民用客机在空中飞行时，通常会遭遇到各种类型的大气扰动，从而出现上下颠簸、左右摇摆的不期望运动。气流变化引起的力和力矩变化会给飞机带来附加的、不希望的过载，使其乘坐品质明显地降低，机翼结构疲劳损伤加剧。为抑制大气干扰造成的不利影响，引入了乘坐品质控制和阵风载荷减缓两种技术。顾名思义，乘坐品质控制（RidingControl，RC）在于提高飞机在风扰下的乘坐舒适性；而阵风载荷减缓（GustLoadAlleviation，GLA）在于减小飞机受风扰时的承受载荷。该文分别从纵向和侧向分析了乘坐品质控制和阵风载荷减缓这两项技术的控制目标和控制机理，提出了乘坐品质控制研究的一些需要关注问题。研究结果可供民用客机主动控制技术研究时参考。
1乘坐品质控制和阵风载荷减缓技术对比
1.1纵向
对于纵向而言，乘坐品质控制与阵风载荷减缓的对比。（见表1）它们的基本原理是一样的，都是通过操纵额外的主动控制舵面偏转，来控制飞机的过载。乘坐品质控制通过主动控制技术来减小沿飞机机身分布的附加过载，从而提高机上乘员在大气扰动下的舒适性；而阵风载荷减缓则利用主动控制技术来减小大气扰动引起的沿飞机翼展分布的附加过载，从而减小机翼弯矩并减小结构载荷。针对正、负过载两种情况，乘坐品质控制均可削弱飞机的过载响应，并提高乘坐舒适性，但是在负过载情况下反而会增大翼根弯矩。解释如下：主动控制舵面通常是副翼（如Airbus320飞机），当法向过载小于1时，此时为负过载情况，要求副翼下偏产生升力来增加法向过载，那么单侧机翼升力作用点外移，力臂增大，虽然整体升力仍可能小于配平升力，但力臂增大的作用更强，因此机翼翼根弯矩有所增加。对于阵风载荷减缓，由于正过载造成了机翼翼根弯矩的增加，而负过载未引起翼根弯矩的增加，因此其只针对正过载情况（如Airbus320飞机的纵向阵风载荷减缓功能只处理上升突风情况），那么它可减小正过载时的翼根弯矩和改善此时的乘坐品质。另外，上述二种控制的目标和关注点是不同的：乘坐品质控制是以减小飞机沿机身不同处的过载为控制目标，即关注乘员的受载感受，主要用于减小风扰条件下的机上所有乘员受到的过载；阵风载荷减缓则是以降低飞机机翼，特别是翼根处的载荷为控制目标，即从减小机翼结构受载的角度出发，主要用于减小风扰时的机翼弯曲力矩。综上，乘坐品质控制可全面提高飞机的乘坐舒适性，但会增大负过载时的翼根弯矩，控制设计与应用相对复杂，使用成本相对较高；阵风载荷减缓技术可减小翼根弯矩，部分提高飞机的乘坐舒适性，且控制设计与应用简单，使用成本较低。因此，现役成熟民用客机在纵向多采用了阵风载荷减缓飞行控制技术。
1.2侧向
对于侧向而言，主动控制舵面通常是方向舵（如Boeing777飞机），当遭遇右侧风（即负过载情况），为减小尾部正向角加速度引起的负过载和垂尾载荷，都要求方向舵左偏；正过载情况类似。由此可以推断，乘坐品质控制和阵风载荷减缓对于正、负过载情况的处理（方向舵偏转指令）都是一致的。两者的功能特点也类似——减小结构载荷和改善乘坐品质，只是控制目标和关注点不同：乘坐品质控制侧重于改善乘坐品质，而阵风载荷减缓侧重于减小结构载荷。现役成熟民用客机在侧向普遍采用了阵风载荷减缓飞行控制技术，这主要可能是在飞机设计时更多地考虑其经济性，以减小整机结构重量为主要目标。当然，该技术也在一定程度上改善了飞机的侧向乘坐品质。
1.3应用实例
如表2所示，两大民用航空制造巨头——空中客车公司和波音公司已成熟地将阵风载荷减缓技术分别应用于Airbus320系列和Boeing777系列飞机，前者采用了纵向阵风载荷减缓系统[1]，后者除具有纵向阵风减缓控制功能外，还设计有侧向突风阻尼器[2-3]。文献[4]提及空中客车公司的最新运营机型Airbus380也实现了阵风载荷减缓技术的应用，但具体的控制原理不详，在此不作介绍。波音公司最新投入运营的Boeing787中型飞机既有垂直阵风抑制功能（VerticalGustSuppression）又有侧向阵风抑制功能（LateralGustSuppression）[5-6]，它通过大量布置的传感器、加速度计等检测紊流干扰下的响应来驱使升降舵、副翼和方向舵等操纵面偏转，足以抵抗中等紊流的干扰（见图1），使乘客获得能与Boeing747和Airbus380等大型飞机相媲美、甚至超越这些大型飞机的飞行体验。国外的先进民用客机制造商相当重视这一主动控制技术的应用。尽管乘坐品质控制和阵风载荷减缓的目的不一样，但是，它们的技术原理和功能有所类似，都可消除飞机由于大气扰动所引起的附加过载，所以两者是密不可分的。在一些研究和应用中，将乘坐品质控制归属于阵风载荷减缓的功能之内，或者说飞机同时具有这二项功能，如Airbus320/380、Boeing777/787飞机的阵风载荷减缓系统也具有改善乘坐舒适性的作用。
2乘坐品质控制研究问题
民用客机在高空巡航飞行时常常会遭遇到异常的大气扰动，产生不希望的过载变化，由此降低驾驶员和乘客的乘坐舒适性。因此，需要研究解决民用客机的乘坐品质控制问题。首先，飞机是一个庞大的结构体，具有一定的弹性，其在空中飞行时受外载荷的作用要产生一定的变形，开展窄体客机的乘坐品质控制设计研究时采用刚性模型还是弹性模型是必须首先研究确定的。其次，根据已有研究资料，窄体客机在风扰时的过载响应特性、乘坐品质尚不明确，是否必须采用乘坐品质控制技术也是一个亟待论证的问题。再次，窄体客机在纵向和侧向分别采用何种控制方案是需要深入研究解决的又一个问题。最后，现有参考资料表明，Airbus320飞机由于其扰流板和仅上偏的副翼只具有卸载升力的作用，只能处理上升突风引起的法向过载增加问题，因此窄体客机纵向乘坐品质控制功能采用什么控制面来应对能够产生上升、下降载荷的垂直紊流，也是需要解决的一个问题。
3结论
通过以上的对比分析，可以得出以下结论。（1）乘坐品质控制侧重于改善飞机的乘坐品质；（2）阵风载荷减缓侧重于减小飞机的结构载荷；（3）民用客机乘坐品质控制研究中需要解决飞机的运动模型、应用必要性以及控制设计原理等问题。
作者：王磊 单位：上海飞机设计研究院
