圖/空客直升機公司
如果你看過足夠多的科普和機械雜志封面,你一定會看到這樣的插圖:在未來,直升機就像汽車一樣在郊區的車道上司空見慣。這是個很酷的想法,但你也能聽到專業直升機飛行員的眼珠子在眼眶里打轉 - 因為這完全是荒謬的。
最大的問題之一是,直升機的操控非常復雜,最好需要三只手才能操作。這包括循環控制裝置,它看起來有點像操縱桿,控制主旋翼的俯仰,讓飛行員可以向前、向后、向左或向右移動機器;集體控制裝置,即側面的搖桿,控制槳葉的俯仰,從而控制升力,使飛行器上升、下降或懸停;以及腳踏板,控制尾旋翼,從而控制直升機的方向。如果這還不夠,集體控制裝置上還有一個節流閥,以確保發動機功率與槳葉間距相匹配,操作難度如此之高,這也難怪不少直升機飛行員往往年紀輕輕就退休了。
依靠計算機輔助和線控飛行技術,空中客車公司成功地簡化了控制裝置,將其簡化為一個控制所有功能的操縱桿。通過操縱操縱桿,飛行員可以完成所有的操作,包括起飛、著陸、爬升、下降、加速、轉彎和進場。
這種控制系統不僅簡化了直升機的飛行,而且適用于 eVTOL,此外,它還提供了更易于理解的界面,集中向飛行員提供最重要的信息。
空中客車直升機公司研究與創新部主管 Tomasz Krysinski 說:"從一開始,我們在設計該系統時就考慮到了每一個認證參數,因為它將在驗證我們的城市空中交通 eVTOL CityAirbus NextGen 的設計方面向前邁出一大步。電動飛行控制系統的優勢是巨大的,特別是在減少飛行員工作量和最終提高任務安全性方面。這也是一個很好的例子,說明了我們如何利用演示器來成熟必要的技術,為未來的垂直飛行做好準備。"
腦橫機的顯示屏分為按鍵顯示屏和觸摸顯示屏。
顯示屏不一樣按鍵分布位置會有區別。
不管是哪一種顯示屏,它們的按鍵功能是一樣的。
下面主要是介紹一下各個按鍵的功能作用。
F1:歸零鍵
機頭歸零(重織),F1是歸零鍵。
當你按下兩三秒之后它會顯示紅色表示已經選擇了歸零鍵。
選擇歸零鍵,表示你要重新開始編織,或者需要重新選擇一個花樣。
按下此鍵,圖標會自動變顏色,這時就需要用手啟動操縱桿讓它執行歸零功能。
具體做法是按下歸零鍵直到它變顏色,然后向外扭動操縱桿,當歸零鍵顏色消失變成綠色或者聽到嘀的一聲時表示歸零完畢。
這時機器所有的部位功能,都已重新設置到初始系統默認狀態。
這樣就可以重新編織了。
F2:行鎖定
電腦橫機的機器針板嘴口與羅拉之間有一段距離,在下面羅拉能夠夾住布片之前,需要按下行鎖定鍵,讓機器編織廢紗是能夠循環編織,直到羅拉拉住布片為止。
機器編織布片是要用力往下牽拉的,羅拉就是我們用來牽拉布片的裝置,布片在編織時一開始沒有任何拉力。
布片不會往下編織,所以我們設置了廢紗編織程序,廢紗具有自動往下編織的功能,依靠它可以連接針板嘴口與羅拉之間的距離。
但是廢紗程序一般在畫板里只畫兩行,所以我們就要使用F2鍵來達到使廢紗連接機器嘴口與羅拉之間的距離的目的。
也就是說行鎖定鍵是用來鎖定第一行和第二行廢紗用的,具體做法是當歸零鍵執行完畢以后,按下F2直至其變顏色便可以了。
當你按下它以后,機器將循環編織廢紗的第一行與第二行編織行。
直到你重新按掉它變成綠色為止。
也可以設置自動解鎖此鍵的編織行數。
一般情況下行鎖定必須鎖定到主羅拉完全拉到廢紗為止,才能將其解鎖。
當你按掉以后除非再次歸零否則無法再起作用。
F3:速度切換
是快速慢速切換鍵。
其作用是用來變換編織速度的快慢。
快速是兔子圖標,慢速是烏龜圖標。
要快時用兔子,慢時用烏龜。
兩個速度通過操縱桿也可切換速度。
例如你選擇兔子的時候往外轉一半是慢速,使勁轉到底就變成高速。
選擇烏龜慢速也一樣的操作。
F4:單片停車
按下單片停車的時候,圖標變成紅色。
這時機器每做完一片就會停下來,等待下一步指令。
如果你沒有選擇單片停車的話,機器將循環的一片一片往下編織,直至做到完成件數跟設定件數相等時停車。
F5:報警提示
故障報警的關閉與打開。
顯示屏上面此圖標顯示紅色的時候表示機器上所有的警報都處于無效的狀態,也就是關閉了所有的報警提示。
當你按下它變成綠色時表示機器上的所有警報裝置都處于工作狀態中。
機器運做時,必須使所有的警報裝置都處于工作狀態中。
F6:紗嘴釋放
紗嘴的提起與放下。
當機器運行到針床的中間時如果你要取出紗嘴時,可以按下F6,使紗嘴電磁鐵跳起,從而方便我們取出紗嘴。
當你放回紗嘴后,再按F6使電磁鐵恢復原狀,使其繼續帶動紗嘴進行編織。
按下F6使得紗嘴提起時,機器不能正常運作,操作桿拉動無效。
只有紗嘴被方向后才能正常控制機器運轉。
連續按兩次F6(雙擊)可以讓送紗器在停機狀態中拉動紗線,方便紗嘴可以輕松穿線編織。
F7:搜索幫助功能
可以通過此功能查找其他機器設置功能。
從人類發明了飛機以來,有長達半個世紀的時間里都在使用機械操縱系統。這種操縱系統的操縱桿通過鋼絲繩、滑輪組和連桿機構與控制舵面進行聯接。這種操縱方式對舵面的偏轉完全是以人力為動力來源,因此在飛機高速飛行時,由于空氣巨大的阻力,對操縱桿施加的力也要增加,甚至有些會出現難以拉動的情況。比如二戰日本的零式戰斗機,就有一個巨大缺點,一旦超過483km/h后,需要對操縱桿施加非常大的力量才能扳得動;超過500km/h后,需要兩只手全部使用外加一條腿的力量才能扳動操縱桿。
早期機械操縱系統完全靠人力拉動
機械操縱系統由鋼絲繩,滑輪組和,連桿機構組成
二戰之后,美蘇等國開始嘗試在飛機上安裝液壓助力系統。美國從F-86E上開始,在水平的副翼和尾翼應用了液壓機構,垂直尾翼繼續保留鋼絲繩連接。蘇聯也從米格-15БИС開始采用了類似的配置。隨著液壓助力機構的成熟,從二代機開始普遍使用液壓式的操縱系統,一直到早期的三代機還在使用(比如F-15)。不過這套系統的重量非常高,因為原先純粹機械式操縱可以使用鋼絲繩傳動,現在液壓傳動變成了剛性部件的連接。這種操縱系統任意一個環節出現問題,都會導致系統的失效,風險較高,因此當時不得不為戰斗機配置2套獨立的液壓操縱系統,這又進一步增加了死重和占用的空間。但好處是,此時的液壓件最大可承受的壓強已經達到了20MPa,戰斗機可以在1馬赫甚至2馬赫的情況下舵面仍然可以擺動自如,這是純粹靠人力控制舵面偏轉的二戰時代不可想象的。
液壓操縱系統,極大解放了人的肌肉,使人更多扮演的是一個控制信號的發送端
F-15的液壓操縱系統
F-15有2套獨立液壓操縱機構,因為液壓部件高故障率會引發毀滅性后果,必須有備份
液壓操縱雖然極大解放了人力,但是本質上還是操縱桿和舵面有直接的機械連接。而從電傳操縱(Fly-By-Wire,FBW)開始,完全取消了操縱桿和實際控制舵面之間的機械關聯和液壓助力裝置,操縱桿只用來將飛行員的操縱行為轉換為電信號,通過放大處理后,輸出相應控制,通過線纜將相應的控制傳遞到相應控制舵面的伺服電機,作出預期的偏移動作。
電傳操縱操縱桿與舵面不再有直接連接,控制信號首先被飛行控制電腦收集
電傳操縱系統在機身的分布
比起機械操縱系統和液壓操縱,電傳操控沒有遍布機身的復雜機械聯接,取而代之的是遍布機身的電纜或者光纜,減少了很多重量,同時也提高了可靠性。因為電傳操控系統往往采用三套或者四套計算機各自獨立工作,而且各自均有一套電纜連接到舵面的伺服機構上。因為數字處理器一旦故障,會導致整個系統癱瘓,采用多個計算機系統則可以大大提高安全性,每一套系統都是一個冗余,這樣即便損壞其中一套系統的穩定性不受影響。而且不像液壓式操縱系統那樣占用了大量空間和重量,因此可以增加多套用于冗余。大家經常聽到的三余度、四余度電傳操縱,余度其實指的是計算機系統的數量。這種安全冗余不僅體現在電腦故障時可以有其他電腦接替工作,在飛行控制過程中幾個并行工作的電腦也時刻體現了其超強的糾錯能力。以F-16為例,雖然有四余度,但一般只會啟動其中三部電腦工作,而第四部電腦為備份。飛控代碼中設有一套投票系統,當某一部電腦所計算的結果與另兩部電腦不同時,就會啟動投票表決,跳過并關閉計算結果不同的電腦,同時命令第四部備用電腦啟動,以確保操控安全性。
但電傳操縱優勢顯然還不止于此。其實電傳操縱最大的進步,就是使計算機參與飛行控制成為可能,這就給戰機的發展奠定了一個基石。因為舵面是受到計算機發出的信號來直接控制的,所以可以根據飛行器本身的氣動特性提前寫好飛控代碼存在計算機中。因此使用電傳飛控的飛行器,其靜不穩定度可以被大大放寬。因為飛控代碼已經存在了計算機里,哪怕飛行員犯錯,計算機也會及時糾正,不允許飛行員飛出超出限制的動作。計算機甚至可以接管整個飛機實現智能巡航。到了今天幾乎所有的客機都擁有這個功能,而這個功能可以極大解放飛行員的雙手和大腦,緩解飛行員的疲勞。未來,隨著人工智能的發展程度越來越高,計算機憑借電傳飛控也可以做出更加復雜的飛行動作,這就是無人智能戰斗機的概念。但是電傳操縱系統是最重要的基石,如果仍然采用機械式和液壓式的操縱,這一切都無從談起了。
從上個世紀50年代起,美英蘇等國就開始了電傳飛控戰斗機的研究,不過早期的飛機往往都帶有全套的機械操縱系統做備份。有意思的是,世界上首款采用純粹的電傳操縱系統(無機械液壓備份)的飛行器并不是在大氣層內使用的,而是登月的阿波羅11號計劃的月球登陸飛船(LLRV):
阿波羅11號的LLRV
阿波羅11登陸器上采用這樣的操縱系統,主要還是出于減重和增加可靠性來考慮的。機械式和液壓式操控系統不僅笨重,而且部件太多,而且在系統中都是串聯,一個部件故障會導致災難性后果。
電傳操縱系統在實驗中獲得成功后,很快就在飛機上得到了進一步的應用和完善。比如F-8C戰機就直接應用了阿波羅11月秋登陸器的成果,成為了首個無機械備份只用電傳操縱的戰斗機。首款采用數字電傳操縱的量產戰斗機則是F/A-18大黃蜂。F-16則是進入數字電傳操縱時代后,首個采用了靜不安定設計的戰斗機。像F-117這樣氣動設計超級惡劣的飛機,也是得益于電傳操縱系統,才可以讓它能夠實用化。
F-8C FBW驗證機
F-18是首款服役的數字電傳戰斗機
F-16是第一種采取靜不安定設計的飛機,沒有電傳操縱系統就不可能實現
像F-117氣動設計這么爛的飛機,必須使用電傳操縱,否則飛行員連正常飛行都做不到
隨著電傳操縱技術的發展,伺服液壓系統的壓強也不斷增加,最大壓強從20MPa上升到30MPa以上。比如米格-21的液壓系統只有21MPa的水平,到了Su-27已經達到了28MPa,而美國在F-18戰機已經實現了緊急狀態做到35MPa的水平。到了五代機時代,甚至還出現了大功率電液舵機。F-35就全盤使用了這種舵機,取消了復雜的液壓管路。可以說到目前為止電傳操縱系統最理想的狀態就是F-35這一種了。
F-35的大功率電液式舵機
F-35操縱系統分布,綠色為電纜,黃色為電液舵機,非常輕便簡潔
在民用領域,而首個采用電傳飛控的客機則是英法聯合研制的協和飛機,只是受制于技術限制只采用了模擬式的電傳操縱;首款數字電傳操縱的客機則是空客的A320,波音隨之跟進,在波音777上也應用了電傳操縱系統。從此數字電傳在民用領域也開花結果。今天的汽車普遍使用的電子油門踏板(Accelerator Pedal),電子線控轉向,電子線控剎車,某種程度上來說就是電傳操縱系統在汽車領域的實際應用。
波音777采用的電傳操縱系統
電傳操縱的成果也應用到了民用汽車上