飛行操縱裝置
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航空器飛行操縱裝置使得駕駛員能夠調整和控制航空器的飛行姿態。
有效飛行操縱裝置的產生是航空器發展過程中至關重要的一步。早期的固定翼航空器設計工作，在如何使航空器能夠產生足夠升力離開地面方面獲得了很大的成功，但是一旦離開地面，航空器就變成不可操縱的了，經常造成災難性後果。有效飛行操縱裝置產生的目的就是讓航空器能夠進行穩定的飛行。
本文描述了常規固定翼航空器中所使用的操縱裝置。其他構型的固定翼航空器可能使用了不同的操縱面，但基本原理仍然相同。而旋翼類航空器（直升機和自轉旋翼機）的操縱裝置則與固定翼航空器完全不同。
運動軸
[編輯]從運動學上來講，航空器的運動可以分解為三維空間內質點的平動和航空器以自身質心為中心的轉動。航空器姿態實際上就是指在不考慮與位置變化有關的平動情況下，航空器在以質心為原點的三維直角坐標系中的轉動情況。換句話說，就是航空器繞通過其質心並相互垂直的三個軸的自由旋轉情況。為了能夠控制航空器姿態，駕駛員應能操縱航空器在這些軸上的旋轉運動。上述與航空器旋轉運動有關的三個軸與立體空間的三軸(Axis)是相同的，分別被大家稱為XYZ軸，其具體專用的三軸名稱為：
X軸稱為Longitudinal Axis軸(縱軸)：從前至後穿過航空器。這個軸上的旋轉運動被稱為「滾轉」(Roll)。滾轉改變航空器機身平面相對於重力方向的角度。駕駛員可通過增加一側機翼升力並減少另一側升力來改變坡度。升力的差異導致航空器繞縱軸的滾轉運動。副翼是主要的滾轉操縱裝置。方向舵對滾轉也有副作用。大型飛機上，有時也採用打開單側擾流板的方法加速滾轉。
Y軸稱為Lateral Axis軸(橫軸)：從左右兩側穿過航空器。這個軸上的旋轉運動被稱為「俯仰」(Pitch)。俯仰改變航空器機頭在垂直面的上下運動的指向，即向上或是向下。升降舵是主要的俯仰操縱裝置。
Z軸稱為Vertical Axis軸(垂直軸)：自上而下穿過航空器。這個軸上的旋轉運動被稱為「偏航」(Yaw)。偏航改變航空器機頭在機身平面上的指向，即向左還是向右。在固定翼航空器上，主要的偏航操縱一般是由方向舵來實現的。副翼對偏航也有副作用。
特別強調的一點是，這三個虛擬的軸是隨航空器一起運動的，而不是相對於地面靜止的。當航空器運動的同時，這些軸相對於地面不但位置上會發生改變，方向也會發生改變，但相對於航空器機身卻是沒有變化的。例如，當一個航空器左側機翼垂直指向地面時，此時航空器的垂直軸與地面平行，而橫軸則垂直於地面（不考慮機翼反角）。
主操縱面
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主操縱面通過鉸鏈、滑軌、鋼繩、液壓、線控等各種方式連接在機身上，所以它們可以移動並使流過的氣流發生偏移。這種氣流方向變化產生的不平衡力使得航空器繞有關軸線旋轉。
- 副翼——安裝在每個機翼靠近翼尖的位置，兩側的運動方向相反。當駕駛員向左移動駕駛杆或逆時針轉動駕駛盤時，左側副翼會向上運動，而右側副翼則向下運動。向上的副翼減小所在機翼的升力，而向下的是增加升力，這樣駕駛杆向左移動導致左側機翼下降而右側機翼上揚。因此使航空器產生向左的坡度，但並不會轉彎。將駕駛杆移動到中立位置，副翼也回到中立位置，航空器會保持坡度，這時將駕駛桿向後帶桿，航空器開始轉彎，直到施加相反的副翼操縱使坡度為零改為直飛。
- 升降舵——分別安裝在機身尾部兩側水平安定面的後緣上。它們一同向上和向下移動。當駕駛員向後拉駕駛杆時，升降舵向上運動。前推駕駛杆時，升降舵向下運動。上揚的升降舵給機尾一個向下的力，而導致機頭向上仰。這使機翼的氣動攻角增加，產生更大的升力和阻力。駕駛杆回到中立位置後，升降舵也回到中立位置，飛機的俯仰變化停止。許多航空器使用全動平尾（一個可活動的水平安定面）來取代升降舵。升降舵除了改變俯仰外也是航空器轉彎的主要操縱面。
- 方向舵——安裝在機身尾部垂直安定面的後緣上。當駕駛員蹬左腳踏板時，方向舵向左偏移。蹬右腳踏板導致方向舵向右偏移。向右偏移的方向舵會在機身尾部產生向左的力，導致機頭向右偏航。方向舵腳踏板回中立位置後，方向舵也回到中立位置，飛機停止偏航。
1. 翼尖小翼
2. 低速副翼
3. 高速副翼
4. 襟翼滑軌整流罩
5. 前緣襟翼——克魯格襟翼
6. 前緣縫翼
7. 內側襟翼
8. 外側襟翼
9. 擾流板
10. 擾流板——減速板
注1：以上僅為示意圖，在具體機型上，各位置上部件因設計理念的不同，其實際構型、功能和名稱也有可能不同。
注2：圖中7和8所反映的是襟翼的三個不同工作位置，而非三層襟翼。
主操縱面的副作用
[編輯]- 副翼——副翼主要是用於控制坡度。機翼的氣動特性決定了：只要升力增加，誘導阻力也會增加。當向左移動駕駛杆使航空器向左壓坡度時，右側副翼是向下的，使右側機翼的升力增加，因此右側機翼的誘導阻力也增加。其結果導致航空器向右偏航，與副翼操縱所要達到的機頭偏航方向正好相反，這種情況被稱為反向偏航。這樣當向左移動駕駛杆使航空器向左壓坡度時就會導致機頭有向右的偏轉。反向偏航對具有較長機翼的輕型航空器有更大的影響，例如滑翔機。這時就需要駕駛員操縱方向舵來抵消反向偏航的影響。「差動副翼」是一種通過特殊的機構使向下運動的副翼偏移量小於向上運動的副翼，從而減弱反向偏航效應。
- 方向舵——使用方向舵導致一側機翼運動速度比另一側的快。速度的增加意味著升力的增加，因此使用方向舵會產生滾轉效應。另外，由於方向舵位置一般都高於航空器的重心，這樣作用在方向舵側向力就會在機身上產生力矩，使航空器產生反向坡度。操縱方向舵向右不僅使機尾向左、機頭向右運動，還會使航空器自旋，就像要進行左轉彎一樣。在所有的操縱輸入中，方向舵的操縱輸入能產生最大的反向作用。因此在輕型航空器上，副翼和方向舵通常都一起使用。當向左轉彎時，駕駛杆向左移動，同時要以足夠量蹬方向舵左腳踏板。如果左腳踏板操縱量過大，則會導致航空器發生側滑，然後進入尾旋（也稱螺旋）。然而，在輕型航空器上只使用方向舵而不是副翼來改變飛行路線也不失為一個好方法，因為這時駕駛員的雙手可以解放出來，以便執行更多的任務，例如查看航圖等。
航空器轉彎與船隻不同，航空器是三度立體空間，與二度空間操縱概念不一樣，航空器操縱轉彎主要裝置，不是方向舵，也不是使用副翼，是升降舵；簡單比喻，當航空器平飛時，單純的持續維持升降舵向後的操縱壓力時，即可完成一個向上垂直90度改變360度的平面即為「觔斗」，這平面若為水平即為「平飛轉彎」，所以要操縱航空器轉彎的操作順序是：先以副翼建立航空器所需轉彎率的坡度後，同時增加應有的升降舵向心力即可進行「平飛轉彎」，因此航空器轉彎，副翼是建立飛機坡度時使用的，是轉彎的輔助裝置，飛機轉彎的主操縱面是「升降舵」。因為，僅僅操縱副翼建立航空器坡度後，航空器並不會轉彎，但因建立坡度後機翼升力減少，這時因地心引力的關係，較重的機頭會持續下垂，直至機頭垂直地面，應使用升降舵向後，使機頭向後以增加機翼上的升力，才能維持航空器「平飛」，此時會在水平方向上產生一個與偏轉坡度方向一致的分力，該分力垂直於航空器的飛行方向，這樣航空器就會在這個分力的作用下做向心運動，也就是「向心力」，從而導致航向改變實現轉彎。但以上的論述是理論，但航空器實際轉彎的操作概念及順序是：當航空器需要以多少轉彎率轉彎時，就應先建立應有的坡度，同時增加應有的升降舵向心力(增加G力)及適當推力，航空器即能達到所需的轉彎率、高度及速度的「平飛轉彎」；因此要增加轉彎率，坡度就需越大，也必須增加更多的升降舵向後力量，以增加向心力(G力)，航空器轉彎就越快，像現行戰鬥機即需執行將近90度坡度及接近人體操作極限的9個G的小轉彎(急轉彎)實施戰鬥，而民航機通常僅需以30度坡度及稍大於平飛一個G的G力做平飛大轉彎即可，相同的速度與坡度，所有航空器的轉彎率、半徑都相同(各坡度所需G力可參考相關書籍)，相同的，如果增加的向心力大於坡度所需G力即是「上升轉彎」，向心力小於坡度所需G力即是「下降轉彎」。
其他形式的主操縱面
[編輯]有些航空器構型的主操縱系統是非標準的。例如有些航空器整個水平尾翼可以改變角度，而不在其後緣安裝升降舵。大多數超音速航空器都有全動水平尾翼。一些航空器有V型尾翼，在它們後緣上的活動部分整合了升降舵和方向舵的功能。三角翼航空器可能會在其機翼後緣有升降副翼，此裝置整合了升降舵和副翼的功能。
輔助操縱面
[編輯]配平
[編輯]配平操縱使駕駛員能夠在很寬的載荷和空速範圍內，平衡由機翼和操縱面產生的升力和拉力。這樣可以降低調整或保持希望的飛行姿態所需的力量。對於具有可逆操縱系統的航空器，通過配平可大大降低駕駛員在操縱方面的工作強度。
- 配平片——用於調整有關的主操縱面位置。它們經常是通過鉸接方式安裝在操縱面的後緣，並可在駕駛艙內操縱其動作。某些輕型航空器上的配平片是一塊固定的金屬片，可在地面對其彎度進行調整，但在飛行中不能控制。配平片通過改變氣流方向產生氣動力使主操縱面保持在希望的位置上。因為它們位於主操縱面支點的最遠端，則只需要產生較小的氣動力就可通過槓桿作用實現偏移主操縱面的目的。
- 全動水平尾翼——除了甚輕型航空器，升降舵上的配平片無法為重量較大的航空器提供足夠的配平力和運動範圍。為了提供合適的配平力，整個水平尾翼被做成俯仰角度可調整的。這樣可使駕駛員能夠調整水平尾翼升力的大小和方向，起到部分升降舵的作用，從而降低來自升降舵的反作用力。
最簡單的配平方法是利用彈簧在駕駛員的操縱裝置上施加相應的力達到配平效果。
實施某些飛行時，需要使用大量配平以使航空器保持預定的攻角。這主要適用於慢速飛行，此時需要保持機頭朝上的姿態。
配平不僅用於升降舵，也用於方向舵和副翼，以抵消滑流或重心偏向一側的影響。
其他操縱
[編輯]- 擾流板——一般擾流板對稱分布在兩側機翼的上表面上，數量視機型不同多少不一。擾流板工作時，會擾亂流經機翼上表面的氣流，使得氣流速度降低、渦流增加，從而導致機翼上的升力下降、阻力增加。擾流板對稱使用時，可起到減速板的作用，減少升力增加阻力，這在航空器調速或著陸減速時經常使用。在高升力、低阻力航空器（例如滑翔機）上，擾流板用於擾亂流經機翼表面的氣流，大幅度減少升力。這使得滑翔機駕駛員能夠在不使空速過度增加的情況下迅速降低高度，例如在著陸時因下滑角過小導致滑翔機進場高度過高時即可使用。擾流板也可不對稱使用，導致兩側機翼升力不對稱，這時可起到操縱航空器滾轉的作用。通常在大型飛機上採用這種操作來配合副翼或襟副翼以便提高滾轉操縱功效。
- 襟翼——一般安裝在機翼後緣靠近翼根的地方。它們向下或下後方偏移增加機翼的彎曲度，提高升力係數，使得升力增加，當然這也會使機翼的失速速度降低。襟翼一般在低速、高飛行攻角的情況下使用，如著陸前的下降過程中。起飛時為了增加升力也會使用襟翼，但其偏移量較小。一些航空器上還設有襟副翼，巡航飛行時可代替副翼用作滾轉操縱，以避免副翼在高速飛行中產生的氣動彈性問題。
- 縫翼——是通常附加在機翼前部的一種增升裝置，工作時與機翼主體之間形成沿展向的縫隙，使得機翼下表面氣流能夠經縫隙流到上表面。它可通過改變機翼上表面的流場降低失速速度。縫翼有固定式的也有可收放的。固定式可以為航空器提供優秀的低速性能以及短距起降能力，但在高速情況下性能較差。可收放式能夠在起飛著陸時為航空器提供較大的升力，而巡航時則收回，不致影響機翼的高速性能，目前大多數客機都採用了這種方式的縫翼。
- 減速板——通常用在高速航空器上，用於增加航空器的阻力，同時不改變升力的大小。減速板和擾流板有時是同一個裝置，例如在大多數大型客機上擾流板和減速板合為一體，同時起到減小升力和降低航空器運動速度的作用。地面擾流板就是減速板和擾流板的組合體，航空器接地時，擾流板（減速板）展開產生氣動阻力幫助航空器減速，同時也產生向下的力以輔助航空器煞車，並使航空器能夠牢牢貼在地面上。常規輪式剎車在高速情況下經常是無效的，因為高速時剎車往往會因過熱而失效。因此著陸煞車初期使用減速板和擾流板，增加航空器阻力，從而降低航空器速度至常規剎車能夠正常工作的範圍。在大型噴射式飛機上還常常使用引擎反推來幫助減速，而螺旋槳式飛機則可能採取螺旋槳反槳方式獲得反向推力來幫助減速。
參見
[編輯]參考資料
[編輯]- Private Pilot Manual; Jeppesen Sanderson; ISBN 0-88487-238-6 (hardcover, 1999)
外部連結
[編輯]- A clear explanation of model aircraft flight controls
- See How It Flies （頁面存檔備份，存於網際網路檔案館） By John S. Denker. A new spin on the perceptions, procedures, and principles of flight.
- Semiautonomous Flight Director (SFD) US Patent 6,460,810 （頁面存檔備份，存於網際網路檔案館）