飞行器的操纵系统和仪表

有人驾驶的飞行器在飞行时，驾驶员（或驾驶机组）和飞行器组成一个“人机系统”进行工作。其中“人”和“飞行器”均为组成整个系统的分系统，飞行器的仪表设备和操纵装置，即成为这两个分系统的主要交界面。飞行器通过仪表设备向驾驶员传递有关状态的信息，而驾驶员则通过操纵装置发出干预飞行器飞行运动的指令。因接受或发送信息的一方是“人”，故仪表设备和操纵装置的设计都应符合飞行人员生理及心理活动特点。在航空事业发展的初期阶段，这些问题多由设计者凭直觉经验解决。本世纪中叶以后，由于飞机仪表数量逐渐增多，操纵负担日益加重，如何由人机系统最优设计角度进行合理设计的问题乃引起重视。
飞行器的操纵系统 飞行器在飞行中可有六个运动自由度。其中三个是“转动自由度”，即改变俯仰角、偏航角和滚转角；三个是“移动自由度”，即前后、侧向、升降移动。对常规定翼飞机来说，驾驶员通过操纵装置控制的只有四个自由度，即三个转动和一个前进速度；至于飞机的升降和侧移运动，则需通过改变俯仰角和偏航角间接完成(见图1)。

俯仰力短
图1 常规定翼机在飞行中的四个运动自由度及其操纵方式
人主要用手、脚操纵机械。脚所能输出的操纵力比手大。例如，对运输机类的操纵系统来说，驾驶员取坐姿用单手作持续性推拉动作可以发出约4.5kg的力，但单脚作前蹬动作则可以发出约大1倍的力。作瞬时操纵动作时，手和脚发出的力可比持续性操纵动作时大7～8倍。但手操纵反应迅速，动作精确。针对这些特点，随着飞行实践经验的积累，形成了被普遍接受的操纵分工：飞机的姿态（俯仰与滚转坡度）因对飞行安全有更重要的意义，应该用手操纵控制；对飞行方向操纵的精度要求较低，可由脚操纵控制。
常规定翼机的操纵系统分为主操纵和辅助操纵系统两类。前者指升降舵、方向舵和副翼三个主要操纵面的操纵，它是由驾驶员通过驾驶杆（盘）、脚蹬来操纵，经传动机构传至各操纵面。后者则指调整片、增举装置和水平安定面等的操纵。飞行中的操纵应准确、及时，因此要求操纵方式符合人的直观反应而不需作过多思考。在常规定翼机上控制飞机俯仰姿态及滚转坡度的操纵方式主要有二：
❶在单座飞机上，多由驾驶员右手握驾驶杆，按“驾驶杆‘长’在飞机上”的原则操纵，即向前推杆使飞机低头，向后拉杆使飞机抬头，向一侧压杆使该侧机翼向下、另一侧机翼抬起。
❷在较大的飞机上多用驾驶盘代替驾驶杆，其操纵原则相似：向前推盘相当于推杆，使机头向下；向后拉盘相当于拉杆，使机头抬起； 向一侧转动驾驶盘，则相当于向一侧压杆，使该侧机翼下沉。飞行方向的控制则通过脚蹬操纵来完成，其操纵原则是：飞机向蹬出的一侧转弯。飞机动力装置的推力（或功率）则通过油门杆控制。在单座飞机上，驾驶员用右手握驾驶杆，左手握油门杆；在并列双驾驶座的飞机上，则多将油门杆设置在两个驾驶员的中间。其操纵原则可记为： 油门杆和驾驶杆的加速方向一致，都是向前推使飞行器加速，向后拉使飞行器减速。直升机的操纵方式基本类似，但将油门操纵和主桨的总矩操纵结合为左手控制的总矩杆，作上下方向运动。向上提时主桨总矩加大，同时发动机功率增加，使直升机上升；反之，向下压使直升机下降。在保持总矩不变情况下的油门微调，则靠旋转总矩杆来实现。近代飞行器的操纵系统正沿以下几个重要方向演进。
操纵项目的增减 六十年代以来，陆续出现了一些功能和工作方式不同的飞行器，操纵项目也相应有所改变，并提出了一些新的工程心理学的问题。例如，在变后掠机翼飞机，除常规舵面操纵之外，增加了对机翼后掠角的操纵项目；在随控布局飞机上，增加了飞机侧移和浮沉的操纵，即驾驶员对飞机在六个自由度上的运动都可直接操纵。又如在垂直起落飞机、航天飞机、人力飞机等特种飞机，均须针对新的操纵项目对传统操纵方式作某些调整或重新设计。
助力操纵 随着飞机飞行速度的增加，或飞机尺寸吨位的加大，作用在飞机舵面上的空气动力载荷也相应增加，已不能单凭人力扳动舵面操纵飞机，而必须利用其它能源偏转舵面，称“助力操纵”。其中，利用外界气流空气动力，通过操纵调整片来偏转舵面者，称“气动助力”；利用机内液压源者，称“液压助力”； 利用电机来驱动舵面者，称“电动助力”。对飞机主操纵系统的舵面(包括升降舵、方向舵、副翼)的操纵属“伺服操纵”。在这类操纵中，需向驾驶员输入有关操纵的反馈信息，使之得以判断所给出操纵动作的适当程度。在“可逆式助力操纵系统”中，舵面偏转后气动载荷的变化有一部分反馈到驾驶杆及脚蹬上。在“不可逆式助力操纵系统”中，驾驶员已完全感受不到舵面传来的操纵力，需要增加“人工感觉系统”来模拟舵面偏转造成的操纵力变化。
操纵自动化 四十年代，一些远航程飞行的飞机(如运输机、轰炸机)开始采用自动驾驶仪，一般用于保持在指定状态下的飞行。七十年代，由于电子技术的迅速发展，飞机操纵自动化程度大为提高。大型飞机巳将需由驾驶员干预的飞行操纵动作减至极低程度，飞行过程中大部份时间内飞机均由自动装置操纵飞行，驾驶员只起监控保险作用。七十年代末，对飞行过程中最需由驾驶员照料的着陆动作，已可在全无目视能见度的气象条件下由自动系统完成。对于军用飞机，也提出了“围绕电子设备设计飞机”的概念。
电传操纵 在助力操纵系统，驾驶舱与舵面之间仍保留机械传动系统，仅用助力能源加大操纵力。在电传操纵系统，则由驾驶员转动电位计，通过控制电流变化来操纵舵面。这时驾驶舱与舵面之间仅靠电缆连接，无论操纵力或操纵位移都不是直接传递。这类系统用电子计算机处理操纵信息，适用于性能包线很大的飞机。因同一架飞机在亚音速、跨音速、超音速范围内的操纵特性可能有很大差异，而采用这种系统后，不论其操纵特性如何改变，驾驶员均可按同一规律操纵，经电子计算机处理后按不同速度范围发出操纵指令。电传操纵系统也适用于随控布局的飞机。目前已有少数几种飞机采用了电传操纵。
光传操纵 电传操纵的飞机如遇雷击，其电气及电子装置可能失效，使飞机失去操纵。由电传操纵发展而来的光传操纵技术是用光导纤维传递驾驶员发向舵面的操纵信息，可减少雷击造成操纵系统失效的可能性。
遥控飞机 六十年代以前出现的无人驾驶飞机，主要由自动驾驶仪根据预先输入的程序飞行，因此应用范围有限。六十年代研制成功的遥控飞机则由远处的驾驶员(在地面、船舰或其它飞机上的操纵台上)通过遥控信息操纵飞机。这种遥控操纵也对工程心理学等提出了许多需要研究的新课题。
飞行器的仪表装置 第一次世界大战结束时，飞机上开始装备了空速表、高度表、磁罗盘等。到三十年代末，飞机上开始装备基本的“盲目”飞行仪表。这些都属机械类型仪表。后来又发展了电气仪表和综合自动仪表。现代飞行器所装置的仪表有两大类。一类用于指示飞行器与外界环境的关系，如高度、速度、方位、姿态、距离等，通称“航行仪表”，或称“驾驶导航仪表”。另一类则用于指示飞行器内部状态，如油量、发动机工作状态、各系统工作情况等。实际飞行中，驾驶员的注意力主要分配于地平仪（指示飞机的姿态）、空速表、升降速度表、高度表及航向仪，故通常即将这五只仪表集中安排在驾驶员正前方仪表板的最突出位置上。指示飞行器内部状态的仪表，数量很多，只在工作不正常时才需频繁读取其数据。数码式仪表虽然便于判读数据，但是由于只显示离散的数字信息，对于检查工作状态是否正常则不如有标尺和指针的仪表所显示之几何图象直观。钟表式圆盘仪表由于在两种使用情况下都有较好效果，因此是航空仪表广泛采用的传统形式。随着飞行器仪表数量的日益增多 （大型客机上的仪表甚至上百种），仪表的显示形式也需要改进。近代航空仪表正沿以下几个方向演进：
形象化显示 人工地平仪即是一例。此类仪表借助表中一架小飞机模型与人工地平线的关系显示真实飞机与地平线的关系，直观地表达飞机的姿态，从而减少了驾驶员判读仪表的时间和误差。其它如无线电方向指示和罗盘方位仪结合的方向显示、地图显示、进场下滑显示等，也都是这种显示形式的发展。在装有机载计算机和数字信息系统的大型飞机上，也可由机组人员选择，随时将各系统的原理图及各关键部位的工作情况显示在荧光屏上，以迅速判明情况。
综合显示 将有关信息按一定关系综合集中显示，可以省去逐个判读仪表的时间，加快读表者的反应。图2表明对四台发动机温度用综合显示与用四个圆盘仪表分别显示的比较。使用这一原则，可以对飞机的仪表板进行成组化整体设计，使传统的仪表板变得简明清晰。

图2 带式综合显示与圆盘仪表的比较

图3 平视显示

1.速度刻度 2.地平线 3.航向 4. 迎角5.小飞机符号 6.着陆指引 7. 高度刻度 8.升降速度 9.俯仰角

平视显示 这是为了解决驾驶员需要频繁地将视线作舱内、舱外转换的困难而发展起来的显示技术。其原理是将必要的仪表信息显示在正前方风档玻璃的位置上，使驾驶员在观察外界景物的同时可以看到仪表信息。这种显示原理最早用于机炮瞄准具，即将瞄准光环和目标同时置于驾驶员前方视界内。七十年代以来，平视显示技术发展很快，已可将高度、速度、航向、姿态、甚至指令等形象地显示在驾驶员前方风档玻璃的位置上。近年又研制成功衍射平视仪，使用全息摄影原理扩大视野和提高叠加到驾驶员看到的外景上的字符亮度，能显示夜间或低能见度下对地攻击用的微光电视或前视红外图像。此外，目前正在发展中的头盔目视系统则是一种安装在头盔上的目视探测、控制和显示系统。发展中遇到不少视觉生理和工程心理问题。