运20

　　近期的一篇官媒文章中，提到了运20的机械飞控开发过程。这带来了一个很有意思的问题：运20到底算电传飞控飞机还是机械飞控飞机？

　　首先放结论：运20是非常纯正的电传飞控飞机，只是带有备份用的机械飞控，不影响其核心技术特征。无论是战斗机还是客货机，实际上都有大量成功的先例设计。

　　一：到底什么是机械飞控飞机？

　　除开矢量推力不谈，飞机在天上的所有动作都是依靠各种气动面的偏转组合而实现的：

　　比如飞机要向左边翻滚，那么就需要左边的升力比较小，右边的比较升力大；这样形成的升力差，才会驱使飞机侧翻着往左边倒扣过去。这就得针对性的改变飞机左右两边的气动外形才行，各种气动面的偏转，核心目的就是实现对应的启动外形改变。

　　而以最简化的主流控制设计来说，这种效果的实现，就是依靠机翼的翼型变化完成的——更具体的说，是左边的副翼往上偏（减小升力），右边的副翼往下偏（增大升力）。

　　F15的翻滚机动，红圈副翼，红框水平尾翼。要注意的是，F15平尾也会通过不对称偏转，参与翻滚控制

　　飞行员在做这个动作的时候，他的主要操作是把操纵杆往左边压倒，或者把操纵盘向左边偏转。这个动作的信号，是通过什么样的联系方式传递给副翼的，才是决定飞控类型的关键所在——比如机械飞控，或者电传飞控，又或者光传飞控。　　

　　典型机械飞控构架　　

　　飞控连杆

　　所谓的机械飞控飞机，就是操纵杆/盘以及脚蹬的指令，会通过金属杆（比如轻质的高强度空心铝杆）或者钢索这样的机械结构传递——哪怕只是一部分。这是机械飞控最核心、最根本的特征。

　　二：机械飞控是怎么进化成电传飞控的？

　　实际上随着飞机的飞行高度和速度在不断增大，从很早的年代开始，机械飞控的信号通道就不是纯粹的机械结构了，而是引入了大量的电子电气部件，结合速度、高度、飞机自身运动趋势、飞行指令等等，对飞行过程进行辅助性的干预和修正，提升飞机的飞行稳定性和可控制性。

　　F15飞控核心架构

　　上图是F15的机械飞控原理，分别展示俯仰、横滚、偏航（方向舵）操作。红色标注是笔者早年研究F15飞控时做的注释，因为其中有部分存疑，且已没有精力勘误，不再放出。注意F15飞控同时采用了金属连杆与钢索，属于软硬混合式构架。

　　后来高速、中大型飞机的机械飞控，几乎都是机械与电子电气控制的结合设计——比如F-15就是典型。不然飞机在天上总是不断摇摆跌荡的话，飞行员纵使能稳住飞机，也没精力干别的事情了。这类飞机中，整个气动面偏转幅度中，往往有15-25%（不同型号不同情况下并不一致）比例的权限被电子电气系统所占据。　　

　　F16电传飞控

　　随着飞控中的电子电气部分性能不断强化，以至于最终反客为主，权限达到100%；彻底取消金属连杆/钢索，使得飞行员与气动面之间完全不存在机械形式的联系以后，就形成了今天的电传飞控系统。

　　三：有机械飞控备份，不等于就是机械飞控飞机

　　对于一架飞机来说，通常谈及的它的飞控类型，是以其最主要、也是绝大多情况下使用的系统来定义的。在正常飞行过程中，机械飞控不参与飞机的控制，除了自重、占据身内空间（最终也要转化成飞机结构重量和阻力的增大）等因素带来的飞行性能降低之外，对飞行无其它影响。　　

　　有机械飞控备份

　　比如美军F18系列战机，就是数字电传飞控为主，但是保留了YF17原始设计上的机械飞控作为备份，后来一直到放大成重型机的F18EF平台上才被取消。而在大型飞机上，无论军民用飞机，机械飞控备份设计都不少见。

　　比如从至今仍然是全球最先进军用运输机的C17，比如虽然已称不上最先进、但依然是技术非常领先的波音777，都具备机械飞控备份。

　　四：运20采用机械飞控备份的核心理念：非相似原则，安全性优先于性能和成本

　　运20采用机械飞控备份的核心理念，是刻意形成主系统和应急备份系统的差异性；尤其是硬件上、基本原理上的差异。这种非相似设计，可以把发生以下情况的几率降低到最小：由于设计、或者产品质量缺陷，出现一个毛病发作就导致所有系统全部崩溃失能的灾难性局面。　　

　　运10是参照仿制的产品，飞控上参照蓝本设计

　　运20是中国第一次独立开发大型运输机，其气动布局本身虽然是典型的世界主流成熟设计，控制思路也很明确；但是在具体的工程问题上，由于国内的经验欠缺，依然存在一定的不确定因素。在这种背景下，运20设计团队将极端情况下的安全性放置在首位，是完全可以理解的。

　　五：机械飞控对运20最大的影响：只能用盘式操作

　　机械飞控本身分为硬式（金属连杆为主）和软式（钢索为主）。运20这样的大型飞机由于尺寸太大，只能采用软式飞控；由操纵盘通过拉动钢索将操纵信号传递到气动面上。它的特点是操纵力很大，但是反应较慢，精确性较低。而机械飞控的战斗机则相反，由驾驶杆通过拉杆进行硬式传动，操纵力小、反应快，精确性高。

　　用侧杆肯定是电传飞机，但不用侧杆也未必就不是电传飞机

　　只针对电传飞控来说，由于只需要给出电信号，因此大飞机用驾驶杆还是方向盘都没有技术上的问题。但是运20由于保留了软式机械飞控，因此就必须采用操纵盘设计，而不能像空客的电传客机那样，使用战斗机式的侧杆。　　

　　运20展出的盘式操纵设计

　　但对于大飞机来说，这点缺陷并不算严重——特别是考虑使用和训练习惯。比如波音787已经没有机械飞控备份，但是为了减小操纵差异，降低飞行员培训成本，依旧选择了操纵盘——这样以前飞777等机型的飞行员转飞787要容易的多，培训省时间省钱。

　　结语：

　　运20采用机械飞控备份，是一个不求最好，但求避免最坏的设计；虽然它花了很多钱，但这个设计这辈子都派不上用场，才是最好的事情。随着技术的成熟和发展，中国的下一代运输机，取消机械飞控备份，解放飞机性能，将会是顺理成章的事情。