CN103010457B

CN103010457B - 用于航空器的电舵控制系统

Info

Publication number: CN103010457B
Application number: CN201210363019.3A
Authority: CN
Inventors: P.布罗; P.法布尔
Original assignee: Airbus Operations SAS
Current assignee: Airbus Operations SAS
Priority date: 2011-09-26
Filing date: 2012-09-26
Publication date: 2017-01-18
Anticipated expiration: 2032-09-26
Also published as: FR2980453B1; US20130075535A1; FR2980453A1; US8979036B2; CN103010457A

Abstract

一种用于航空器的电舵控制系统。舵控制系统（1）包括用于确定用于航空器舵（7）的致动器（6）的补偿命令的装置（10）。

Description

用于航空器的电舵控制系统

技术领域

本发明涉及一种不带任何机械舵补偿的、电类型的、用于航空器的舵控制系统（rudder control system）。

背景技术

每一架航空器均设置有连接引航单元（操纵杆、舵脚蹬杆（rudder bar））与航空器的空气动力学控制表面（副翼、阻流板（spoiler）、垂直舵、俯仰操纵机构(pitchmotivator)）的飞行命令系统。那些系统已经根据技术进步随着时间从纯机械非辅助系统发展到被以液压方式辅助的电（命令）系统。

在最初的系统上，飞行员在引航单元上施加的作用力被整体地传递到舵并且对应于空气动力学作用力。为了减小肌肉作用力，已经形成了补偿器或者调平（trim）从而能够对应于来自飞行员的零肌肉作用力地改变控制表面位置。

随着技术的演化，已经本质上为了操作需要（来自飞行员）保留了调平。因为在目前的舵控制系统上，在舵脚蹬杆和垂直舵之间不再存在更多的机械连接，调平仅仅用于改变舵脚蹬杆的零作用力位置。

通常，一种电类型的、用于航空器，特别地用于飞机的舵控制系统，包括：

-适于由飞行员操作的舵脚蹬杆；

-用于检测舵脚蹬杆的位置并且产生代表这种位置的电控制信号的装置；和

-飞行控制计算器，该飞行控制计算器接收这种电控制信号并且借助于后者产生被传输到用于航空器的垂直舵的致动装置的控制命令。

该垂直舵是所谓的电式的，因为由飞行员控制的命令（舵脚蹬杆的位置）被以电信号的形状传输到飞行控制计算器。该计算器然后使用这种飞行员命令以通过内部控制定律确定被有效地应用于垂直舵的控制命令。

尽管这种电特性，舵脚蹬杆仍然是一种复杂的机械单元。它特别地包括能够再次形成人为感觉的弹簧组件（因为舵脚蹬杆不再被以机械方式与航空器的控制表面连接）。这种人为感觉产生装置还包括机械舵补偿或者调平功能。由机械补偿器或者调平实现的这种功能允许飞行员控制零作用力舵脚蹬杆位置。飞行员通过位于驾驶员座舱中的按钮执行该控制。

这种机械舵调平满足几个操作需要：

-在发动机故障的情形中。

航空器的发动机故障产生偏航力矩。因此，为了保持最佳飞行线路，飞行员必须控制舵脚蹬杆命令从而垂直舵产生与与发动机故障有关的力矩相反的矫正性偏航力矩。

恒定的应用这种命令迫使飞行员在舵脚蹬杆上施加恒定的肌肉作用力。为了使得飞行员能够在保持他的位置（和因此他的命令）时释放踏板，他请求机械舵调平功能。

使用这种功能允许将零作用力位置（起初地假设为中立位置）送至舵脚蹬杆的当前位置（飞行员要求的）。因此，飞行员可以在保持当前位置时释放舵脚蹬杆；和

-在飞机被扭曲或者被以非对称方式加载（燃料、乘客）的情形中。

在那些情形中，飞行员能够处于要求恒定的稍微的舵命令从而取消或者补偿非对称性（最佳侧滑、最小舵间隙）的位置中。为此，飞行员可以请求机械舵调平功能。因此，舵脚蹬杆能够采取非零命令，而不用飞行员在踏板上操作（通过零作用力点的稍微移位）。

在例如如上所述电舵控制系统上存在满足上述需要的机械舵调平，特别地在质量、成本、安装、拥塞、维护、总体可靠性等方面具有某些缺点。

发明内容

本发明旨在简化这种电舵控制系统并且取消机械补偿功能。它涉及一种不带任何机械控制调平的、电类型的、用于航空器的舵控制系统，尽管不存在机械调平，该舵控制系统仍然允许满足与这种调平有关的操作需要。

出于该目的，根据本发明，所述类型的舵控制系统包括：

-适于由航空器的飞行员致动的舵脚蹬杆（踏板）；

-用于自动地检测舵脚蹬杆的位置并且产生代表这种位置的电控制信号的装置；和

-计算装置，该计算装置接收这种电控制信号并且至少通过后者自动地产生被传输到用于航空器的垂直舵的操作装置的控制命令，

其显著性在于，它另外地包括：

-用于以辅助电信号的形状产生舵调平命令从而零作用力舵脚蹬杆位置是舵脚蹬杆的中立位置的辅助装置；和

-用于向所述计算装置传输这种辅助电信号的装置，所述计算装置被形成用于通过这个辅助电信号和所述电控制信号这两者产生被传输到用于垂直舵的操作装置的控制命令，所述控制命令是从对应于相对于由电控制信号代表的舵脚蹬杆位置的命令和由由所述辅助装置产生的辅助电信号代表的补偿命令之总和的总体命令计算的，从而零作用力舵脚蹬杆位置总是舵脚蹬杆的中立位置。

因此，由于本发明，用于满足相对于舵调平的操作需要的动作不是由其舵控制系统不存在的、通常的机械补偿器实现的，而是通过产生并且应用被（以电信号的形状）传输到使用它计算舵控制命令的计算装置（或者飞行控制计算器）的舵调平命令实现的。零作用力舵脚蹬杆位置因此总是舵脚蹬杆的中立位置。

取消通常的机械调平的舵控制系统因此在航空器质量、成本、安装设备、维护操作和总体可靠性方面产生益处。

在一个第一实施例中，所述辅助装置包括用于在航空器的发动机故障时自动地确定使得由发动机故障产生的偏航力矩能够得到补偿的补偿或者调平命令的自动装置。而且，有利地，所述辅助装置还包括用于自动地检测这种故障的装置。

仅仅在发动机故障的情形中应用这个第一实施例。

而且，在第二实施例中，关于所述第一实施例替代地或者另外地，所述辅助装置还包括手动操作装置从而允许飞行员控制（即选择手动操作）被传输到计算装置的补偿命令。

能够在航空器要求非对称性补偿的任何情况中，特别地在航空器被扭曲或者非对称地加载（燃料、乘客）的情形中使用这个第二实施例。

在发动机故障时，两个实施例均能够如此被一起地或者分开地使用。特别地，飞行员能够使用第二实施例以在自动偏航力矩补偿故障的情形中进行手动操作控制。

能够以不同的方式实现所述第二实施例的手动操作装置。

因此，在第一实施例变型中，所述手动操作装置包括：

-适于用手带至三个不同的位置中的旋转按钮，该三个不同的位置即：

•第一极端位置，对于该第一极端位置，补偿命令的值逐渐地增加；

•第二极端位置，对于该第二极端位置，补偿命令的值逐渐地降低；和

•中立位置，对于该中立位置，补偿命令的值是固定的；和

-重新初始化按钮，当它被操作时将补偿命令重置为零值。

而且，在第二实施例变型（优选的）中，所述手动操作装置包括（唯一的）控制按钮，当它被保持按下并且同时地先前压下的舵脚蹬杆被释放（逐渐地）时，该控制按钮导致补偿命令（逐渐的）增加，这种增加与舵脚蹬杆的间隙（释放）变化成比例。所产生的补偿命令对应于在所述控制按钮释放的瞬间获得的补偿命令。

进而，在一个具体实施例中，所述舵控制系统另外地包括用于在先前地被接合的自动引航系统脱离时，自动地将补偿值初始化为在其脱离之前由这种自动引航系统控制的舵控制值的装置。

本发明进而涉及一种设置有不带任何机械舵补偿的电舵控制系统，诸如上述电舵控制系统的航空器，特别地是运输飞机。

附图说明

附图中的图将使得充分地理解本发明能够如何实现。在那些图中，相同的标记表示类似的元件。

图1是根据本发明的电舵控制系统的框图。

图2和3示意地示意用于构成根据本发明的系统的一个部分的舵控制补偿命令的手动操作控制装置的不同实施例。

具体实施方式

根据本发明的并且在图1中示意地示出的系统1是用于航空器（未示出），特别地飞机并且特别地运输飞机的一种电舵控制系统。这种系统1无任何机械舵控制补偿器。

用于航空器的电舵控制系统1通常包括：

-适于由飞行员（踏板2A）或者副飞行员（踏板2B）操作的舵脚蹬杆（被以踏板的形状实现）；

-与所述舵脚蹬杆2相关联、确定它的位置并且产生代表这种位置的电控制信号的装置3；

-通过电连接5接收这种电控制信号并且通过后者产生控制命令的飞行控制计算器4；和

-用于航空器的垂直舵7的操作装置6，通过电连接8将这个控制命令传输到该操作装置6。这些操作装置6将垂直舵7偏转（如混合线条中的链路9示意的）代表如此接收的控制命令的偏转值。

这种系统1是所谓的电式的，因为由飞行员控制（通过操作舵脚蹬杆2）的命令被以电信号的形状传输到飞行控制计算器4。这种飞行控制计算器4然后使用这种飞行员命令，以通过通常的内部控制定律，确定被有效地应用于垂直舵7的控制命令。

根据本发明的系统1是这样的使得，尽管不存在机械舵补偿器，其允许满足相对于这种补偿器的操作需要。

为此，所述系统1另外地包括：

-用于以辅助电信号的形式产生舵补偿命令的辅助装置10。这种舵补偿命令以下还被称作偏置RTS；和

-用于将这种辅助电信号传输到所述飞行控制计算器4的装置（电连接11、12）。

而且，根据本发明，所述飞行控制计算器4包括装置13，用于通过这种辅助电信号和所述电控制信号这两者产生被传输到用于垂直舵7的操作装置6的控制命令。

这种控制命令因此是从对应于相对于舵脚蹬杆2的位置的命令（电控制信号）和由所述辅助装置10产生的补偿命令（辅助电信号）之总和的总体命令计算的。

因此，在根据本发明的系统1上，为了满足相对于舵补偿器的操作需要而必要的动作不是由系统1并不具有的、通常的机械补偿器实现的，而是通过被（以电信号的形状）传输到使用它计算舵控制命令的飞行控制计算器4的舵补偿命令的产生和应用实现的。

在这种系统1内，零作用力舵脚蹬杆位置因此总是舵脚蹬杆2的中立位置。

在所述舵控制系统1上取消任何通常的机械补偿器因此在航空器质量、成本、安装设备、维护操作和总体可靠性方面产生益处。

在第一实施例中，所述辅助装置10包括自动装置15，该自动装置15包括：

-用于自动地检测在航空器的发动机中的故障的通常装置16；

-被链路18连接到所述装置16并且被形成用于自动地确定最佳侧滑角度的装置17；和

-优选地被集成到计算器4中以将这种最佳侧滑角度加以考虑的装置（未示出）。

为此，这种最佳侧滑角度被添加到受到控制的侧滑（对应于舵脚蹬杆命令）并且然后如此获得的总和被转换成舵控制命令，该舵控制命令允许（通过对于这种最佳侧滑角度加以考虑）补偿由故障产生的偏航力矩。

优选地，但是并非唯一性地，所述辅助装置10被集成到计算器4中。

这个第一实施例然后应用于发动机故障的情形。然而，它还能够被应用于用于具有不同于发动机故障的其它原因的航空器非对称性的自动补偿。

装置17使用建立的正常侧（normal side）定律，即所谓的Y*定律，以上述最佳侧滑角度掌控航空器的侧滑的这个一般定律能够自动地阻挡由故障产生的偏航力矩。

利用这个第一实施例，在发动机故障的情形中，乘员不再需要在垂直舵2上提供恒定的肌肉作用力并且机械补偿功能不再是有必要的。

然而，对于引航定律劣化（例如由于设备故障，Y*定律不能进一步可用）加以考虑地，所述辅助装置10还包括手动操作装置19A、19B以允许飞行员控制（即选择手动操作）被传输到控制装置的补偿命令。

能够替代所述第一实施例的自动装置15或者除了所述第一实施例的自动装置15之外，使用与本发明的第二实施例有关的这种手动操作装置19A、19B。

在发动机故障时，两个实施例均能够如此被一起地或者分开地使用。特别地，在偏航力矩自动补偿故障时（第一实施例），飞行员能够使用第二实施例执行手动操作控制。

在发动机故障的情形中，等于要求的舵脚蹬杆位置的、根据本发明的补偿命令的飞行员控制（偏置RTS）使得能够无任何肌肉作用力地在中立位置处释放舵脚蹬杆2。

作为为了补偿检测到的发动机故障而有必要的命令考虑BTGT，在这种情形中获得了在以下表格中示出的情况。

	舵脚蹬杆2的位置	偏置RTS	飞行员命令（定律输入）
				在发动机故障之前	中立	零	零
在发动机故障并且在舵脚蹬杆2处阻挡之后	BTGT	零	BTGT
				在偏置RTS的控制之后	中立	BTGT	BTGT

能够在航空器要求非对称性补偿的任何情况中并且特别地在航空器被扭曲或者被非对称地加载（燃料、乘客）的情形中使用第二实施例（通过手动控制的补偿）。

在那些最后的情形中，替代飞行员通过对舵脚蹬杆2的作用而补偿非对称性，他通过对偏置RTS值的控制的作用而直接地补偿非对称性。

以此方式，在无任何肌肉作用力地保持舵脚蹬杆2处于中立位置中时，非对称性得到补偿。

作为为了补偿这种非对称性而有必要的命令考虑CDis，在那些情形中获得了在以下表格中示出的情况。

	舵脚蹬杆2的位置	偏置RTS	飞行员命令（定律输入）
				在非对称性补偿之前	中立	零	零
在非对称性补偿之后	中立	CDis	CDis

能够以不同的方式实现所述第二实施例的手动操作装置19A、19B。

因此，在于图2中表示的第一实施例变型中，所述手动操作装置19A包括：

-适于被飞行员的手带至三个不同的位置中的旋转按钮20，该三个不同的位置即：

•极限位置P1，对于该极限位置P1，补偿命令的值（偏置RTS）逐渐地降低；

•极限位置P2，对于该极限位置P2，补偿命令的值逐渐地增加；和

•中立位置P0，对于该中立位置P0，补偿命令的值被固定于在按钮20向右旋转或者向左旋转之后获得的值；和

-重新初始化按钮21，当它被操作时将补偿命令重置为零值。

能够使用与通常的机械补偿的通常的控制装置相同类型的按钮的这种手动操作装置19A允许带有效率和精度地控制偏置RTS的值。

考虑偏置RTS的值从-100%（在左侧上）改变到+100%（在右侧上）并且它在中立位置P0中为0%，则以下逻辑可用：

-当飞行员向左（位置P1）摇动旋转按钮20时，偏置RTS的值在被限制为-100%时逐渐地降低；

-当飞行员向右（位置P2）摇动旋转按钮时，偏置RTS的值在被限制为+100%时逐渐地增加；并且

-当飞行员按下重新初始化按钮21时，偏置RTS的值逐渐地返回0%。

当然，偏置RTS的值可以在不同于-100%和+100%的其它值之间改变（关于舵脚蹬杆的可能间隙）。

作为示意，能够预期用于补偿命令的以下控制速度。

	在光滑配置中的缝翼和襟翼	在非光滑配置中的缝翼和襟翼
			在短于1.5sec的时间期间操纵旋转按钮20	0.5 deg/sec	1 deg/sec
超过1.5秒地操纵按钮20	1.5 deg/sec	3 deg/sec

进而，通过按下重新初始化按钮21用于补偿命令(偏置RTS)的重置速度能够是3°。

在该实例中，考虑+/-30°的、从邻靠到随后的舵脚蹬杆间隙是适当的。

进而，在于图3中表示的第二优选实施例变型中，所述手动操作装置19B包括当它被保持按下并且同时地先前地压下的舵脚蹬杆2被（逐渐地）释放时，导致补偿命令（逐渐的）增加的（唯一）控制按钮22，这种增加与舵脚蹬杆2的间隙变化（释放）成比例。所产生的补偿命令对应于在释放所述控制按钮22时获得的补偿命令。

这些手动操作装置19B使得偏置RTS的值能够被有效地和精确地控制。

优选地，偏置RTS的值从-100%（在左侧上）改变为+100%（在右侧上）并且它在中立位置处为0%。

在操作方面：

-飞行员开始通过对舵脚蹬杆2作用（非零位置和作用力）而平衡航空器；

-然后在逐渐地将舵脚蹬杆2释放达到中立位置（用于零作用力）时他在按钮22上按下并且保持它被按下。

当舵脚蹬杆2被飞行员朝向中立位置重新定位，并且按钮22保持被按下时：

-飞行员命令（在低输入下）被固定于它在机组人员按下按钮22时的瞬时所具有的值；并且

-根据本发明的补偿（偏置RTS）逐渐地与舵脚蹬杆2的间隙变化成比例地增加。

一旦舵脚蹬杆2处于中立位置上，飞行员便释放按钮22并且舵脚蹬杆2的位置再次在飞行员命令（在定律输入下）的组成中发挥作用（take action）。被注册的偏置RTS然后等价于在该过程之前的舵脚蹬杆位置。

作为飞行员希望的舵控制命令考虑EqLat并且作为舵脚蹬杆2的中间位置考虑IntLat，在以下表格中示出的情况是在上述控制时获得的。

	舵脚蹬杆2的位置	偏置RTS	飞行员命令（定律输入）
				在过程开始之前被飞行员偏转的舵脚蹬杆2	EqLat	0	EqLat
在保持按钮22被按下时舵脚蹬杆2逐渐返回中立位置上	IntLat	EqLat-IntLat	Eqlat
				在按钮22被释放时处于中立位置的舵脚蹬杆2	中立	EqLat	EqLat

补偿值然后增加，只要按钮2被按下。这种增加对应于在在按钮被按下时的瞬时的舵脚蹬杆位置（EqLat）和舵脚蹬杆2的当前位置（IntLat）之间的差异。

一旦控制过程结束，舵脚蹬杆2便在已经正确地补偿了飞行员命令时被重新建立于中立位置中（无任何肌肉作用力）。航空器因此在舵脚蹬杆2上无任何肌肉作用力地被长时间地平衡。

应该注意：

-当补偿值（偏置RTS）达到它的极限（+/-100%）时，增加不再被加以考虑并且任何事情均如同飞行员已经释放按钮22（即使尚不是这种情形）并且舵脚蹬杆2的位置再次作用于飞行员命令那样发生；并且

-补偿增量（偏置RTS）仅当踏板被释放时才产生效果。当踏板2A、2B关于它们在按钮22已经被按下时的瞬时具有的位置被进一步压下时，补偿增量为零。

在这个第二实施例变型中，所述手动操作装置19B还能够包括例如类似于重新初始化按钮21的重新初始化按钮（未表示）以当它被操作时将补偿命令置于零值。

本发明还包括被应用于设置有自动引航系统（未示出）的航空器的具体实施例，该自动引航系统在非零舵命令下在偏航时通常使得航空器平衡。

在这种具体实施例中，系统1包括装置24，用于在先前地接合的所述自动引航系统脱离时将补偿值自动地初始化（经由链路25）为在其脱离之前由这种自动引航系统控制的舵脚蹬杆命令的值。

因为在自动引航系统脱离的瞬时，舵脚蹬杆2处于中立位置，所以获得了舵控制的连续性，从而进入如在以下表格中所示意的定律，其中OPA代表自动引航系统（在其脱离的瞬时）。

	舵脚蹬杆2的位置	偏置RTS	自动引航系统的命令	舵命令（定律输入）
					在自动引航系统脱离之前	中立	/	OPA	OPA
在自动引航系统脱离之后	中立	OPA	/	OPA

在本发明的领域中，当自动引航系统被接合时用手调节偏置RTS（非对称性补偿）能够在系统1上得到授权或者不被授权。在授权用手调节的具体实施例中，自动引航系统的命令被添加到用手控制的补偿以对定律输入给予舵控制。在此情形中，也通过偏置RTS值的重新调节确保了自动引航系统的脱离命令的连续性。

Claims

1.一种用于航空器的垂直舵控制系统，包括：

-被配置由所述航空器的飞行员致动的舵脚蹬杆；

-舵脚蹬杆位置检测单元，被配置用于检测舵脚蹬杆的位置并且产生相应于舵脚蹬杆位置的电控制信号；

-舵调平补偿产生器，用于产生舵调平补偿命令，将零作用力舵脚蹬杆位置设置为舵脚蹬杆中立位置，其中舵脚蹬杆补偿产生器基于产生的舵调平补偿命令产生辅助电信号，并且零作用力舵脚蹬杆位置是在其上以零肌肉引航作用力控制舵脚蹬杆的舵脚蹬杆位置；

-飞行控制计算器，被配置用于根据辅助电信号以及所述电控制信号计算用于垂直舵的舵控制命令，其中所述舵控制命令根据舵脚蹬杆位置和舵调平补偿命令的和被计算以保持零作用力舵脚蹬杆位置作为舵脚蹬杆的中立位置；以及

舵操作单元，被配置接收用于垂直舵的控制命令以及基于控制命令将垂直舵偏转一偏转值。

2.根据权利要求1所述的系统，

其中，所述舵调平补偿产生器被配置在所述航空器的发动机故障时确定舵调平补偿命令，其使得能够补偿由所述发动机产生的偏航力矩。

3.根据权利要求2所述的系统，

其中，所述舵调平补偿产生器包括用于检测发动机故障的发动机故障检测单元。

4.根据权利要求1所述的系统，

其中，所述舵调平补偿产生器包括允许飞行员控制舵调平补偿命令的手动操作控制器。

5.根据权利要求4所述的系统，

其中，所述手动操作控制器包括：

-被配置用手带至三个不同的位置中的旋转按钮，所述三个不同的位置即：

•第一极限位置（P2），对于该第一极限位置（P2），舵调平补偿命令的值逐渐地增加；

•第二极限位置（P1），对于该第二极限位置（P1），舵调平补偿命令的值逐渐地降低；和

•中立位置（P0），对于该中立位置（P0），舵调平补偿命令的值固定的；和

-重新初始化按钮（21），其被配置用于将舵调平补偿命令重置为零值。

6.根据权利要求4所述的系统，

其中，所述手动操作控制器包括控制按钮，当控制按钮保持按下并且先前被按下的舵脚蹬杆被释放时，用于与舵脚蹬杆的间隙变化成比例地增加舵调平补偿命令。

7.根据权利要求1的系统，

还包括初始化单元，用于提供初始化舵控制命令值，其中初始化舵控制命令值是基于在自动引航系统脱离时执行的舵控制命令。

8.一种航空器，

包括权利要求1所述的垂直舵控制系统。