讓飛機自己飛

沈海軍

操縱系統在飛機的飛行中起著至關重要的作用，沒有操縱系統，飛機將不受人為控制，當然也就無法完成各種飛行動作。事實上，無論是有人駕駛飛機，還是無人駕駛飛機，都具有完整、有效和可靠的操縱系統，其功用就是用來傳遞操縱指令、偏轉舵面，使飛機改變或保持一定的飛行狀態。

很多影視作品中都有這樣的鏡頭：機長操縱飛機起飛到一定高度后，開啟自動駕駛儀，接著便在駕駛艙內悠閑地品著咖啡，和副機長聊天……看到這里，讀者肯定會問，當飛行員也太悠閑了吧？既然飛機的自動駕駛系統那么神奇，還要飛行員干嘛？

這里，就讓我們來一起追溯飛機操縱與自動駕駛的發展歷程，并在其中尋找上述問題的答案。

航空史上，在萊特兄弟之前，德國工程師和滑翔飛行家李林塔爾的名字無疑是最偉大的;他是首位通過“擺動身體”實現飛行操控的人。李林塔爾在航空史上被譽為“滑翔機之父”，其最大貢獻就是最早成功研制了滑翔機。

試飛中，李林塔爾用雙臂將自己支撐在滑翔機內，順著山坡一路狂奔;滑翔機起飛后，他的臀部和腿懸掛在滑翔機外，以便能向任何方向擺動身體，從而保持飛機的穩定性并調整飛行姿態。1895年，李林塔爾甚至專門研制了一種用來操縱后升降舵的背帶，用于提高身體擺動的效率，方便改變滑翔機的重心，操縱飛機的升降。

在一次試飛中，李林塔爾不幸遇難，但他的飛行經驗直接促成了萊特兄弟的成功。1903年，萊特兄弟的“飛行者”1號一飛沖天，開啟了航空史的新紀元。萊特兄弟的成就無疑是巨大的，其最偉大的貢獻之一，就在于開發了固定翼飛機的操縱系統。在“飛行者”1號中，萊特兄弟不再通過“擺動身體”來操控飛機。他們在研究當時的飛行器操縱理論時，無意間扭曲了自家自行車店內的一個光柱箱，結果發現，柔性的光柱箱發生了扭曲變形。于是，他們靈機一動，將自己的飛機也設計成柔性機翼，并加裝可偏轉的舵面。這樣一來，飛行員可以通過操縱鋼索改變飛機的氣動性能和飛行姿態。這一結果對于解決可控飛行而言，是一個全新的開始。

飛機的“三軸控制”是萊特兄弟在成功之路上至關重要的突破性發明，飛行員因此可以更高效地操縱飛行器并保持平衡。所謂“三軸”，是指飛機的俯仰、橫滾以及航向等3個方向上的運動;“三軸控制”是指利用飛機的升降舵、副翼（由萊特兄弟飛機機翼的撓曲演化而來）、方向舵等舵面分別操縱飛機的俯仰、橫滾和航向。

包括“飛行者”1號在內的早期飛機，由于尺寸較小，飛行速度也不快，操縱系統相對簡單，大多采用鋼索、滑輪傳動等所謂軟式機械來操縱舵面的偏轉，改變飛行姿態。軟式機械操縱系統具有結構簡單、尺寸小、重量輕等優點;但同時也存在著易變形、操縱靈敏度差等不足。為此，人們在軟式機械操縱的基礎上發展出了硬式機械操縱，即用拉桿、搖臂代替鋼索、滑輪，從而減小了操縱的延遲時間，提高了操縱的靈敏度、精確度和可靠性。至今，這種硬式機械操縱系統仍在許多小型運動飛機、老款戰斗機中廣泛應用。

隨著航空業的發展，飛行器的尺寸和重量不斷增大，飛行速度不斷提高，舵面上形成的氣動力越來越大，操縱飛機所需要的力量也隨之增大，直接通過鋼索或連桿操縱舵面變得十分困難。于是，在20世紀40年代末，出現了助力操縱系統。

和先前純機械系統相比，助力操縱系統的最大變化是加入了助力器。助力器可將操縱桿力放大，大大減小飛行員的駕駛負擔。所謂助力器，顧名思義，實際上就是一個力的放大裝置，輸入的力可以很小，卻能夠得到較大的輸出力。飛機上最常見的助力器為液壓助力器，其原理類似于我們日常生活中所見的液壓千斤頂，有“四兩撥千斤”的作用。

飛機上早期的助力操縱系統大多采用“有回力式的助力器”——舵面氣動力通過助力系統按一定比例傳回駕駛桿，形成飛行員感受到的桿力。蘇聯的米格-17是較早采用有回力式助力器的機種之一，該機于1949年完成首飛，其機動性能優越，一度受到市場熱捧，總產量高達9000余架。9000架可不是個小數目，要知道，中國產量最大的殲-6飛機，其各型的總產量加起來也僅為4000余架。

隨著飛行速度的進一步增大，特別是達到超音速以后，飛機的飛行速度和高度變化范圍很大，作用在舵面上的氣動力變化幅度也隨之大大增加，有時甚至可達到十幾倍。這種情況下，氣動力無論以什么比例傳到駕駛桿，都會超出飛行員的生理承受極限，導致飛機難以操縱，加大了飛行隱患。正是由于該原因，蘇聯在米格-17基礎上發展米格-19戰機時，徹底放棄了米格-17 的“有回力助力”操縱系統。

原來，第二次世界大戰后不久，很多飛機便開始采用一種所謂的“無回力式助力系統”。這種系統的設計初衷很簡單：駕駛桿不再與舵面發生直接的機械連接，舵面氣動力也就不會傳回駕駛桿。但新的問題又出現了：飛行員操縱過程中失去了對受力的感知性，沒辦法根據操縱力的變化準確操縱飛機。

為了解決這個問題，后來的無回力助力系統中增加了一套載荷感知機構。這套載荷感知機構實際上相當于一種特殊的彈簧組;它模擬桿力，可使飛行員按照正常習慣操控飛機。

目前，無回力助力系統仍在很多機型中被廣泛采用，如我國的支線客機ARJ21、早期的波音737飛機以及蘇聯的米格-27戰機等。

李林塔爾和他的滑翔機

評價一款飛機好壞的標準之一是操縱品質，即這個飛機好不好飛。隨著飛行速度和飛行高度的增加，飛機的空氣動力特性變化極大，其穩定性和操縱品質因此受到很大影響。譬如，二戰中，飛行員常常發現，高速高空飛行，尤其是在高空超音速飛行時，飛機的氣動中心位置會發生較大變化，飛機會自動“低頭”;再如，飛機在高空高速飛行時，穩定性會顯著變差，容易產生俯仰振蕩和橫向飄擺等現象，導致操縱性變差……

20世紀四五十年代，為了減輕飛行員的負擔，提高飛行品質，人們在無回力助力操縱系統中加裝了自動增穩裝置，出現了所謂的增穩系統。增穩系統通過傳感器獲知飛機的振動，不斷修正飛機姿態，大大提高了飛機的穩定性，改善飛機的操縱性。增穩系統可以保持飛機平直飛行，故而從這個意義上講，它已屬于一種三軸穩定的簡易自動駕駛儀了。

1947 年，美國一架安裝有增穩系統的C-54 運輸機成功完成了從紐芬蘭起飛到英國布萊茲諾頓的全自動飛行。該飛行轟動一時，成為早期自動駕駛的典范。值得注意的是，此時的增穩系統與機械操縱機構之間仍是相對獨立的。也就是說，它既能在相對平穩飛行時自動操縱飛機，又不妨礙飛行員的自主操縱。

F-16戰斗機

加裝了增穩系統以后，飛行的穩定性顯著提升。與此同時，飛機的操縱性卻有所下降，變得“反應遲鈍”。為了克服這一缺點，在20世紀60年代，出現了所謂的控制增穩系統，即在增穩系統基礎上引入一個“增控通道”，以提高飛機的可操縱性，改善飛行品質。

使用控制增穩系統后，飛機變得既穩定又利于靈活操控。這對于提高戰斗機在攻擊時的跟蹤和瞄準精度來說，無疑是極其有利的。在控制增穩系統發展過程中，基于增穩系統的三軸增穩自動駕駛儀也理所當然地發展成為飛行自動控制系統。

美式PB-20D自動駕駛儀是早期飛行自動控制系統的代表之作，曾安裝于20世紀六七十年代顯赫一時的三叉戟客機上。應用了PB-20D自動駕駛儀與儀表盲目著陸系統的三叉戟客機，不僅可以實現自動駕駛，還可以自動著陸。

盡管帶有控制增穩系統的飛機，其穩定性和操縱性好于之前的任何一款飛機，但由于控制增穩系統是在無回力助力操縱系統的基礎上形成的，歸根結底，本質上還是屬于機械操縱系統的范疇，這就使得控制增穩系統存在著諸多缺陷。譬如，由于保留了機械操縱部分，控制增穩系統不僅結構復雜，而且結構重量和所占空間較大;再如，由于機械操縱部分和助力器相連，機械操縱部件上的力有時會強烈地反向傳回駕駛桿，出現“桿力反傳” 現象，嚴重時，駕駛桿甚至會出現莫名的抖動……

20世紀60年代中期，隨著計算機、現代控制理論的發展以及余度技術的日趨成熟，制造機用高可靠性的電傳操縱系統成為了可能。

電傳操縱系統是將飛行員的操縱信號變換成電信號，并通過電纜直接傳輸到舵面。這種系統是在控制增穩系統的基礎上發展起來的，去掉了傳統操縱系統中布滿飛機內部的機械傳動裝置和液壓管路，用電信號取代原有的機械信號。

為降低系統失效概率，電傳操縱系統通常會采用余度技術。所謂余度技術，就是用幾套可靠性不夠高的系統執行同一指令、完成同一工作，構成多重系統，也稱余度系統。在余度系統中，一旦某部分出現故障，系統本身仍具有重新組織余下完好部分執行指令、完成任務的能力，飛機的可靠性自然可以顯著提高。

作為美國第三代戰機的經典之作，F-16戰斗機是世界上現役飛機中第一款具有電傳操縱系統的飛機，它采用的就是余度模擬式的電傳操縱系統。這一系統適度降低了飛機的俯仰穩定度，以換取更大的機動性;飛機在三軸方向上同時實施控制增穩，提供了精確控制和極好的操縱品質;采用余度技術的飛機，安全性和完成任務的成功概率很高;能自動限制機頭迎角等姿態參數，飛行員可以“無顧忌”地發揮飛機的最大能力。

電傳操縱系統可分為模擬式和數字式電傳操縱系統;后者具有更高的靈活性，容易實現各種運算和電子綜合化，特別是可以與自動駕駛儀、導航系統、推力控制等交聯，明顯提升飛機的飛行性能。因此，數字式電傳操縱系統已成為飛機電傳操縱系統的主流發展方向。目前，美國的F-18戰斗機以及空客A320等都采用了這種數字式電傳操縱系統。

電傳操縱系統除了采用余度技術獲得了較高的可靠性外，還具有許多其他優點。譬如，由于使用導線代替了機械傳動的傳動桿、鋼索等，在減輕系統結構重量的同時，也節約了空間;其安裝和維護更方便，布局設計也更加靈活;再如，由于消除了機械操縱系統的摩擦、滯后等現象，飛機的操縱性得到改善，杜絕了機械操縱系統易彎曲、受熱膨脹變形等問題。還有，就是電傳操縱系統為飛行員提供了微調控制能力，使操縱精度大大提高。

總之，電傳系統簡化了操縱系統與電子設備的組合，使自動化飛行很容易實現，為現代飛機自動駕駛儀的發展創造了極為有利的條件。

自動駕駛系統是一種通過飛行員操作設定，或者由導航設備接收地面導航信號，來自動控制飛行器完成三軸動作的裝置。

現代飛機的自動駕駛系統和電傳操縱系統往往是集成在一起的。不同型號的飛機所裝備的自動駕駛儀可能會有一些差別，但大體相似。目前，空客320、波音737等系列飛機均裝有先進的數字飛行自動控制系統。它們從起飛達到一定的高度之后，如無特殊情況飛行過程都可以使用自動駕駛模式;而且，飛機會自動優選最佳飛行航線。這期間，自動駕駛儀由飛行管理計算機系統來控制。于是，就出現了文章開頭所描述的情景。

自動駕駛艙

最后，還是讓我們來回答一下文章開始提出的問題：既然飛機可以采用自動駕駛模式，那還要飛行員干嘛？答案是：自動駕駛儀的確可以操縱飛機，但自動駕駛儀依然需要由人來操縱。

首先，盡管自動駕駛儀有垂直導航、高度層改變、高度保持、水平導航等工作方式，但仍需要飛行員事先進行設置。其次，飛行中如果遇到積雨云，氣象雷達顯示紅區，飛行員就要手動操縱飛機繞過去。第三，飛行員還有一個工作，就是每到一個管制區，要調節通訊設備的頻率，與當地管制員聯系，并按照管制員指令操縱飛機。第四，飛機著陸時，一般需要手動著陸，因為自動著陸要求的條件很高。最后，飛行員還要監控發動機參數和各種儀表，確保其在正常狀態下工作，這是貫穿整個飛行過程的;一旦有突發狀況，機長必須立即人工介入，并斷開自動駕駛儀。

總之，即便有了自動駕駛系統，載人飛機通常也是需要飛行員的。畢竟，這些年，由于自動駕駛儀故障而發生的空難先例還真不少。

【責任編輯】趙 ?菲