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摘要：针对采用自动控制加机械备份操纵的直升机发动机控制系统，以某型机为例，提出一种发动机机械备份操纵设计方法，对机械备份操纵线系中相关指标参数的确定提供方法参考。
关键词：直升机；发动机；机械备份操纵
引言
发动机控制系统的主要功能是控制发动机的功率和状态满足直升机的需求，世界上直升机发动机控制系统经过了机械液压式控制系统、电气机械式控制系统、电子机械式控制系统、带有机械备份的单通道全权限数字式电子控制系统、双通道全权限数字式电子控制系统等发展历程[1]。
我国早期的直升机发动机控制系统均采用机械液压式控制系统。随着世界直升机技术发展需要，逐渐出现采用电气机械式、电子机械式调节器参与发动机少数功能的控制。而目前我国直8型、直9型、直11型直升机换装的国外发动机，控制系统大多采用带有机械备份操纵的全功能数字式电子控制系统。这种控制系统不仅包含最先进的全功能数字式电子控制器，还配有在电子控制器（简称电调）万一失效情况下使用的机械备份操纵系统[2]。本文以此类直升机发动机控制系统为研究对象，提出一种发动机机械备份操纵设计方法。
1机械备份式发动机控制系统综述
1. 1机械备份式发动机控制系统的工作模式
机械备份式发动机控制系统采用电调自动控制和机械备份油门操纵，即发动机控制系统在正常工作情况下，通过电调控制发动机功率，满足直升机的需用功率要求，由飞行员操纵功率状态选择开关（PMS开关）控制发动机。当电调输出任何关键故障信号，或因为特殊情况（如旋翼刹车、飞行员训练）有意切换到手动模式，采用机械备份油门操纵系统，由飞行员操纵油门杆继续实施对发动机的控制[3]。
1. 2机械备份式发动机控制系统的控制原理
机械备份式动机控制系统有三种控制模式：自动模式、手动模式和混合模式。以下主要以各模式在发动机机械备份接口上对应的位置及各自的控制特性进行简要介绍：
1）自动控制模式
自动控制模式下发动机机械备份接口处的拉杆需固定在中间位置（如图1）[4]，电调依据计量油针位置传感器的信号自动调节步进电机，驱动计量油针运动。当电调要求燃油流量增加或减少时，步进电机旋转，通过齿轮、齿条、连杆机构使油针前后移动，直到传感器反馈的计量油针位置信号符合电调的要求。
为了保证自动控制模式电调的全权限控制，机械操纵机构必须使发动机机械备份接口处的拉杆固定在中间位置，电调通过控制步进电机必须能控制计量活门得到最小和最大燃油流量。
2）手动控制模式
当电调发生总故障或因为特殊情况转换到手动模式时，电调失去对步进电机的控制，步进电机锁定在电调最后控制的位置，这时通过移动发动机机械备份接口处的拉杆控制燃油流量（如图1）。
若需要起动发动机或增大输出功率，手动控制往“+”向移动，直至达到最大燃油流量位置。
若需要减小发动机输出功率，手动控制则往“一”向移动减少燃油流量，关闭发动机需达到停车位置。
3）混合控制模式
如果发动机在自动模式下正常工作，手动控制的机械操纵机构离开中立位置，电调会迅速控制步进电机推动计量油针移动，补偿机械操纵机构的移动，直到步进电机达到它的机械止点。
如果步进电机达到机械止点后，手动控制还继续移动，则不能再得到补偿，这时手动控制可以操纵计量油针达到最小和最大燃油流量。
2发动机机械备份操纵设计
机械备份操纵设计主要实现油门手柄在操纵台规定的行程上能对发动机进行相应的操作（如图2）。其核心在于根据发动机机械备份接口要求的最大燃油流量位置、中间位置、防熄火位置、停车位置通过机械线系转换到操纵台对应的位置。
一套完整的机械备份操纵系统包括：操纵线系、操纵台及油门手柄。此种发动机机械备份操纵设计方法基本思路为：机械线系设计一定的传动比将发动机机械备份接口要求的行程进行缩比（或扩展），并向操纵台传递行程变化。操纵台设计为弧形，油门手柄任意一端或轴心通过操纵台弧形中心，油门手柄接收机械线系传递的行程变化，在操纵台上运动相应的线行程。原理示意图见图2。
基于以上，分别从操纵线系、弧形操纵台及油门手柄的设计进行讨论。
2. 1机械线系设计
机械线系设计方案一般有两种：硬式和软式操纵。硬式操纵是一种由拉杆、摇臂连结起来传递操纵的形式。它的安装空间大，重量重，且安装调整较复杂。软式操纵线系由钢索滑轮式或球型操纵钢索等组成，软式操纵主要由球型操纵钢索实现，球形操纵钢索为滚珠管道式，由五根钢片条及两排滚珠和一个防护套组成，运动件为一可在护套中运动的钢片条。线系顺着钢片条的方向可弯曲。它具有安装空间小、重量轻、摩擦力小、操纵灵敏、便于安装调整等优点。此种设计方法选用软式操纵，以下对机械线系设计进行具体说明。
以某型机为例，发动机机械备份接口为一个带有齿形且与燃油流量调节凸轮咬合的拉杆
（如图1），拉杆向前增加油门，拉杆向后减小油门，向前、向后的各个尺寸要求对应最大燃油流量位、防熄火燃油流量位及燃油流量为零位。一般情况下，从最大燃油流量位到燃油流量为零位总行程不大，例如某型机约为50mm。发动机要在50mm齿形行程内实现从功率为零到功率最大，单位长度上燃油流量变化率大，可能導致发动机难以控制，会造成发动机超温。机械线系中各参数确定方法如下。
设发动机机械备份操纵接口最大燃油流量位到燃油流量为零位行程长度为L，传动比为
α，凸轮半径为r，油门手柄操纵行程角度为θ，则θ=180αL/πr，θ是一个重要参数，此参数需考虑飞行员手臂可活动的范围[5]，θ在100～ 120°内合适，以下举例说明如何选择，r最优。
从图3可得，在L为50mm，α选0.6、 0.7、 0.8、1.2、 1.3， r选10mm、20mm、30mm、35mm的情况下，图中两条红色点划线之间各参数值满足θ在100～120°。可根据此方法对机械线系各设计参数进行优选。
3油门手柄旋转角度随α、r的变化示意图
2. 2弧形操纵台及油门手柄设计
弧形操纵台设计中主要确定发动机机械备份接口要求的油门最大位、油门中立位、防熄
火位、停车位在弧形操纵台上对应的位置以及弧形操纵台的半径，弧形操纵台的半径可结合
驾驶舱内布置要求对弧形操纵台半径进行确定，操作台半径越大，油门手柄操纵行程越大。
油门最大和停车在机械线系设计中已确定，即θ值已确定，θ=0为停车位置，θmax为油门最大位。熄火位可根据发动机机械备份接口拉杆从停车位置到熄火位的行程由θ=180 α L/πr计算，同理，中间位置可根据发动机机械备份接口拉杆从停车位置到熄火位置的行程由θ=180αL/πr计算。因发动机自动控制时，油门手柄需常处于中间位置，故中间位置需设置卡槽，以防在发动机自动控制时，油门手柄前后窜动。同时需在油门操纵行程上设计防熄火位置提示，以提示飞行员继续后拉油门可能造成发动机熄火。弧形操纵台上应明显标识最大位置、中间位置、防熄火位置、停车位置。
油门手柄的长度应符合人机功效，同时结合驾驶舱布局设置。油门手柄应具备一定的预
紧力，不因机上振动从一个位置移动到另一个位置。
3结论
本文针对采用自动控制加机械备份操纵的直升机发动机控制系统，提出一种发动机机械
备份油门操纵的设计方法，对油门操纵线系中相关指标参数确定提供方法参考。
参考文献
[1]方昌德.世界航空发动机手册.北京，航空工业出版社，1996
[2]晏莹.发动机操纵系统优化设计研究[D].西安：西北工業大学，2006.
[3]某型机培训手册
[4]某型机发动机安装手册
[5]李瑞，飞机座舱操纵装置空间布局优化设计，北京，系统仿真学报，2004 16 （6）
关键词：直升机；发动机；机械备份操纵
引言
发动机控制系统的主要功能是控制发动机的功率和状态满足直升机的需求，世界上直升机发动机控制系统经过了机械液压式控制系统、电气机械式控制系统、电子机械式控制系统、带有机械备份的单通道全权限数字式电子控制系统、双通道全权限数字式电子控制系统等发展历程[1]。
我国早期的直升机发动机控制系统均采用机械液压式控制系统。随着世界直升机技术发展需要，逐渐出现采用电气机械式、电子机械式调节器参与发动机少数功能的控制。而目前我国直8型、直9型、直11型直升机换装的国外发动机，控制系统大多采用带有机械备份操纵的全功能数字式电子控制系统。这种控制系统不仅包含最先进的全功能数字式电子控制器，还配有在电子控制器（简称电调）万一失效情况下使用的机械备份操纵系统[2]。本文以此类直升机发动机控制系统为研究对象，提出一种发动机机械备份操纵设计方法。
1机械备份式发动机控制系统综述
1. 1机械备份式发动机控制系统的工作模式
机械备份式发动机控制系统采用电调自动控制和机械备份油门操纵，即发动机控制系统在正常工作情况下，通过电调控制发动机功率，满足直升机的需用功率要求，由飞行员操纵功率状态选择开关（PMS开关）控制发动机。当电调输出任何关键故障信号，或因为特殊情况（如旋翼刹车、飞行员训练）有意切换到手动模式，采用机械备份油门操纵系统，由飞行员操纵油门杆继续实施对发动机的控制[3]。
1. 2机械备份式发动机控制系统的控制原理
机械备份式动机控制系统有三种控制模式：自动模式、手动模式和混合模式。以下主要以各模式在发动机机械备份接口上对应的位置及各自的控制特性进行简要介绍：
1）自动控制模式
自动控制模式下发动机机械备份接口处的拉杆需固定在中间位置（如图1）[4]，电调依据计量油针位置传感器的信号自动调节步进电机，驱动计量油针运动。当电调要求燃油流量增加或减少时，步进电机旋转，通过齿轮、齿条、连杆机构使油针前后移动，直到传感器反馈的计量油针位置信号符合电调的要求。
为了保证自动控制模式电调的全权限控制，机械操纵机构必须使发动机机械备份接口处的拉杆固定在中间位置，电调通过控制步进电机必须能控制计量活门得到最小和最大燃油流量。
2）手动控制模式
当电调发生总故障或因为特殊情况转换到手动模式时，电调失去对步进电机的控制，步进电机锁定在电调最后控制的位置，这时通过移动发动机机械备份接口处的拉杆控制燃油流量（如图1）。
若需要起动发动机或增大输出功率，手动控制往“+”向移动，直至达到最大燃油流量位置。
若需要减小发动机输出功率，手动控制则往“一”向移动减少燃油流量，关闭发动机需达到停车位置。
3）混合控制模式
如果发动机在自动模式下正常工作，手动控制的机械操纵机构离开中立位置，电调会迅速控制步进电机推动计量油针移动，补偿机械操纵机构的移动，直到步进电机达到它的机械止点。
如果步进电机达到机械止点后，手动控制还继续移动，则不能再得到补偿，这时手动控制可以操纵计量油针达到最小和最大燃油流量。
2发动机机械备份操纵设计
机械备份操纵设计主要实现油门手柄在操纵台规定的行程上能对发动机进行相应的操作（如图2）。其核心在于根据发动机机械备份接口要求的最大燃油流量位置、中间位置、防熄火位置、停车位置通过机械线系转换到操纵台对应的位置。
一套完整的机械备份操纵系统包括：操纵线系、操纵台及油门手柄。此种发动机机械备份操纵设计方法基本思路为：机械线系设计一定的传动比将发动机机械备份接口要求的行程进行缩比（或扩展），并向操纵台传递行程变化。操纵台设计为弧形，油门手柄任意一端或轴心通过操纵台弧形中心，油门手柄接收机械线系传递的行程变化，在操纵台上运动相应的线行程。原理示意图见图2。
基于以上，分别从操纵线系、弧形操纵台及油门手柄的设计进行讨论。
2. 1机械线系设计
机械线系设计方案一般有两种：硬式和软式操纵。硬式操纵是一种由拉杆、摇臂连结起来传递操纵的形式。它的安装空间大，重量重，且安装调整较复杂。软式操纵线系由钢索滑轮式或球型操纵钢索等组成，软式操纵主要由球型操纵钢索实现，球形操纵钢索为滚珠管道式，由五根钢片条及两排滚珠和一个防护套组成，运动件为一可在护套中运动的钢片条。线系顺着钢片条的方向可弯曲。它具有安装空间小、重量轻、摩擦力小、操纵灵敏、便于安装调整等优点。此种设计方法选用软式操纵，以下对机械线系设计进行具体说明。
以某型机为例，发动机机械备份接口为一个带有齿形且与燃油流量调节凸轮咬合的拉杆
（如图1），拉杆向前增加油门，拉杆向后减小油门，向前、向后的各个尺寸要求对应最大燃油流量位、防熄火燃油流量位及燃油流量为零位。一般情况下，从最大燃油流量位到燃油流量为零位总行程不大，例如某型机约为50mm。发动机要在50mm齿形行程内实现从功率为零到功率最大，单位长度上燃油流量变化率大，可能導致发动机难以控制，会造成发动机超温。机械线系中各参数确定方法如下。
设发动机机械备份操纵接口最大燃油流量位到燃油流量为零位行程长度为L，传动比为
α，凸轮半径为r，油门手柄操纵行程角度为θ，则θ=180αL/πr，θ是一个重要参数，此参数需考虑飞行员手臂可活动的范围[5]，θ在100～ 120°内合适，以下举例说明如何选择，r最优。
从图3可得，在L为50mm，α选0.6、 0.7、 0.8、1.2、 1.3， r选10mm、20mm、30mm、35mm的情况下，图中两条红色点划线之间各参数值满足θ在100～120°。可根据此方法对机械线系各设计参数进行优选。
3油门手柄旋转角度随α、r的变化示意图
2. 2弧形操纵台及油门手柄设计
弧形操纵台设计中主要确定发动机机械备份接口要求的油门最大位、油门中立位、防熄
火位、停车位在弧形操纵台上对应的位置以及弧形操纵台的半径，弧形操纵台的半径可结合
驾驶舱内布置要求对弧形操纵台半径进行确定，操作台半径越大，油门手柄操纵行程越大。
油门最大和停车在机械线系设计中已确定，即θ值已确定，θ=0为停车位置，θmax为油门最大位。熄火位可根据发动机机械备份接口拉杆从停车位置到熄火位的行程由θ=180 α L/πr计算，同理，中间位置可根据发动机机械备份接口拉杆从停车位置到熄火位置的行程由θ=180αL/πr计算。因发动机自动控制时，油门手柄需常处于中间位置，故中间位置需设置卡槽，以防在发动机自动控制时，油门手柄前后窜动。同时需在油门操纵行程上设计防熄火位置提示，以提示飞行员继续后拉油门可能造成发动机熄火。弧形操纵台上应明显标识最大位置、中间位置、防熄火位置、停车位置。
油门手柄的长度应符合人机功效，同时结合驾驶舱布局设置。油门手柄应具备一定的预
紧力，不因机上振动从一个位置移动到另一个位置。
3结论
本文针对采用自动控制加机械备份操纵的直升机发动机控制系统，提出一种发动机机械
备份油门操纵的设计方法，对油门操纵线系中相关指标参数确定提供方法参考。
参考文献
[1]方昌德.世界航空发动机手册.北京，航空工业出版社，1996
[2]晏莹.发动机操纵系统优化设计研究[D].西安：西北工業大学，2006.
[3]某型机培训手册
[4]某型机发动机安装手册
[5]李瑞，飞机座舱操纵装置空间布局优化设计，北京，系统仿真学报，2004 16 （6）