直升机操纵线系力矩平衡设计方法研究
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摘 要：无论是传统的直升机机械—液压式操纵系统或电传飞控系统座舱操纵部分，均是由一系列拉杆、摇臂、扭轴等零部件相连而成。飞行员在操纵杆手柄处输入操纵指令，操纵指令通过俯仰、横滚、总距、航向4个通道传递到作动器，以改变旋翼变距角，进而控制直升机的姿态、航向和高度。该文从能量守恒的角度出发分析了直升机操纵系统的不平衡力，得到系统内不平衡力随线系运动角度变化而变化的规律，并进一步研究了直升机操纵线系力矩平衡的设计方法。
关键词：操纵线系;平衡计算;直升机;能量守恒
中国分类号：V227.1 文献标志码：A
0 概述
人机交互广泛存在于日常生产与生活实践中，随着人机结合理论与应用研究受到工程界和学术界的共同关注，操纵舒适性成为人机系统的一项重要的性能指标。直升机操纵杆上的操纵力应大小适当，杆力过大，飞行员容易疲劳;杆力过小，飞行员无法判断杆位移量。良好的杆力—杆位移曲线应单调、连续、线性且基本对称于零位，杆力梯度要适当。GJB 902B—2017军用直升机飞行品质规范中对直升机操纵力、启动力和杆力梯度的范围作了规定，表1为GJB 902B—2017中对直升机启动力和操纵力的要求。操纵线系不平衡力对操纵力和启动力有直接影响，操纵力和启动力组成如公式（1）所示。不平衡力过大或分布不均匀将导致操纵力或启动力超出规定的范围，使飞行器产生不适宜的飞行特性，甚至出现驾驶杆不受控运动影响飞行安全。
1 力矩平衡分析方法
操纵线系质量分布一般是不均匀的，线系各零部件在重力的作用下所产生力矩之和一般不为零，因此产生了整个线系的不平衡力矩，将各处不平衡力转换到手柄处，形成操纵手柄处的不平衡力。随操纵杆操纵角度的不同，不平衡力的大小和方向也产生相应的变化。
为防止操纵线系操纵力过大，需要通过专门的配平手段达到操纵线系力矩和基本为零的状态。力矩平衡计算方法一般采用是扭矩换算法，在操纵系统全行程运动范围内，将各零部件重力产生的扭矩通过传动比转换到特定扭轴得到不平衡扭矩，然后通过合理设计以平衡不平衡扭矩。该文尝试采用能量守恒法分析直升机操纵系统的不平衡力，当整个机械杆系平衡时，平衡装置处能量与系统其他零部件处能量守恒。通过系统其他零部件处“能量—位移”关系得到平衡装置处“力—位移”或“力矩—位移”关系，然后通过合理设计配重以平衡不平衡力或扭矩。
2 能量守恒法在线系力矩平衡中的应用
直升机周期通道中一般采用配重的方式进行配平。典型的操纵杆-配重块结构如图1（a）所示。配重块一般固连在操纵杆一端，操纵杆通过轴承连接到扭轴，扭轴通过轴承连接到机体上。
为分析操纵系统的不平衡力，从操纵系统能量守恒的角度出发，得出系统内各运动零部件的重心随操纵杆运动角度的变化曲线。通过分析该曲线，得出线系不平衡力与操纵杆运动角度的关系，从而可以确定出合适的配重块质量和配重位置。
操縱线系总势能变化量：
式中：mi为组成线系的各零部件质量，Δhi为零部件Z坐标变化量，g为重力加速度。
由能量守恒可知，配重块总势能变化量：
配重块到扭轴转动中心线力矩：
式中：M是配重块到扭轴转动中心线的力矩，G为配重块所受重力，r为配重块重心到转动轴心的连线长度，θ为操纵杆与扭轴垂线之间的角度，k为配重块与操纵杆传动比，α为配重块重心到转动轴心连线与周期杆的夹角，如图1（c）所示。
配重块总势能变化量：
将式（3）带入式（4）中可得，
由M和θ的关系可以得到配重块质量及安装位置。
3 实例
以某型直升机操纵系统横向通道为例，此通道为传统机械液压式操纵线系。首先建立系统DMU运动模型，并赋予各零部件质量。
根据DMU运动模型，取得各零部件在运动过程中的重心坐标，见表2。
取驾驶杆中立状态为基准零位，计算出各零部件重心坐标变化量，见表3。
各零部件重力势能变化量，见表4。
根据表4，绘制出“θ-ΔE1”关系曲线，如图2所示。
由图2可知，随着操纵杆运动角度的变化，操纵系统线系重力势能呈先增大后减小趋势，在θ=-0.075 rad处取得最大值。因此无配重状态下，操纵杆被放在-0.075 rad左侧，则将倒向左侧;操纵杆被放在-0.075 rad右侧，则将倒向右侧。与实际经验相符合。
将图2中曲线公式代入式（7），可得到“θ-M”关系曲线，如图3中“不平衡力”曲线所示。
由图3可知，不平衡力矩相对操纵杆中立位置是不对称的。当配重质量为3.5 kg，α为0.1 rad时，驾驶杆在全行程运动范围内不平衡力矩较小，满足系统设计要求。
夹角α有利于平衡不平衡力矩不是对杆中立位置完全对称的情况。夹角α使配重力矩曲线平行移动，左加右减，因此曲线与Y轴交点的正负与配重块左右布置有关。
从操纵杆运动行程范围局部看，夹角α使曲线上下移动，如图4所示，因此适当加大夹角α可以增大配重作用，相应减小配重块重量。
4 结论
该文研究了能量守恒法在直升机操纵通道力矩平衡计算中的应用。为分析操纵系统的不平衡力，从能量守恒的角度出发，得出系统内各运动零部件的重心随线系运动角度的变化曲线，通过分析该曲线以及配重块与操纵杆的几何关系，得出线系不平衡力与线系运动角度的关系，通过适当调整夹角α大小从而可以确定出合适的配重设计方法。
参考文献
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