飞机方向舵的原理和作用及使用方法有哪些？

在飞行中，方向舵提供偏航控制，垂直安定面提供方向稳定性。方向舵和垂直安定面的尺寸应满足以下两个条件：

能够在公布的侧风限制内为起飞和着陆提供足够的水平控制。

在单发和最大不对称推力条件下，以高于Vmcg的任何速度保持正常的飞机操纵。

垂直安定面和方向舵必须能够产生足够的偏航力矩来保持飞机的方向控制。方向舵偏转是获得偏航力矩所必需的，由此产生的侧滑角对方向舵和垂直安定面施加了明显的气动载荷。

垂直安定面和方向舵的承载能力按JAR/FAR 25认证要求设计。在几种水平载荷条件下(机动、阵风载荷和由单个发动机引起的非对称载荷)所需的结构强度水平在证据收集要求中作了规定。

取证要求

根据JAR/FAR 25.351的认证要求，稳定器和方向舵上的载荷是有限的。考虑下图所示的偏航机动，其限制范围是从最小地速(VMC)到最大设计速度(VD/MD)，从海平面到最大高度，以及飞机的重量和重心：

1、飞机在非加速和稳定平飞中，方向舵脚蹬在当前飞机速度下突然偏移到最大偏转位。

2、方向舵偏转如上图所示，飞机向过大的侧滑角度方向偏航，然后稳定在一个较小的稳定状态的侧滑角度。

3、飞机偏航至与上图方向舵相对应的一稳定的(静的)侧滑角度，取证规定假设方向舵脚蹬松开回至中立位。

JAR/FAR 25要求上述偏航机动需要在一系列特定条件下进行分析。确认垂直安定面和方向舵的最大载荷。在水平阵风、滚转机动和非对称单发条件下也要进行同样的分析。上述条件下最严重的载荷为垂直安定面和方向舵提供了设计基础。

上述载荷根据JAR/FAR 25的要求限制载荷。这些负载是相对于运行中可能出现的最大负载而言的。根据JAR/FAR 25的要求，极限载荷是极限载荷乘以指定的安全系数1.5，除非另有规定。飞机结构必须能够承受极限载荷至少3秒钟而不产生任何永久的有害变形，或者承受极限载荷至少3秒钟而不发生故障。更高的载荷可能导致结构失效。

注意

突然命令方向舵在与侧滑相反的方向上完全或接近完全偏转将产生超过极限的载荷，这甚至可能导致结构损坏。

低于最大设计机动速度(VA)时也是如此。

方向舵控制

方向舵舵面由3 个液压作动器控制，由方向舵脚蹬控制。飞行操纵指令(来自ELAC)和FAC的偏航阻尼和转弯协调功能)加在方向舵上。

由FAC 控制的方向舵行程限制器可以根据飞机速度稳定的减少可用的全部方向舵行程。这就给整个飞行包线提供了足够的偏航控制，包括单发和最大非对称推力，限制了安定面和方向舵上的横向负荷保持在取证限制之内。

方向舵行程限制根据飞行速度而改变，如下图：

A318/A319

A320/A321

• 低速下，将飞机进行偏航机动所需的方向舵偏转很大，所以方向舵上脚蹬移动和施加的力度很大。
• 高速下，方向舵权限受限但踏板和方向舵之间的传动关系没有改变。所以得到最大可用方向舵偏转的力就小一些。

速度加大时，任何偏航机动所需的方向舵偏转随之减小，(如单发或不对称推力)所以踏板移动和相关的力也随之减小。踏板移动与方向舵偏转几乎成线性比例。

为达到指令方向舵偏转量所需的方向舵移动和施加的踏板压力随飞机速度而改变。

• 方向舵脚蹬从中立位开始移动，至少需要 /-9daN 的力。(“脱离力”)
• 低速时，例如不超过150 海里/小时，移动方向舵踏板30daN 的力达到最大行程就可以获得最大可用方向舵偏转(A320/A321 是25º，A318/A319为30º)。
• 高速时，例如350 海里/小时，最大可用方向舵偏转减少大约4º。所以所需方向舵踏板移动要小一些，也就说需要大约在踏板上施加13daN 的力(大约最大力量的40%可获得踏板全行程)。

使用建议

为避免方向舵和垂直安定面上的结构负荷超限，须遵守下列建议：

下列条件下使用方向舵控制飞机

正常操作下的水平控制：

• 起飞滑跑中，在地面时，尤其是侧风条件下
• 侧风条件下着陆拉平时为了解除交叉的目的
• 着陆滑跑中在地面时

上述情况中，要保持对飞机的控制需要输入大的甚至快速的方向舵输入。需要不断的进行方向舵修正来获得飞机正确的反应。空客飞机的方向舵控制系统包含一个转弯协调功能来进行合适的转弯协调。

补偿不对称推力

不对称推力的偏航力矩可以通过使用方向舵全效能来补偿。

注：高速时(如缝翼收回)，不对称推力(如由于单发)相对来说对飞机偏航控制的影响较小。

其它非正常情况

下列非正常情况下也可以使用方向舵：

• 失去两个偏航阻尼系统。只要认为有必要，就可以使用方向舵用于转弯协调以防侧滑过大。
• 方向舵配平失控。使用方向舵使之恢复中立位。
• 起落架非正常位置时着陆。使用方向舵用于地面方向控制。

以上所述正常或非正常情况中，正确使用方向舵机动不会影响到飞机的整体结构。

下列情况下不应使用方向舵

• 起始横滚，或
• 控制任何类型的颠簸引起的横滚时

无论空中飞行条件如何，都禁止突然使用全部或接近全部方向舵，或相反的方向舵踏板指令输入。这样的输入会导致负荷超限，引起结构受损或失效。

方向舵行程限制系统在上述方向舵指令输入下不能防止结构受损或失效。

注：航空公司原则中不能包括方向舵踏板反向，也不能包括所谓的为使劫机者无能为力的“飞机防卫性机动”。