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关于飞行员诱发振荡的分析及预防

2006-10-27 22:18阅读：

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关于飞行员诱发振荡的分析及预防

内容摘要:驾驶员诱发振荡(PILOT INDUCED OSCILLATION)，即由于驾驶员操纵飞机而引起的持续的或不可控制的振荡。驾驶员诱发振荡是一种复杂的人机闭环问题。飞行中一旦出现PIO现象，可用断开人机闭环回路的方法来改出，如松杆或将杆固持。另外如果出现的只是纵向(横向)PIO，可以左右压杆(推拉杆)改出。
关键词: 飞行员诱发振荡　　电传操纵系统　　操纵滞后

一、什么是飞行员诱发振荡
在人机组合闭环系统中，由于飞行员操纵飞机而引起的非操纵性的持续振荡。叫飞行员诱发振荡,简称诱发振荡。以PIO(pilot induced oscillation)表示。
飞行员诱发振荡的产生，与飞行员,操纵系统,飞机机体以及间隙摩擦等许多因素有关。目前对这个问题的研究正在逐步深入。问题并没有得到完全解决，还不能提出确实的办法，在设计新机时为避免飞机产生这一现象。现代高速飞机,由于飞行包线扩大，操纵系统更加复杂以及自动器的广泛使用等原因,飞行中产生诱发振荡的可能性显著增加.单在美国，发现有诱发震荡现象的飞机就有28种型号，其中包括低速飞机，高亚音速飞机，也有超音速飞机。
飞行中发生诱发振荡，会严重影响飞机的精确机动，妨碍飞行员跟踪和瞄准，使任务难以完成。飞行员应懂得诱发振荡的特性和发生的基本道理，在飞行中预防其发生，或在发生后能及时地采取正确措施，予以制止。
二、飞行员诱发振荡物理成因的初步分析
飞行员俯仰诱发振荡是飞行员----操纵系统----飞机系统组合的闭环系统在一定条件下出现的短周期不安定振荡。就发生振荡的飞机来讲，飞机本体的短周期模态是安定的；飞机操纵系统的动力学特征也是安定的，但是，当把飞行员----操纵系统----飞机本体三者组合成闭环系统以后,飞机运动模态(主要也是短周期的)的安定性下降,甚至成为不安定。可见，这种闭环不安定的问题在于飞行员----操纵系统----飞机本体三者之间的不良耦合。这种不良耦合可简单地分解为两方面,即操纵系统与飞机本体动力学特征的不良耦合，以及飞行员操纵与飞
机本体运动之间的不良耦合。
(一)飞行员的操纵运动与飞机本体运动的不良耦合
诱发振荡是由飞行员操纵诱发引起的。通常在两种情况下发生：一是飞行员为保持稳定飞行，根据飞机俯仰角变化而作往复的操纵；一是飞行员为了跟踪或瞄准目标，需作精确的机动，因而往复操纵驾驶杆。显然，诱发振荡和安定性理论分析的长短周期模态是自由振荡,而诱发振荡是飞行员往复操纵引起的强迫振荡。但是，并不是飞行员一作闭环操纵时的强迫振荡都是诱发振荡，只有飞行员操纵驾驶杆的频率接近于飞机的自振频率(动力学中称为共振现象)，而出现的一种并非有意识操纵的持续强迫振荡，才是诱发振荡。可见，“诱发”两字是指飞行员操纵动作与飞机运动“合了拍”。这是形成诱发振荡的根本原因。
以上所讲情况是在飞行员主动作谐波操纵输入，其频率接近闭环系统短周期频率时，迫使人机系统形成诱发振荡的情况。但在实际飞行中，情形常常是反过来的，是飞行员主观上要抑制飞机振荡，结果事与愿违，越抑制反而振荡越剧烈，这又如何理解呢？
　　这是因为在闭环操纵下，除了上述飞机反应滞后于操纵之外，还有一个飞行员的反应和操纵滞后于主观愿望（信息和刺激）。这两种滞后现象的综合，就会引起“适得其反”的效果，而诱发了振荡。
　　操纵滞后包括两部分，一部分是飞行员对反馈信号的反应有一个滞后时间；（不同飞行员，对信号反应的时间不一定相同），以r表示。另一部分是飞行员实施操纵后，杆的移动要经过整个操纵系统才能传到升降舵，由于操纵系统存在间隙，这个过程也需要一定时间。这两部分时间的总和，就是飞行员的操纵对主观愿望的滞后时间。有些资料认为，这个滞后时间可估算为0.25--0.30秒。
当然，在人机闭环系统中，飞行员作为一个环节，其传递函数不仅包括滞后环节，还包括惯性环节等项。因为人不仅对信号的反应有滞后，而且人的神经中枢对信息的传递和加工，肌肉的调节都具有一个过程，需要一定的时间，即有惯性作用。这些方面自然也会对上述的不良耦合起一定的作用，上面的简化分析则未加考虑。
（二）操纵系统与飞机本体之间的不良耦合
　　操纵系统的动力学特性、操纵杆力和杆位移梯度、以及操纵系统的磨擦和空行程（非线性因素）都会对飞机诱发振荡的产生具有一定的影响。其中操纵系统中配重与质量不平衡的影响更为主要。
三、影响产生纵向诱发振荡的其他因素
由上述的简化分析可知，飞行诱发振荡是人机闭环系统在不良耦合条件下发生的共振现象，它涉及的因素很多，上面只是简化条件下的分析，而产生诱发振荡的全部原因，目前还不是一清二楚。但一般认为与下列的因素有关，即飞机短周期运动的动态特性、操纵系统的动态特性（特别是配重的采用），载荷感觉系统的状态（压缩或松浮）；操纵力梯度和操纵杆位移梯度，操纵系统的磨擦和空行程。
在现代飞行操纵系统中，飞行员段仅仅是操纵回路的一部分，这种飞行员诱发振荡往往是操纵系统设计不当引起的，当意料不到的振荡发生时，系统不是引导飞行员去消除振荡，而是误导他采取加剧振荡的动作，但习惯上还是把这种现象称为飞行员诱发扫荡。电传操纵系统是一种高性能、高增益系统，因而由于种种原因容易产生飞行员诱发扫荡。飞行员诱发扫荡往往来得很突然，在事故之前，一切仿佛都很顺利，但猝不及防就产生了事故，甚至是灾难性的事故。据报道，国外几乎所有装备电传操纵系统的飞机，都在研制中出现过或大或小的飞行员振荡，而且曾摔过几架飞机。然而这种飞行员诱发扫荡在地面模拟器上常常是检测不出来的。飞行员在模拟器上操纵飞机时，心情往往比较放松，因为他们知道其性命并未处于危险之中。
飞行员诱发扫荡事故通常在飞行员完成要求很高的任务时发生，这时他要集中精力精确控制飞机的航迹。事故往往在使要求很高的任务中断、或需要更高精度时突然发生。猝发飞行员诱发扫荡的事件包括会使飞行员、飞机动态特征发生变化的飞行员控制幅度的增加、飞行操纵系统的变化、微小的机械故障和严重的大气扰动。相当普遍的猝发飞行员诱发扫荡的原因是飞行操纵系统增益校准的不好。
飞行员诱发扫荡事故常常与采用新设计和新技术有关，但也可在飞机执行还未进行过飞行员诱发扫荡事故易感性分析的任务时发生。美国的一架YF－22实验机，1992年4月25日在爱得华兹空军基地低空飞过跑道时坠毁。飞机从12米的高度开始，做了4、5次振荡后撞在跑道上。分析表明，当时飞机并没有发生故障，事故是由于一些意料不到的事件引起的，主要原因是，试飞人员在低空时没有将推力矢量控制切断。YF－22的推力矢量控制是为高空大仰角飞行优化的，以便使机头迅速下俯，从过失速迎角中恢复，而没有对低空、低速条件下推力矢量接通时的控制率进行过设计或分析。试飞程序要求在低空切断推力矢量控制，但试飞人员却没有遵守。当飞行员抬起落架时，触发了俯仰指令响应自动发生变化，驾驶杆很小的变化产生了意想不到的很大的控制相应，从而造成飞行员诱发扫荡事故。

四、飞行员诱发振荡的预防和修正
飞行实践告诉我们，即使会发生诱发振荡的飞机，也并不是随时随地都会发生诱发振荡，因为它不仅需要有一定的飞行条件，还需要飞行员特有的操纵动作与飞机特性相耦合。有的飞机，对于某个飞行员做某个动作会产生诱发振荡，而对另一飞行员作同样的动作却不会发生，即使同一飞行员飞同一架飞机，做某个动作不发生诱发振荡，而做另一个动作就可能发生。这说明诱发振荡要有相当多的条件耦合才会形成的。飞行员了解这一特点，在飞行中就可以预防它的产生。
例如，歼－6飞机在中、低空表速较大（表速800Km/h）情况下，飞行员无意中造成负载荷而作反复修正时，动作不当有可能出现诱发振荡，我航空兵部队称为俯仰大幅度摆动，有时正负载荷都达到允许最大值。理论计算也证明，在上述飞行条件下，如果力臂故障（处于大力臂位置）时，发生飞行员诱发振荡的可能性较大。
飞行中产生诱发振荡时，通常应固定杆，让飞机在漂动过程中因阻尼而衰减，也可拉杆增大过载，转入上升、减小速度。由于条件的改变，也可使振荡衰减，转为正常飞行。
歼教—5飞机产生增幅跳跃，是由于飞机接地后迎角增大，升力大于重力（有时是升力与地面反作用力之和大于重力），飞行员的反应和操纵滞后于主观愿望，且飞机反应滞后于操纵。这种现象的综合就会引起增幅跳跃。
修正方法
1.当飞机跳起时，如上跃趋势不明显。飞机不再上跃应带住杆，待飞机下沉时，应依高度和下沉快慢拉杆以正常两点姿势接地。
2.由于前轮撞地或接地瞬间粗猛拉杆使飞机跳跃时，应稳住杆，判断飞机上跃的趋势和离地高度。如上跃趋势明显且要超过1米时，应及时迎杆，制止飞机继续上升。飞机开始下沉时，应依高度和下沉快慢，及时拉杆，以两点姿势接地。
3.在修正跳跃时，若飞机下沉不拉杆而松杆或接地时不稳杆而拉杆，会产生连续跳跃。第二次跳跃时，应及时稳住杆，当飞机停止上跃后，立即带住杆，下沉时应及时、有力地拉杆（因速度小飞机下沉快），力求拉成两点姿势接地。接地瞬间，要特别注意稳住杆，以免再次跳起。连续跳跃飞机易超过临界迎角，因此，要特别注意放平舵。如果飞机产生倾斜，应及时、有力地蹬反舵修正。
歼教—5飞机在大迎角、小速度飞行时，横侧安定性显著增强，方向安定性变化不大。在这种情况下，如果飞机产生侧滑，两翼升力不一样，飞机就会产生漂摆。
修正方法
飞机漂摆时，左右摇摆的周期很短（2-4秒）。修正动作必须迅速、准确。
1.当飞机开始向一侧滚转时，迅速压反杆，并用反舵制止飞机停止滚转后，杆舵回中立，有坡度时杆舵一致改平。
2.轻微飘摆时，应适当地迎杆以减小飞机迎角，放平舵消除侧滑，使飞机停止飘摆，但在四转弯后的下滑着陆上不宜用迎杆修正。
总之，切不可反复修正，“推波助澜”，越振越烈，导致超过允许过载或高度过低肇成事故。

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