2015年7月4日 星期六

靜弛解穩定

靜弛解穩定

   先談靜穩定
飛機在飛,如何談靜?這裡面就有些小講究啦,飛機在空氣中飛行,憑藉機翼的升力將飛機的重量抵消掉,原本就只剩下推力抵消阻力,一切都很簡單,而物體靜者恆靜動者恆動,飛機此刻便該安份地只有直直向前了。可不是嗎?若果是火箭在太空中,沒有與空氣的互動,則力的平衡確可以保穩定的姿態經久不變,但飛機的上下力平衡卻一直與靜止的空氣互動,此時我們就不能不考慮隨機出現的空氣擾動作用對飛機力平衡系統產生的影響反應(控制領域喜歡用響應二字),參考本部落格中 <<飛>>一文,讓飛機飛靠的是文中說的升-重、推-阻四力的互相消長,並未考慮到飛機在動態中如何保持穩定,設計者若能將升力(舉飛機俯仰方向的軸來舉例)的施力點設計在槓桿、而非與重心同一個點上,我們便可以使飛機被動遭遇到這個方向的擾動時藉由槓桿自動有個抑制擾動繼續改變飛機姿態的阻礙,這樣就可以使外界小擾動不必經由飛行員操作控制面就可以自動回復原姿態,我們叫這個狀態為這架飛機的靜穩定性(看看附圖)。說得囉唆了,用另一直述句來說文解字所謂的靜穩定是指氣動力重心到固定翼航空器重心的距離,氣動力中心在重心之後的靜穩定度為正,故航空器是呈現靜穩定(Static stability)的狀態;氣動力中心在重心之前靜穩定度為負,航空器此時呈現靜不穩定狀態。嘿嘿,靜這個字可用得真巧,看有碗又倒扣著碗的那張圖,假如真正理想的靜止狀態,三種情況都仍會是靜止的,但現實上卻不可能這麼”,不靜的那種case我們叫靜不定。
初探靜弛解穩定
一旦對靜穩定、靜不定有了概念,要進一步瞭解本文標題就不成問題了,注意到前文用到的"被動"了嗎?系統呈現的穩或不穩係被動地受到外界小擾動小施力的影響,靜穩的系統是自動趨於回復原來的狀態,而靜弛解穩定,認為直譯自"relaxed static stability",洋科學家用"relaxed"來形容"static stability",充分地運用了英文的好處,relaxed在此既有動詞的詞性、本身卻類同於形容詞;我望文生義地說:整個故事情節就是鬆開手,讓原握住保持安定的系統趨向於原來的狀態”,這個過程有力的干預、也有適放後的觀察,最後便是回歸系統原本靜穩、或靜不定的本質。
再探靜弛解穩定
寫得太空洞了對不對?上面的鬆開/握住的故事也可以是握住/鬆開的過程,因為要搞得這麼模糊遊移本來就是這種屆於穩與不穩之間的系統特性,鬆放握持之間人類的那雙手是要運用系統不穩定的好處又不要系統發散失控。若還是覺得籠統,我再來換種方式,以航空工程飛機安定控制作為實例來給還有耐心窮追不舍的好奇人士旁徵博引一番:現在再把那張橇橇板簡圖(下圖)掏出來:




靜穩定當有一小擾動使平飛飛機上仰,上仰時機翼亦增加了攻角、升力增加,但此時由於重心在前(當作是蹺蹺板的支點吧),升力增加也表現在負的俯仰力矩(使機鼻向下""的力矩)產生上,所以飛機會有一個自發性地抑制姿態變化的趨勢,此謂之靜穩定。靜,我們可把它想成不假人力的自動抑止的過程。(搞結構的人必定可以講得比我專業許多,…不過隔壁行、巷子外的讀者一定覺得更難搞)
弛解靜穩定呢?可以看附圖,當升力中心很接近重心時(可能在前也可能在後,都是一點點),一點點風吹草動便可能風行草偃,飛機的平飛不會或極不易保持,此時工程師透過快速的控制面提供適當的俯或仰力矩改變,"主動"提供回復原姿態穩定、或(這才是最重要的動機)是飛行員意圖的新姿態。注意囉!圖中藍色的AC(術語為氣動力中心位置)升力在重心支點之前,這樣的飛機是不會自行回復原來姿態(即穩定)!而綠色的升力位置也好不到哪去,這樣的飛機遭受一小擾動可能要好幾個小時才能回到穩定,恢復原來的樣子!無論是在前在後,飛機在飛行中都無法穩定飛行,飛行員理論上可以操控控制面(如圖右的上藍下綠可控平衡力”),但實務上不可行,會累死,什麼任務都進行不了;現代化的這種半安定不安定間的飛機控制很仰賴fly-by-wire,藉由飛控電腦快速反映並達命令予控制面,主動使圖中的系統保持在可控的穩定狀態。

人類吃飽太撐了嗎?何苦要設計這種走鋼索的飛機呢?答案就在於一個簡單的系統設計動機問題:越穩定的系統外力越難撼動”,不穩定的則不假外求、自己就不安於室;介於中間的,藉由合宜的主動控制,可既收穩定有保有靈活操控性能、熊魚兼得的好處。講白了,有了靜弛解穩定技術,透過比人腦快速的判斷及背景下令控制面,戰鬥機的操控性能可以變得前所未有的靈活而又不增加飛行員操作上的負擔。

觀念可以簡化以助瞭解,但應用卻不宜太過化約,否則不知情的讀者會誤解靜弛穩系統控制帶給戰鬥機的利益就只為了這麼一點點靈活的理由。在氣動力學中次音速、穿音速、超音速的氣動力中心並不在同一位置上,而油箱在局限的飛機空間中配置也一定不只一個,傳油便會影響到重心位置;橇橇板的力量位置都隨著時空在變,傳統航空器安定設計可以藉由保持整體升力中心在重心稍後的某個安全距離以保持靜穩定,傳油並保持其飛航速度在設計範圍內即可。 靜弛穩系統的飛機升力中心與重心要保持在很接近的位置是為了靈活運動,這就有了些考究,我們根據想定認為戰鬥機在穿音速區間內空戰,需要運動性能,低次音速及超音速不必然都需要有等量齊觀的運動性,工程師們可以依任務特性或想定的戰場場景及重心升力重心原就很近的本質,將次音速階段的飛機設計成比較像客機,即重心在前面,而與空戰相關的超音速區間讓航空器的穩定度變小甚至呈現不穩定狀態,以獲致良好的空戰運動性能。就是有靜弛解穩定技術及氣動力學的應用,現代化的戰機才可以表現得比二戰飛機強很多。
其次就是控制面的好處,採取靜弛解靜穩定性的方式,快速即時的不斷微調控制面角度使航空器水平尾翼用於平衡所需的面積可以大幅縮小(當然多少還是要回歸到力臂夠不夠長、要多大的控制力等諸多性能需求規格因素),尾翼配平量小,阻力自然就可小,重量也可減輕。有研究及實驗顯示(我可沒證據給各位),靜弛解穩定戰機帶來的效益是當靜穩定裕度大過-12%平均氣動弦長時,航空器的起飛總重量可減少8%,所需發動機推力可減少20%,若再加上控制機動負荷的效果可使設計總重減少18%。這些數據可給我們戰機追求靜弛解穩定控制設計的效益概念。
客機需要嗎?一般而言,效益顯然沒戰機那麼地突出,但有架多加了控制面的可控構型(CCV;control-configurated vehicle) B-52轟炸機的水平尾翼面積從84平方公尺縮小到46平方公尺 ,在原發動機及起飛總重量的條件下,結構重量減少6.4%,航程增加4.3%,若原載重、航程不變,起飛總重量可以減少10%至15%,也就是說,後來與"fly-by-wire"約在同時的B-l,在設計之初就採用弛解靜穩定技術的話,其起飛總重量約可減少36噸,以雙發動機就足以取代現行的四具發動機推力。若將弛解靜穩定度技術與控制機動負荷整合,可使轟炸機設計重量減少20%以上。

Relaxed Stability簡而言之,言而簡之,就是Artificial Stability,用人工方式(飛控電腦)將原來不穩定的飛機,硬給搞成穩定也。
描述系統的人通常一定會用到下面那張碗上走丸圖的左圖,這裡加上右圖來闡釋以上全文再三提到的飛機弛穩概念,希望也有助讀者瞭解

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