某串列座艙飛機(jī)駕駛員操縱裝置子系統(tǒng)加/改裝力監(jiān)測(cè)系統(tǒng)方案研究

邰瑞雪，葉 蕾，郭 丹，朱輝杰

（航空工業(yè)洪都，江西 南昌，330024）

0 引言

隨著飛機(jī)技術(shù)的不斷發(fā)展，雙艙飛機(jī)不僅要求可以實(shí)現(xiàn)對(duì)飛行員操縱指令的記錄監(jiān)測(cè)，同時(shí)需要實(shí)現(xiàn)判別并記錄每一個(gè)飛行指令的發(fā)出者。這種對(duì)操縱指令發(fā)出者的記錄監(jiān)測(cè)技術(shù)是分析飛行事故原因的重要參數(shù)。實(shí)現(xiàn)對(duì)飛行員操縱指令發(fā)出者監(jiān)測(cè)的最佳方式是采集并記錄雙艙中每個(gè)飛行員的操縱力信號(hào)。

目前，比較常見(jiàn)的力監(jiān)測(cè)系統(tǒng)是將一種專(zhuān)用的力傳感器安裝在系統(tǒng)中，需要額外加裝相關(guān)的結(jié)構(gòu)連接件，同時(shí)要求有較充裕的空間來(lái)安裝增加的結(jié)構(gòu)件。基于新研機(jī)型加裝力監(jiān)測(cè)系統(tǒng)可在飛機(jī)座艙內(nèi)預(yù)留空間，設(shè)計(jì)并布置力監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的安裝位置。而對(duì)于已投產(chǎn)飛機(jī)座艙內(nèi)布局的空間局限性，力監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的加/改裝需滿(mǎn)足對(duì)系統(tǒng)的性能影響最小、重量增加最小、改動(dòng)量最小、易于改裝操作等限制條件。本文基于以上因素提出一種可實(shí)現(xiàn)的力監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的加/改裝方案。

1 力監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的簡(jiǎn)介及要求

某型串列座艙飛機(jī)駕駛員操縱裝置子系統(tǒng)的前、后艙駕駛桿和腳蹬均采用硬式桿系聯(lián)動(dòng)，縱、橫、航向均僅有一個(gè)載荷機(jī)構(gòu)，為前、后艙共用，提供駕駛員的操縱力。三個(gè)方向的載荷機(jī)構(gòu)均布置于前艙。基于串列座艙的力監(jiān)測(cè)系統(tǒng)需集成在駕駛員操縱裝置子系統(tǒng)中，用于分別采集并記錄前、后艙飛行員的縱、橫、航向操縱力。

現(xiàn)有的串列座艙飛機(jī)力監(jiān)測(cè)系統(tǒng)布局方式是在前、后艙各設(shè)置一套布局相似且結(jié)構(gòu)相似的監(jiān)測(cè)設(shè)備及力傳感器調(diào)理盒。該方式布局簡(jiǎn)單，但對(duì)空間的要求高，需要成件或傳動(dòng)環(huán)節(jié)上有足夠的空間布置縱、橫、航向監(jiān)測(cè)設(shè)備。且由于監(jiān)測(cè)設(shè)備大部分集成在成件上，故設(shè)備在后續(xù)工作中的維護(hù)性不好。同時(shí)對(duì)于現(xiàn)已投產(chǎn)的重量輕的小型飛機(jī)而言，力監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的空間布局和重量也是必須考慮的一個(gè)重要因素。

加/改裝力傳感器原則要求如下：

1)加裝力監(jiān)測(cè)設(shè)備后不應(yīng)引起系統(tǒng)動(dòng)、靜態(tài)性能指標(biāo)的降低；

2)力測(cè)量點(diǎn)選擇合理，傳感器能夠分辨前、后艙駕駛員操縱力大小，實(shí)現(xiàn)前艙和后艙的力傳感器測(cè)量互相不干擾、縱向和橫向力傳感器互相不干擾；

3)加裝力監(jiān)測(cè)系統(tǒng)及相關(guān)設(shè)備的供電需求應(yīng)能與機(jī)上電源特性相匹配，輸出信號(hào)應(yīng)在飛行參數(shù)采集器可接受的電壓范圍內(nèi)；

4)加/改裝后系統(tǒng)的強(qiáng)度剛度不得低于改裝前的設(shè)計(jì)，同時(shí)應(yīng)考慮結(jié)構(gòu)優(yōu)化，以付出最小的重量代價(jià)；

5)加/改裝的零部件應(yīng)盡量減少對(duì)其他部件的影響，相關(guān)機(jī)械接口在滿(mǎn)足性能的要求下，應(yīng)盡量保持不變；

6)加/改裝設(shè)備應(yīng)滿(mǎn)足安全性、可靠性、維修性、經(jīng)濟(jì)性要求。

綜上，需對(duì)力監(jiān)測(cè)系統(tǒng)在駕駛員操縱裝置中的布局方式和結(jié)構(gòu)形式進(jìn)行重新設(shè)計(jì)，并使其具有對(duì)原裝置重量和結(jié)構(gòu)影響較小、結(jié)構(gòu)形式可靠、后期的維護(hù)性好。

2 力監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的加/改裝設(shè)計(jì)

2.1 方案簡(jiǎn)介

駕駛員操縱裝置子系統(tǒng)的空間布局如圖1所示，前、后艙駕駛桿和腳蹬通過(guò)機(jī)械桿系實(shí)現(xiàn)了操縱聯(lián)動(dòng)，前、后艙共用一套載荷機(jī)構(gòu)（為駕駛員提供操縱力的機(jī)械機(jī)構(gòu)）。操縱時(shí)，前/后艙飛行員的操縱力均用于平衡載荷機(jī)構(gòu)的彈簧力。為實(shí)現(xiàn)分別記錄前、后艙每個(gè)駕駛桿/腳蹬的操縱力要求，前、后艙需要分別在各操縱點(diǎn)至載荷機(jī)構(gòu)之間的力傳遞環(huán)節(jié)布置力傳感器裝置。

前艙縱、橫向力傳感器布置在前艙駕駛桿手柄與駕駛桿組件交聯(lián)的搖臂上，前蹬腳蹬力傳感器布置于腳蹬踏板與轉(zhuǎn)軸之間的連桿上；后艙的力傳感器布置在前、后艙之間的聯(lián)動(dòng)桿系上，具體位置如圖2、圖3所示。

圖1駕駛員操縱裝置子系統(tǒng)空間布局（圖中由右至左為航向）

圖2 駕駛員操縱裝置子系統(tǒng)力監(jiān)測(cè)系統(tǒng)布局示意圖（圖中由右至左為航向）

圖3前艙駕駛桿力傳感器布局示意圖

前艙駕駛員操縱駕駛桿或腳蹬時(shí)，前艙的力傳感器僅可測(cè)量出前艙駕駛員的對(duì)應(yīng)操縱力，此時(shí)，后艙的力傳感器僅受到聯(lián)動(dòng)桿系在隨動(dòng)過(guò)程中帶動(dòng)后艙駕駛桿/腳蹬組件的力 （該力較小，換算至操縱點(diǎn)僅0.5～1N左右，且與操縱位移的大小無(wú)關(guān)）。

后艙駕駛員操縱駕駛桿或腳蹬時(shí)，后艙的力傳感器僅可測(cè)量出后艙駕駛員的對(duì)應(yīng)操縱力，此時(shí)，前艙的力傳感器僅受到聯(lián)動(dòng)桿系在隨動(dòng)過(guò)程中帶動(dòng)前艙駕駛桿/腳蹬組件的力（該力更小，基本可忽略，且與操縱位移的大小無(wú)關(guān)）。

前、后艙駕駛員同時(shí)操縱時(shí)，無(wú)論是同向操縱還是逆向操縱，力傳感器仍然能獨(dú)立測(cè)量出每個(gè)駕駛桿/腳蹬上所受到的操縱力。

2.2 系統(tǒng)組成及主要功能

力監(jiān)測(cè)系統(tǒng)由前艙駕駛桿力傳感器 （含前艙縱向、橫向力傳感器）、前艙腳蹬力傳感器、后艙縱向力傳感器、后艙橫向力傳感器、后艙航向力傳感器和力傳感器調(diào)理盒組成，力傳感器調(diào)理盒將機(jī)上電源轉(zhuǎn)換為力傳感器用電源，力傳感器分別將前、后艙駕駛員的縱、橫、航向操縱力轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，由力傳感器調(diào)理盒放大后提供給飛行參數(shù)采信器，功能框圖如圖4。

其中力傳感器為電阻應(yīng)變式測(cè)力傳感器，當(dāng)力傳感器受到前艙駕駛/腳蹬力時(shí)，根據(jù)胡克定律（彈性體在受外力發(fā)生形變）及電阻應(yīng)變?cè)恚ㄕ迟N于彈性體上的應(yīng)變計(jì)，因發(fā)生形變而引起阻值變化），利用傳感器內(nèi)部的惠斯通電橋（見(jiàn)圖 5、圖 6，R1、R2、R3、R4 為粘貼在彈性體上的應(yīng)變計(jì)，連接R1、R2、R3、R4成惠斯通電橋）不平衡，輸出同桿力/腳蹬力成線(xiàn)性關(guān)系的電壓信號(hào)。

2.3 系統(tǒng)實(shí)施方案

力監(jiān)測(cè)系統(tǒng)改裝方案采取在現(xiàn)有裝機(jī)的駕駛員操縱裝置子系統(tǒng)基礎(chǔ)上，更換部分部件的方式實(shí)現(xiàn)。為盡量減少重量并實(shí)現(xiàn)緊湊的結(jié)構(gòu)布局，力傳感器具有兩項(xiàng)功能：一方面用于測(cè)量操縱力，另一方面其機(jī)構(gòu)需代替原裝機(jī)部分零件的機(jī)構(gòu)功能。

前艙駕駛桿力傳感器安裝于縱、橫向操縱T點(diǎn)與載荷機(jī)構(gòu)之間的前艙駕駛桿轉(zhuǎn)盒的上搖臂處，即將駕駛桿組件上的搖臂采用形狀與原搖臂相似的力傳感器代替。該傳感器有縱、橫向兩個(gè)力敏感方向，用于測(cè)量前艙縱向、前艙橫向的操縱力，如圖7所示。

與力傳感器安裝相適應(yīng)，前艙駕駛桿手柄與前艙駕駛桿組件的配合面在原成品基礎(chǔ)上移28mm，并對(duì)手柄長(zhǎng)度進(jìn)行補(bǔ)加工更改，如圖8所示。

圖4力傳感器功能框圖

圖5 （前艙縱、橫向，后艙縱、橫、航向）力傳感器惠斯通電橋

圖7前艙駕駛桿力傳感器結(jié)構(gòu)形式

因此，改裝時(shí)可在飛機(jī)上原位將前艙駕駛桿組件上的搖臂拆下，換上力傳感器重新進(jìn)行裝配。駕駛桿手柄可預(yù)先制造符合要求的手柄，在機(jī)上進(jìn)行換裝，換下的駕駛桿手柄可進(jìn)行補(bǔ)加工后用于后續(xù)飛機(jī)。

前艙腳蹬采用一個(gè)形狀與前連桿相似的力傳感器代替原前艙腳蹬組件前連桿上的方案。中心轉(zhuǎn)軸左右各安裝一個(gè)力傳感器，如圖9所示。

圖6前艙航向力傳感器惠斯通電橋

圖8前艙駕駛桿手柄更改方案

2.4 力測(cè)試系統(tǒng)的工作原理

當(dāng)前艙飛行員進(jìn)行操縱時(shí)（如圖2，圖3所示），操縱過(guò)程中需克服載荷機(jī)構(gòu)（縱向載荷機(jī)構(gòu)、橫向載荷機(jī)構(gòu)、航向載荷機(jī)構(gòu)的力，力傳感器彈性體（前艙駕駛桿力傳感器彈性體、前艙腳蹬力傳感器彈性體）會(huì)沿受力方向微小的變形，并將操縱力轉(zhuǎn)換為電信號(hào)傳遞給力信號(hào)調(diào)理盒，經(jīng)力信號(hào)調(diào)理盒放大處理后以電壓信號(hào)形式傳輸給飛行參數(shù)采集器。此時(shí)后艙隨動(dòng)，無(wú)操縱力信號(hào)的輸出。

圖9前艙腳蹬力傳感器結(jié)構(gòu)形式

當(dāng)后艙駕駛員進(jìn)行操縱時(shí)（如圖2），操縱過(guò)程中需克服載荷機(jī)構(gòu)（縱向載荷機(jī)構(gòu)、橫向載荷機(jī)構(gòu)、航向載荷機(jī)構(gòu)）的力，力傳感器彈性體（后艙縱向力傳感器彈性體、后艙橫向力傳感器彈性體、后艙腳蹬力傳感器彈性體）會(huì)沿受力方向微小的變形，并將操縱力轉(zhuǎn)換為電信號(hào)傳遞給力信號(hào)調(diào)理盒，經(jīng)力信號(hào)調(diào)理盒放大處理后以電壓信號(hào)形式傳輸給飛行參數(shù)采集器。此時(shí)前艙隨動(dòng)，無(wú)操縱力信號(hào)的輸出。

3 結(jié)論

本文通過(guò)集成化設(shè)計(jì)，將機(jī)械傳動(dòng)部件與應(yīng)變計(jì)相結(jié)合，既滿(mǎn)足機(jī)械部件的功能要求，同時(shí)又可實(shí)現(xiàn)力的測(cè)量，解決了某型機(jī)座艙空間小，力監(jiān)測(cè)系統(tǒng)難以布置的難題。該力監(jiān)測(cè)系統(tǒng)研究方案已在某機(jī)型上完成試裝及測(cè)試，能夠滿(mǎn)足使用要求。