矩的控制效果要高于升降副翼和襟副翼作動，操縱面作動對滾轉(zhuǎn)力矩具有較好的控制效果。升降副翼和襟副翼正向作動均會帶來負的滾轉(zhuǎn)力矩，舵偏角度越大負向滾轉(zhuǎn)力矩越大。升降副翼作動對滾轉(zhuǎn)力矩的控制效率高于襟副翼，全動翼尖作動對滾轉(zhuǎn)力矩的控制效率較低。相比單側(cè)作動，兩側(cè)同步差動可以提高滾轉(zhuǎn)力矩控制效率。1

多操縱面先進布局飛機控制采用先進高效的氣動布局是未來戰(zhàn)斗機和其它飛行器的發(fā)展方向，它在很大程度上增加了飛控系統(tǒng)的控制冗余度，提高了飛機的控制能力。與傳統(tǒng)的三種操縱面控制相比，多操縱面布局為飛機飛行控制提供了更靈活、更可靠、更有效的實現(xiàn)方式由于控制量大大超過了飛行員的操縱輸入量，因此如何解決多操縱面的綜合分配與協(xié)調(diào)控制成為飛控系統(tǒng)設(shè)計中面臨的首要問題。

對于單軸或三軸運動存在操縱面氣動余度的控制問題，在早期推力矢量研究中，NASA蘭利研究中心的研究人員就已經(jīng)提出了“偽控制”和“控制協(xié)調(diào)”的概念但真正直接進行控制分配研究，是美國在20世紀90年代中期開始的。其中道格拉斯宇航中心在F-15ACTIVE驗證機上進行過多操縱面控制分配技術(shù)研究，并取得了一定的研究試驗結(jié)果。懷特試驗室的研究人員在帶推力矢量的F-16上仿真了基于偽逆法的控制分配算法等。

占正勇介紹了多操縱面布局飛機飛控系統(tǒng)中冗余控制量分配問題的提出、數(shù)學(xué)描述及研究發(fā)展。重點分析了偽逆法、串接鏈法和基于二次規(guī)劃的動態(tài)分配三種方法，通過某型先進布局飛機控制分配設(shè)計與仿真，對比分析了各種算法應(yīng)用的優(yōu)缺點，并給出了結(jié)論。

（1）目前，基于偽逆法和串接鏈的控制分配實現(xiàn)簡單,且實時性較好,便于工程實現(xiàn)。缺點是對各種約束的處理還不是很理想。

（2）基于數(shù)學(xué)規(guī)劃思想的控制分配算法，能較好地處理約束條件及其它一些影響因素,但是運算量大，實時性難以保證，占正勇以線性濾波器方式完成的動態(tài)控制分配，則同時具有較好的解析特性和較小的運算量等特點。

（3）現(xiàn)有的控制分配算法都未討論對控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性影響，因而進行不同分配算法對系統(tǒng)穩(wěn)定性影響的分析或理論證明，將是進一步研究的內(nèi)容之一。