側桿在民用飛機控制系統中的應用

于維倩

摘 要 本文對側桿控制器的發展及其在民用飛機控制系統中的應用進行了介紹，分析了側桿與中央桿的比較和優缺點，并對空客飛機側桿控制器的工作原理進行了研究。

關鍵詞 側桿 民用飛機 控制系統

中圖分類號：V227 文獻標識碼：A

1側桿的發展和應用情況

飛機操縱裝置按形式可分為駕駛盤（Yoke/Wheel）和操縱桿（Stick）兩類，駕駛盤都安裝在飛行員座位的正前方，如波音系列客機。駕駛盤通過推拉前后位置控制升降舵，通過旋轉角度控制副翼橫滾機動，駕駛盤有利于飛行員合理使用手臂力量，但是助力系統的出現，使得力量對飛機操縱顯得無關緊要。操縱桿按安裝位置的不同還可分為中央桿（Center Stick）和側桿（Side Stick）兩類。

萊特兄弟等一些航空先驅研制的早期飛機基本都采用側桿操縱方式，由于早期飛機的結構過于簡單，副翼沒有復雜的機械連動裝置，飛行員直接通過左右側桿改變機翼翼形，控制飛機姿態。

到了二戰末期，飛機操縱桿基本都使用安裝在飛行員座位前兩腿間位置的中央桿，但側桿也曾應用在B-24轟炸機上，用于自動飛行模式下切入控制，幫助投彈瞄準員在近進目標時進行偏航控制。在Tu-16噴氣式轟炸機上，也安裝有側桿用于自動飛行切入控制。20世紀五十年代，側桿設計幾經浮沉，由于要加入助力器，安裝側桿機械連接的空間非常緊張，所以側桿一直作為輔助控制使用。直到電傳操縱技術基本成熟，側桿才開始真正大規模地應用在飛機控制上。20世紀八十年代，第一架使用側桿作為主級控制的電傳操縱飛機空客A320投入生產，其后系列產品都沿襲使用側桿為主級操縱設備。與此同時，波音公司生產的B-707至B-777產品都仍使用傳統的駕駛盤作為主控制輸入裝置。軍用飛機方面，側桿已經應用在F-16， F-22，F-35，法國陣風和Su-37等飛機上，但使用側桿還是中央桿哪個更好，仍然沒有定論。

2側桿與中央桿的差異比較

側桿由于不像中央桿安裝在機體的對稱軸線位置上，且只能單手操縱，需要飛機提供更大的助力，其機械傳動裝置設計更為復雜，以致直到電傳操縱技術的出現，側桿才開始大規模應用，因此側桿繼承了電傳控制系統的優缺點。

電傳控制系統與機械連接系統相比，可以省卻機械傳動設備，減輕機體重量，同時電傳操縱中的電纜連接要比機械連接靈活得多，且能量的使用效率更高，由于是電信號的處理，可以很方便地引入飛行包線保護，而且電傳控制系統中的設備趨于模塊化，便于進行故障檢測和更換維修。

比較操縱桿和駕駛盤，由于都使用了助力器，從操縱省力角度來看，二者的差別已經不大，但通常的被動式操縱桿會自動歸零位，使用的是增量式輸入，一般沒有反饋舵面角位置信息，而駕駛盤與傳動機械絞連，傳動機械可以驅動駕駛盤反饋舵面的當前位置。

比較側桿與中央桿在安裝位置上的優點，側桿的優點有：側桿不會遮擋正面儀表；飛行員使用側桿可以將手臂放在托臺上，在高過載大機動條件下，可以減小對手臂關節的沖擊；側桿可提供更高的操作精度，在高過載大機動條件下，操作更省力，減小飛行員疲勞；沒有中央桿，飛行員更容易快速拉動彈射拉栓；側桿占用更小的駕駛艙空間；使用側桿可以節省出飛行員正面的空間，安裝其它操作設備，如鍵盤。

中央桿的優點：沿襲二戰后飛機傳統的操縱桿結構，結構設計可以參考很多以前機型，但使用電傳操作系統后，一般都改為使用側桿；中央桿與傳動機械相連，可以直觀反饋舵面位置；中央桿體積更大，可為戰術功能按鍵提供更多的安裝空間，而集成化的操縱桿使飛行員能快速按鍵選擇進行攻擊，在作戰中至關重要；如果飛行員一只手受傷，另一只手仍可操縱飛機；在飛行員正前方兩腿間抱著一個操縱桿，可以給飛行員提供一定的安全感。

以上所列出的側桿與中央桿的優點，大部分都適用戰斗機，而民航客機飛行一般不會進行大機動，也不涉及彈射和戰術功能鍵的問題，民航客機操縱桿的選擇應當更多地考慮操作的簡單、方便和舒適等因素。

3空客的側桿的結構和工作原理

A320的側桿主要由手柄、機械連桿、彈簧、阻尼器、變送器，線圈和按鍵七部分組成，用于飛機俯仰軸和橫滾軸的機動控制，側桿上的兩個按鍵一個用于操縱優先級切換，另一個為通話開關。當駕駛員拉動側桿手柄時，帶動機械連桿克服彈簧和阻尼器阻力轉動，使變送器輸入杠產生角位移，其在變送器內部連接有電位計，根據電位計輸出電壓就可以確定輸入杠的角位置，進而可以得到側桿的輸入桿量。

A320的正副駕駛操縱時，側桿的桿量輸出首先要送入飛控計算機處理后才發送指令到舵面執行，由于側桿采用電氣耦合且沒有引入力反饋，正副駕駛側桿在操縱中無法獲得對方的桿量位置信息，在自動駕駛模式下，也無法獲得自動駕駛儀的舵面控制量。以下分幾種情況，說明正副駕駛側桿的邏輯關系。

3.1沒有接通自動駕駛儀的條件下

（1）正副駕駛都沒有按下優先級按鍵，這時正副駕駛兩個側桿桿量代數和作為總的桿量輸出，但桿量的代數和的上界和下界都不超過一個側桿的輸出量，即對桿量輸出作了限幅。當正副駕駛同時操縱時，顯示面板上的SIDE STICK PRIORITY下的CAPT和F/O綠色燈會閃亮。

（2）當正副駕駛其中一人按下了優先級按鍵，另外一人的側桿輸出則被隔離，同時與被隔離側桿同側的顯示面板上的SIDE STICK PRIORITY下的紅箭頭燈會點亮，指示當前操縱優先級在另一側。如果被隔離的側桿偏離了中心位置，這時與獲得優先權的側桿同側的SIDE STICK PRIORITY下的綠色指示燈會點亮，直到被隔離的側桿回到中心位置（距中心位置的距離小于閾值）才熄滅。當優先級按鍵松開時，側桿的隔離狀態即被解除。當正副駕駛同時按下優先級按鍵時，最后按下的一側獲得優先權。當一側側桿獲得優先級超過40秒，另一側桿則被永久隔離，直至另一側優先級按鍵按下，解除永久隔離。

3.2自動駕駛儀工作的條件下

（1）如果沒有按下優先級按鍵，當側桿偏離中心位置（距中心位置的距離大于閾值，這個閾值一般比較大，由閾值線圈決定），自動駕駛儀被自動切斷。同時系統會語音和提示燈告警，提示自動駕駛儀已被切斷。

（2）如果正副駕駛其中一人按下優先級按鍵，自動駕駛也會被切斷，同時系統會語音和提示燈告警，提示自動駕駛儀已被切斷。

由圖1的雙側桿的邏輯分析可知，在沒有確定優先級的條件下，正副駕駛對側桿的操縱都會對飛機舵面產生影響，一般情況下，不推薦正副駕駛同時操縱飛機。另外，當由自動駕駛狀態回到手動控制狀態時，駕駛員無法從側桿上了解當前飛機舵面的位置，切換時可能造成舵面角位置急劇變化。因此，自動駕駛儀在切換時要在飛機平飛等平穩的運行狀態下進行。

4總結

民機設計中被動側桿由于缺乏反驅裝置，無法實現左、右側桿的聯動，因此更容易出現疊加操縱。所以，一方面應當從視覺、聽覺、觸覺全方位對疊加操縱進行提示，同時借鑒已有的接替操縱操作程序，以提高飛行員的適應性；另一方面，也需要基于自身特點，采取一些具有針對性的創新設計來加以完善，從而更加符合飛行員的操縱習慣，減少或避免人為差錯的發生，提高飛行安全。目前，世界上的先進系統制造商如Honeywell、BAE 等公司已提出了較為成熟的主動側桿技術，甚至已經應用于部分取證機型，是未來民機操縱系統的發展方向。