浅析现代飞机侧杆操纵方式的优缺点及侧杆设计要求

韩涛锋饶祺温智翔

江西洪都航空工业集团有限责任公司韩涛锋饶祺温智翔

摘要：分析对比了侧杆相对中央杆操纵方式的优缺点，并从人机工效学和防护学角度出发对现代飞机侧杆操纵装置的设计要求进行了研究总结。

关键词：飞机；侧杆操纵；设计要求引言侧杆，即飞机侧方操纵杆，主要相对传统飞机的中央操纵杆而言，通常布置于飞机座舱右侧方的控制台上。侧杆操纵方式自从莱特兄弟第一架飞机诞生之时就开始得到应用，当时主要用于控制飞机的俯仰运动。随着飞机电传飞行控制技术的日趋成熟和对战斗机机动性要求的进一步提高，侧杆操纵方式在各国的飞机中也都得到了普遍应用。

1侧杆操纵方式的优点侧杆操纵方式具有以下突出优点：（1）减轻飞行控制系统重量：采用电传侧杆操纵方式后，可去掉传统机械系统连杆及相关机电元件，代以电线或光纤进行信号传输，使得飞机控制系统重量得以减轻。

（2）降低驾驶杆对座舱空间的要求：侧杆通常布置于座舱右侧控制台上，其长度和位移远小于中央操纵杆，加上可以在一个侧杆上综合多个控制按钮，因此可以进一步降低对座舱空间的要求。

（3）改善飞机的操纵品质：采用侧杆操纵时，飞行员可以更不费力、更为精确地完成控制飞行，有利于任务完成可靠性的明显提高。

（4）降低飞行员工作负荷：采用侧杆操纵时，飞行员更易于观察前方显示器。机动飞行时飞行员完成机动动作时无需大力推拉或按压驾驶杆便可实现飞行控制，有利于降低飞行员的观察负荷和飞行疲劳。

（5）结合后倾座椅，提高飞行员抗过载能力：高机动性飞机为了提高飞行员抗过载能力，需要采用侧杆操纵方式可明显降低飞行员的操纵难度，从而提高抗过载能力。

（6）结合臂托，减小飞行员的惯性振动：侧杆常常和臂托结合使用。臂托首先是将前臂相对固定，以阻断或减小生物力学感应性振动沿飞行员手-臂-肩的传递和由此造成的对侧杆操纵的不利影响，其次是为前臂提供支撑以保证侧杆操纵的稳定性。

2侧杆操纵方式的缺点2.1无法换手操纵飞机采用右侧杆操纵方式后，飞行员就无法用左手实现飞机操纵。因此，飞行员难以不费力地双手交替操纵驾驶杆，是侧杆操纵方式的主要缺点。

2.2反馈设计比较困难（1）反馈信息不易分辨：侧杆操纵位移行程一般很小（0到几厘米）。无论是视觉上还是触觉上，飞行员都难以从侧杆位置的微小变化感觉到自己的控制动作已经产生效果或产生了多大效果。待飞行员明确分辨出侧杆位移时，实际控制输入可能已经过量。

（2）“人工感觉”可能造成错误感知：为了弥补“感觉匮乏”的不足，被动式侧杆往往采用固定模式给飞行员制造一种“人工感觉”。但是由于这种“人工感觉”脱离飞机受控运动的实际，不是控制效果的真实反馈，可能不仅无助于飞行员对控制效果的正确判断，有时还会造成错误感知。

（3）感觉特性设计存在困难：将飞机受控运动的全部响应合理分配在侧杆驾驶装置的力-位移特征上，并尽可能使这种力-位移特征符合飞行员的感觉特性，是侧杆反馈设计的难点所在。

3侧杆设计要求3.1人机工效学要求（1）侧杆中立位：侧杆中立位的确定，应以无加速度平飞中飞行员控制最大允许过载值时腕部在垂直轴前侧的后向运动不大于5°~7°，或控制最大右向滚转率时腕部在垂直轴右侧的外向运动不大于5°为宜。

（2）侧杆启动力：侧杆启动力应介于10.8N~21.6N之间。

（3）侧杆杆力：纵向操纵杆力应不大于215N；侧向操纵杆力应不大于108N。

（4）侧杆的控制运动：固定杆仅满足于指令性下俯运动。

从中立位至全后位的最小上仰偏转量推荐值为2°；侧向偏转限制值应与纵向偏转限制值保质一致。

（5）纵向力/响应梯度：若飞机的短周期频率已知，原始纵向力/响应梯度应从图1推荐区（虚线区）中选定；若末段斜率小于或等于始段斜率的2倍值，更宜采用非线性力/响应梯度。

图1短周期频率与纵向力响应梯度（6）侧向力/响应梯度：若末段斜率小于或等于始段斜率的2倍值，则可采用非线性力/响应梯度。

（7）纵向偏转/力梯度：除以中立位至全后位可用总偏转量后的后侧纵向偏转/力梯度，应介于0.7N至1.8N之间，且宜优先采用该区间内的低端值；前侧纵向偏转/力梯度值可等于九分之一后侧纵向偏转/力梯度值。侧杆偏转范围大时，可对称增大前侧纵向偏转/力梯度。

（8）侧向偏转/力梯度：除以中立位至全左位或全右位可用总偏转量后的侧向偏转/力梯度，应介于纵向常态化偏转/力梯度区间1~1.6倍值范围内；推荐采用不对称（内大外小）的侧向偏转/力梯度。

（9）侧杆止动点：侧杆因正确指令偏转至最大限度时，飞机应产生最大允许响应；侧杆最大偏转位置处的止动点应采用硬止动点，且应易于飞行员辨别；在侧杆不同偏转位置上可酌情设置软止点，作为力梯度变化或侧杆即将趋近硬止点的提示。

（10）侧杆上的功能开关或按钮：杆上任何开关、按钮等的启动力应不大于所用侧杆启动力值的50%。

3.2防护性设计要求（1）滚转倒棘防护：侧杆的偏转量应适度，推荐的取值范围为1.5~1.8°/kg；飞控系统时间延迟应降至最小，如小于50ms；有效滚转响应时间常数应大于0.2s且小于0.3s；响应/力梯度值应大于22°/s·kg且小于44°/s·kg。

（2）反馈和告警：侧杆设计应为飞行员提供动作和触觉反馈，允许对自动化模态和现行飞控指令进行交叉确认；侧杆设计应允许飞行员通过视觉和触觉方式了解其他飞行员的人工操纵指令或自动驾驶仪的现行控制指令；侧杆设计应为飞行员提供危险状态告警（如侧杆抖动）。

4小结侧杆操纵方式因其具有诸多优点而被现代高机动飞行普遍采用，随着国内对于高机动飞机研发项目的开展，侧杆操纵方式必将得到广泛、深入的研究和应用，本文根据相关文献总结给出的侧杆设计要求对于开展侧杆装置工程设计具有一定参考意义。

参考文献：[1]熊端琴，郭小朝，陆惠良，等.飞机侧杆驾驶装置的优缺点及改进设计探讨[J].人类工效学，2006，12（1），36-38.[2]孙滨生.现代战斗机座舱布局[M].北京：航空工业出版社，1989.