金中浩，王君，李文龙
哈尔滨飞机工业集团有限责任公司
摘要：自动驾驶仪是按控制指令自动控制飞行器飞行轨迹的调节设备。自动驾驶仪通过对飞机的主操纵系统进行自动调节以保持飞行姿态，提高飞行品质，降低飞行员的工作负担，增强乘客的舒适度。本文主要针对Y12E型机飞行操纵系统加装自动驾驶仪舵机开展设计和研究，描述加装自驾舵机的改装设计方案，包括系统布局、系统组成、参数计算、安装布局等内容，着重阐述了在加装过程中需要关注的问题并对设计过程进行了总结。
关键词：飞行操纵系统；自动驾驶仪系统；自驾舵机
1飞行操纵系统及自动驾驶仪系统简介
1.1飞行操纵系统简介
Y12E型机飞行操纵系统为机械式操纵系统，包括主操纵系统和辅助操纵系统两部分：主操纵系统分为升降舵操纵系统、方向舵操纵系统和副翼操纵系统，辅助操纵系统分为调整片操纵系统和襟翼操纵系统。
升降舵操纵系统控制飞机的俯仰运动。方向舵操纵系统控制飞机的偏航运动。副翼操纵系统控制飞机的滚转运动。调整片系统通过控制升降舵、方向舵和副翼上的调整片平衡主操纵舵面上的铰链力矩，减小驾驶员的操纵力。襟翼操纵系统通过控制襟翼收放，调整飞机在起飞、降落过程的气动力，达到减少起降距离的目的。
1.2自动驾驶仪系统简介
自动驾驶仪是按控制指令自动控制飞行器轨迹的调节设备。它由敏感元件（如陀螺仪）、驾驶仪计算机、舵机等组成，其作用主要是保持飞机姿态和辅助驾驶员操纵飞机。当飞机受到干扰使其偏离原有姿态时，敏感元件检测出姿态的变化，驾驶仪计算机计算出需要的修正舵偏量，舵机将舵面操纵到所需位置。自动驾驶仪与飞机组成反馈回路，保证飞机稳定飞行。自动驾驶仪通过对飞机的主操纵系统进行自动调节以保持飞行姿态，提高飞机飞行品质。
影响飞行员驾驶飞机完成任务的飞机特性很多，但主要特性则是飞机的稳定性和操纵性[1]。飞机的稳定性主要包括纵向稳定性和横向稳定性，平尾能提高飞机的纵向稳定性，副翼和方向舵能提高飞机的横向稳定性，为减少各舵面操纵及外界[干扰对飞机稳定性的影响，本自动驾驶仪系统加装了升降舵舵机、方向舵舵机和副翼舵机。
2自动驾驶仪系统的布局
为减小对飞行操纵系统现有布局及机体结构的影响及避免对飞机气动外形的改动，自驾舵机操纵系统将采用软式传动机构并联接入主操纵系统。自动驾驶仪系统由舵机、鼓轮、钢索、松紧螺套、导向滑轮及夹紧装置等组成，舵机通过与之相连的鼓轮带动舵机钢索转动，从而带动主操纵钢索操纵舵面以控制飞机的姿态。
2.1升降舵舵机安装
升降舵舵机并联在升降舵操纵系统中，安装在机身上部28框后，自驾舵机上的钢索通过卡子与升降舵操纵系统钢索相连，该布局不需要对机身外形和钢索走向做出改变，仅需根据舵机尺寸对安装位置进行微调。
2.2方向舵舵机安装
方向舵舵机并联在方向舵操纵系统中，安装在机身25框、26框之间的设备架上，方向舵舵机上的钢索通过卡子与方向舵操纵系统钢索并联。该布局同样不需改变飞机气动外形，且无需对主飞行操纵系统走向进行更改。
2.3副翼舵机安装
副翼舵机可安装在机身上部14框后、15框前。该方案不影响飞机的气动外形，但需对中央扇形件组件进行更改。在中央扇形件增加一层钢索槽，将舵机钢索固定在扇形件的槽内，使舵机与中央扇形件并联，并需要搭建新的导向滑轮支架，保证舵机钢索走向和舵机安装高度。
3自动驾驶仪系统详细设计
3.1自驾舵机输出力矩要求
适航规章CCAR-23-R3中第23.397条“限制驾驶力和扭矩”规定，“（a）在操纵面飞行受载情况中，操纵面上的气动载荷和相应的偏度，不必超过施加本条（b）规定范围内的任何驾驶员作用力所可能达到的载荷和偏度。如果仅用自动驾驶仪的力能够比人驾驶产生更高的操纵面载荷，则必须用它设计[2]”。即舵机作为舵机系统的动力源，为操纵舵面提供足够大的操纵力矩，同时要求其提供的最大力值不应超过驾驶员的最大操纵力，以保证驾驶员可以随时介入飞行操纵，保证飞机正常飞行。
舵机的最大输出力矩应小于根据适航规章计算出的舵机操纵系统最大操纵力矩。
以方向舵舵机操纵系统为例，驾驶员脚蹬有效半径为220mm，脚蹬下的扇形件有效半径为180mm，鼓轮半径为25.4mm，操纵力890N，故方向舵舵机系统的最大操纵力矩为：
其中为舵机力矩，为适航规章中最大操纵力，为该系统的传动比，为舵机鼓轮半径。三个自驾舵机的最大操纵力矩计算方法相同。三个舵机操纵系统的最大操纵力矩均大于舵机所能提供的最大输出力矩22N·m。
3.2主飞行操纵系统参数及舵机参数
由于自驾舵机操纵系统为加装系统，需要参考主操纵系统相关参数以及舵机参数，主操纵系统钢索行程、钢索直径、舵机参数和舵机钢索参数为自动驾驶仪系统的设计输入。
3.3舵机安装系统线系构建
在详细设计前，应先建立舵机线系，以确定舵机位置和导向滑轮的位置，舵机线系的构建需要考虑以下几个方面：
第一，舵机钢索与主操纵钢索应保持平行，目的是消除因加装舵机对主操纵操纵参数的影响，舵机钢索组件末端用于与主操纵钢索连接的钢索夹子。
第二，由于主操纵钢索在机身尾部的导向滑轮较多，需要避免由于加装钢索夹子而影响主操纵系统操纵范围的问题。由于舵机钢索与主操纵钢索随动，故主操纵钢索的行程即为自动驾驶仪舵机钢索的行程。
第三，为保证方向舵舵机钢索与主操纵钢索平行需增加导向滑轮及支架，同时应注意滑轮、支架与主操纵钢索的间隙，避免干涉。
通过以上三步基本确定了舵机的安装位置和舵机线系，再微调舵机安装位置，对舵机安装面三向坐标进行圆整，以便搭建结构设备架及滑轮支架。
3.4钢索组件长度选择
舵机钢索由钢丝绳、单耳接头、小球和松紧螺套等组成。
副翼舵机钢索经松紧螺套分割成A、B两段，A段与中央扇形件相连，需保证A段上的螺纹杆不与扇形件干涉；B段与舵机鼓轮相连，需保证B段上的螺纹杆不与舵机鼓轮干涉，并且B段需为钢索张力的调整留足够的空间；Q为螺纹杆的调整长度；G为松紧螺套的长度；螺纹杆拧入松紧螺套中的长度为Y，故副翼舵机钢索长度L=A+B+2Q+G-2Y。
方向舵和升降舵的舵机钢索仅由一段钢索组成，计算方式类似。
3.5钢索防脱设计
保证舵机钢索在突发情况下不脱出，需要在舵机钢索转向处和首尾加以限制，主要包括舵机钢索与扇形件连接处、滑轮转向处、钢索与鼓轮连接处以及鼓轮输出端。
3.5钢索防脱设计
保证舵机钢索在突发情况下不脱出，需要在舵机钢索转向处和首尾加以限制，主要包括舵机钢索与扇形件连接处、滑轮转向处、钢索与鼓轮连接处以及鼓轮输出端，具体方法如图1所示。
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图1钢索防脱设计
4总结
本文对Y12E型机飞行操纵系统加装自驾舵机的设计研究进行了总结，着重阐述了在加装过程中重要参数的确定以及需要关注的问题。加装自动驾驶仪系统可以使该型机操纵性能有显著的提升，能在一定程度上降低飞行员的工作负担，使得飞行员有更多精力完成其它任务作业。
参考文献
[1]李明.民机飞行控制系统设计的理论与方法.上海：上海交通大学出版社，2015：173
[2]中国民用航空局航空器适航审定司.CCAR23部适航审定手册.2019：35
[3]张明廉.飞行控制系统. 北京：航空工业出版社，1994：53
[4]高金源.飞机飞行品质.北京：国防工业出版社，2003：26