運20

　　近期的一篇官媒文章中，提到了運20的機械飛控開發過程。這帶來了一個很有意思的問題：運20到底算電傳飛控飛機還是機械飛控飛機？

　　首先放結論：運20是非常純正的電傳飛控飛機，只是帶有備份用的機械飛控，不影響其核心技術特徵。無論是戰鬥機還是客貨機，實際上都有大量成功的先例設計。

　　一：到底什麼是機械飛控飛機？

　　除開矢量推力不談，飛機在天上的所有動作都是依靠各種氣動面的偏轉組合而實現的：

　　比如飛機要向左邊翻滾，那麼就需要左邊的升力比較小，右邊的比較升力大；這樣形成的升力差，才會驅使飛機側翻着往左邊倒扣過去。這就得針對性的改變飛機左右兩邊的氣動外形才行，各種氣動面的偏轉，核心目的就是實現對應的啟動外形改變。

　　而以最簡化的主流控制設計來說，這種效果的實現，就是依靠機翼的翼型變化完成的——更具體的說，是左邊的副翼往上偏（減小升力），右邊的副翼往下偏（增大升力）。

　　F15的翻滾機動，紅圈副翼，紅框水平尾翼。要注意的是，F15平尾也會通過不對稱偏轉，參與翻滾控制

　　飛行員在做這個動作的時候，他的主要操作是把操縱杆往左邊壓倒，或者把操縱盤向左邊偏轉。這個動作的信號，是通過什麼樣的聯繫方式傳遞給副翼的，才是決定飛控類型的關鍵所在——比如機械飛控，或者電傳飛控，又或者光傳飛控。　　

　　典型機械飛控構架　　

　　飛控連杆

　　所謂的機械飛控飛機，就是操縱杆/盤以及腳蹬的指令，會通過金屬杆（比如輕質的高強度空心鋁杆）或者鋼索這樣的機械結構傳遞——哪怕只是一部分。這是機械飛控最核心、最根本的特徵。

　　二：機械飛控是怎麼進化成電傳飛控的？

　　實際上隨着飛機的飛行高度和速度在不斷增大，從很早的年代開始，機械飛控的信號通道就不是純粹的機械結構了，而是引入了大量的電子電氣部件，結合速度、高度、飛機自身運動趨勢、飛行指令等等，對飛行過程進行輔助性的干預和修正，提升飛機的飛行穩定性和可控制性。

　　F15飛控核心架構

　　上圖是F15的機械飛控原理，分別展示俯仰、橫滾、偏航（方向舵）操作。紅色標註是筆者早年研究F15飛控時做的注釋，因為其中有部分存疑，且已沒有精力勘誤，不再放出。注意F15飛控同時採用了金屬連杆與鋼索，屬於軟硬混合式構架。

　　後來高速、中大型飛機的機械飛控，幾乎都是機械與電子電氣控制的結合設計——比如F-15就是典型。不然飛機在天上總是不斷搖擺跌盪的話，飛行員縱使能穩住飛機，也沒精力干別的事情了。這類飛機中，整個氣動面偏轉幅度中，往往有15-25%（不同型號不同情況下並不一致）比例的權限被電子電氣系統所占據。　　

　　F16電傳飛控

　　隨着飛控中的電子電氣部分性能不斷強化，以至於最終反客為主，權限達到100%；徹底取消金屬連杆/鋼索，使得飛行員與氣動面之間完全不存在機械形式的聯繫以後，就形成了今天的電傳飛控系統。

　　三：有機械飛控備份，不等於就是機械飛控飛機

　　對於一架飛機來說，通常談及的它的飛控類型，是以其最主要、也是絕大多情況下使用的系統來定義的。在正常飛行過程中，機械飛控不參與飛機的控制，除了自重、占據身內空間（最終也要轉化成飛機結構重量和阻力的增大）等因素帶來的飛行性能降低之外，對飛行無其它影響。　　

　　有機械飛控備份

　　比如美軍F18系列戰機，就是數字電傳飛控為主，但是保留了YF17原始設計上的機械飛控作為備份，後來一直到放大成重型機的F18EF平台上才被取消。而在大型飛機上，無論軍民用飛機，機械飛控備份設計都不少見。

　　比如從至今仍然是全球最先進軍用運輸機的C17，比如雖然已稱不上最先進、但依然是技術非常領先的波音777，都具備機械飛控備份。

　　四：運20採用機械飛控備份的核心理念：非相似原則，安全性優先於性能和成本

　　運20採用機械飛控備份的核心理念，是刻意形成主系統和應急備份系統的差異性；尤其是硬件上、基本原理上的差異。這種非相似設計，可以把發生以下情況的幾率降低到最小：由於設計、或者產品質量缺陷，出現一個毛病發作就導致所有系統全部崩潰失能的災難性局面。　　

　　運10是參照仿製的產品，飛控上參照藍本設計

　　運20是中國第一次獨立開發大型運輸機，其氣動布局本身雖然是典型的世界主流成熟設計，控制思路也很明確；但是在具體的工程問題上，由於國內的經驗欠缺，依然存在一定的不確定因素。在這種背景下，運20設計團隊將極端情況下的安全性放置在首位，是完全可以理解的。

　　五：機械飛控對運20最大的影響：只能用盤式操作

　　機械飛控本身分為硬式（金屬連杆為主）和軟式（鋼索為主）。運20這樣的大型飛機由於尺寸太大，只能採用軟式飛控；由操縱盤通過拉動鋼索將操縱信號傳遞到氣動面上。它的特點是操縱力很大，但是反應較慢，精確性較低。而機械飛控的戰鬥機則相反，由駕駛杆通過拉杆進行硬式傳動，操縱力小、反應快，精確性高。

　　用側杆肯定是電傳飛機，但不用側杆也未必就不是電傳飛機

　　只針對電傳飛控來說，由於只需要給出電信號，因此大飛機用駕駛杆還是方向盤都沒有技術上的問題。但是運20由於保留了軟式機械飛控，因此就必須採用操縱盤設計，而不能像空客的電傳客機那樣，使用戰鬥機式的側杆。　　

　　運20展出的盤式操縱設計

　　但對於大飛機來說，這點缺陷並不算嚴重——特別是考慮使用和訓練習慣。比如波音787已經沒有機械飛控備份，但是為了減小操縱差異，降低飛行員培訓成本，依舊選擇了操縱盤——這樣以前飛777等機型的飛行員轉飛787要容易的多，培訓省時間省錢。

　　結語：

　　運20採用機械飛控備份，是一個不求最好，但求避免最壞的設計；雖然它花了很多錢，但這個設計這輩子都派不上用場，才是最好的事情。隨着技術的成熟和發展，中國的下一代運輸機，取消機械飛控備份，解放飛機性能，將會是順理成章的事情。