对F-16C飞控系统中各子模块的简单说明

lkyfly0531

1.ARI：（如有错误敬请指出哈～）

ARI就是Aileron–Rudder Interconnect（副翼-方向舵交联）。下图为偏航力矩系数曲线，反映了完全偏转的副翼（带动差动平尾，一般偏转角度是副翼的0.25倍）和方向舵在不同AOA下对飞机产生的偏航力矩的大小，代表了副翼和方向舵的偏航操纵效能，数值越大操纵效能越高。由下图中的Effect of Ailerons曲线可见，副翼的偏转也会产生偏航力矩。为避免在滚转时产生不必要的侧滑，ARI的功能之一就是通过协调滚转和偏航速率来消除副翼偏转产生的偏航力矩，减少侧滑角。当主起落架的机轮轮速大于60节，或AOA大于35度时，ARI被关闭。所以在接地瞬间ARI是会被关闭的，因为在侧风中滑跑需要通过同时操纵副翼和方向舵来控制滑跑方向，而ARI的开启不利于方向舵的操纵～～


(原图来自NASA Technical Paper 1538；δh>0表示平尾向下偏转；δr>0表示方向舵向左偏转，机身向左偏航；δa表示副翼的偏转角度，大于0时机身向左滚转；δd表示差动平尾的偏转角度，大于0时机身向左滚转)

。。。。。。。。。

2.Automatic departure/spin prevention system（自动抗偏离/尾旋系统）：

由于在相同AOA下副翼和方向舵的偏航操纵效能不同，特别是AOA在60度左右且打满右舵时的偏航操纵效能几乎没有（偏航力矩系数几乎为零），而在该AOA下向右打满副翼时的偏航力矩系数为负（如上图），可见如果此时向右打满副翼那么机身会向左偏航。这种向一个方向打副翼而机身却向另一个方向偏航的情况被称为副翼逆偏航或不利偏航（Adverse Yaw）。利用这种副翼逆偏航/不利偏航效应可以控制住飞机在大迎角状态下的侧滑角，防止飞机进入尾旋。于是Automatic departure/spin prevention system应运而生。该系统在AOA大于35度时自动启动并同时操纵副翼和方向舵来消除任何偏航运动。当AOA小于-5度且空速小于170节时，系统操纵方向舵以防止进入倒尾旋。

。。。。。。。。。

3.Roll departure prevention system（抗滚转偏离系统）：

F16在高速滚转时，受Inertia coupling（惯性耦合）效应的影响，飞机会产生一个抬头的趋势。滚转速率越高，头抬得越猛，AOA的增量也越大，从而导致roll departure（滚转偏离）而失控。所以这个系统能做的有两件事：

一是限制滚转速率。当滚转速率大于30度每秒时，系统开始作出限制。在此限制下同时保证飞机能有最佳的滚转性能。

二是通过在实际测得的AOA上增加度数使得输入FLCS CAT limiter的AOA值变大，借CAT limiter之手限制了AOA。例如当俯仰速率大于56度每秒时，系统给实际测得的AOA再加上5.4度并输入CAT limiter。当俯仰速率小于20度每秒时，系统保留实际测得的AOA数值并原封不动地输入CAT limiter。

（假如实际测得的AOA为21度，当俯仰速率大于56度每秒时，CAT limiter所获得的AOA值为26.4度，于是系统命令飞机低头以把过载限制到1G。应当指出这个“过载限制到1G”是即时指令，并不会真的把飞机的过载压到1G为止。当输入CAT limiter的AOA值降到20度时，CAT1系统限制最大过载为7.3G。如果你当前的过载小于7.3G的话那么系统就不会作出限制。）

。。。。。。。。。

4.Deep Stall & Manual Pitch override system（深度失速及手动俯仰超控系统）：

当AOA大于25度时，CAT Limiter限制过载为1G，系统全权操纵水平尾翼使之向下偏转25度（记作+25°）以使飞机低头。为研究Deep Stall时飞机的俯仰变化，我们找到代表平尾偏转+25°的那条俯仰力矩系数(Cm)曲线，看到在AOA=60°且平尾偏转+25°时的俯仰力矩系数几乎为零，使得在这点处的飞机几乎不做俯仰运动，且AOA稳定在60度左右。这点被称为Deep Stall Trim Point（图中的红点）。因为当AOA小幅度增大时，俯仰力矩系数为负值，飞机产生微小的低头力矩使AOA稍稍减小。当AOA小幅度减小时，俯仰力矩系数为正值，飞机产生微小的抬头力矩使AOA稍稍增大。这样飞机就会保持在深度失速中～～～

MPO（手动俯仰超控）的作用就是解除FLCS对平尾的全权操纵，通过一种叫“pitch rocking”的技巧使飞机产生足够的低头力矩以使AOA越过Cm>0的那段凸起部分并低于25度。当然，如果失控时的起始AOA值大于75度，飞机本身就会产生足够的低头力矩以使AOA越过Cm>0的那段凸起部分，使飞机自动恢复。通过开减速板放襟翼也可以帮助增加一点低头力矩，但这通常需要在失控的起始阶段完成。

pitch rocking技巧范例：
--1.飞行员摁住MPO开关，用力拉操纵杆。于是平尾偏转到-25°（向上完全偏转），俯仰力矩系数上升到0.1左右，飞机抬头，AOA增大至63度
--2.压杆使平尾偏转到+25°，俯仰力矩系数变为负值，飞机产生较小的低头力矩使AOA降到40度
--3.再次拉杆使平尾偏转到-25°，俯仰力矩系数上升到0.2左右，飞机猛地抬头，AOA增大至70度
--4.压杆使平尾偏转到+25°，俯仰力矩系数下降到-0.17左右，产生较大的低头力矩使AOA回到25度，改出成功！



。。。。。。。。。

5.Cruise Gains & Takeoff and Landing Gains：

Cruise Gains和Takeoff and Landing Gains是FLCS的两个工作模式。Cruise Gains模式在起落架拉柄拉起、TEF收起或加油盖关闭（加油盖在空速大于400节时自动关闭）时启动; Takeoff and Landing Gains模式在起落架拉柄放下、TEF放下或加油盖开启时启动。

Cruise Gains模式较Takeoff and Landing Gains模式不同的是，Cruise Gains模式采用法向过载反馈(Normal acceleration feedback)。其特点就是在正确配平时，若飞行员没有发出任何操纵指令，系统自动操纵平尾使飞机保持1G的法向过载。

法向过载反馈的第二个作用就是间接的控制飞机的俯仰速率以改善纵向动稳定性。例如它会控制过载的变化速率，你会发现从1G拉到5G要比8G拉到9G快得多。

而在Takeoff and Landing Gains中，系统不再使用法向过载反馈，而是俯仰速率反馈。在正确配平时，若飞行员没有发出任何操纵指令，则AOA小于11度时系统保持俯仰速率为零；AOA大于11度时，系统命令俯仰速率为负值，飞机渐渐低头。

。。。。。。。。。

6.PID & SAS

PID在这里指的是Roll rate feedback and command system（滚转速率反馈和指令系统），它使得滚转速率在突然增加或减小时的动作更柔和。在正确配平时，若飞行员没有发出任何操纵指令，系统保持滚转速率为零。

SAS即Stability Augmentation System（增稳系统），采用偏航速率反馈、俯仰速率反馈、攻角反馈和侧向加速度反馈，能在正常飞行时（AOA小于25度）有效地增强荷兰滚阻尼（具体效果见下图）和航向静稳定性，减少滚转时出现的侧滑。为了防止KINEMATIC COUPLING（迎角与侧滑角运动耦合）效应的产生，SAS配合ARI使飞机尽量绕速度轴（速度矢量，即FPM所指的方向）滚转。（注：飞机在大攻角状态下绕速度轴高速滚转时会产生Inertia Coupling（惯性耦合）力矩，这就是要引入Roll departure prevention system的原因）



（注：t1/2为半衰期，指阻尼振动包络线或非周期衰减模态中，幅值减至初始扰动的1/2所经历的时间。数值越小，扰动衰减越快，飞机恢复平衡的能力越强；周期P为飞机受扰动后振动一次所需的时间。）

。。。。。。。。。

7.CAT limiter（迎角/过载限制器）

该限制器会根据输入CAT limiter的AOA值和CAT limiter开关的位置（CAT1或CAT3）来控制飞行员对飞机的操纵指令，以达到限制飞机过载的作用。飞行员用操纵杆发出的操纵指令经预载、非线性校正后进入过载限制器，限制器输出值的限制过载增量为-4G到+8G，因而实际所限制的飞机过载值为-3G到+9G。



由上图，在CAT1系统中，当AOA小于15度时，系统限制过载增量为+8G（实际所限制的飞机过载为+9G）；当AOA=20度时，系统限制过载增量为+6.3G（实际所限制的飞机过载为+7.3G）；当AOA大于等于25度时，系统限制过载增量为0G（实际所限制的飞机过载为+1G）

CAT3系统并没有在NASA TP1538中提到，但在1F-16CJ-1飞行手册中有描述。一般地，无论当前的过载是多少，AOA总是被限制在了15.5°和15.8°之间（由飞机重量决定）。只要速度足够（或者飞机重量够轻），你就能在AOA达到其限制值（举个例子，15.5°）前拉出9G。但你一旦超过了15.5°，系统就会通过限制过载来减小AOA。

CAT limiter开关的位置也会影响飞行员对方向舵的操纵。由于方向舵主要被FLCS控制来协调滚转和偏航速率以减少侧滑角的，为了防止在大迎角下因飞行员对方向舵的操纵不当而导致飞机失控，系统对方向舵的可操纵偏转角度作出如下限制：

--CAT1系统下：当AOA大于14度时，飞行员对方向舵的可操纵偏转角度开始受限。当AOA大于等于26度时，FLCS全权控制方向舵，飞行员无法操纵（操纵指令输出值为0）。

--CAT3系统下：当AOA大于3度时，飞行员对方向舵的可操纵偏转角度开始受限。当AOA大于等于15度时，FLCS全权控制方向舵，飞行员无法操纵。

。。。。。。。。。

8.LEF & TEF（前缘/后缘襟翼）

LEF完全由FLCS来控制，偏转角度由AOA和飞行马赫数决定。但当超音速或主机轮着地时，LEF始终向上偏转2度。

TEF的偏转角度由起落架拉柄的位置，ALT FLAPS开关的位置和空速决定。当起落架拉柄放下或ALT FLAPS开关在EXTEND位置时：

--空速小于240节时，TEF向下偏转20度
--空速大于240节时，TEF的偏转角度由空速决定。空速大于等于370节时完全收起

。。。。。。。。。
LJQC, CN101 Tactical Fighter Wing

补充内容 (2022-10-23 21:22):
2022年的错误修正与内容补充：https://www.bilibili.com/read/cv18746043

补充内容 (2022-10-23 21:28):
最大的一个错误应该是在第6点的PID，滚转轴并没有使用PID控制器，而是仅仅一个P控制器。

lkyfly0218

先顶再看\(^o^)/~

lkyfly0257

好帖，先顶后看{:soso__11477421004737662540_4:}

lkyfly0340

LJQC～太专业啦

liyuqihxc

先顶再看~~

sunchanghui007

太专业啦{:soso_e100:}

bly2651992

太专业啦

lkyfly0710

well!!!！！！

lkyfly0769

太专业啦{:soso_e127:}

lilis16

额，各种曲线。。专业