控制面的平衡与配平有关吗（控制面的平衡与配平）
控制面的平衡与配平有关吗（控制面的平衡与配平）（2）配平片 d.反平衡片 a.平衡片 b.伺服片 c.弹簧片
控制面的每一次偏转，都需要与控制面相连的铰链或连杆对控制面施加作用力，而其中的一些力归根结底来自于飞行员。飞机上有些装置的设计目的就是为了减少甚至抵消这些来自飞行员的力。根据飞行员是否改变或保持控制面的位置（或角度），控制的平衡（balancing）或配平（trimming）则是必要的。
本文需知：在国内的一些教材中把平衡片、伺服片、弹簧片、配平片都归为一类，称为“调整片”，而一些教材又把“调整片”称为“补偿片”，对比外文各类翻译比较混乱，不利于初学者对知识的理解。本文根据平衡片、伺服片、弹簧片、反平衡片的作用，同时结合国内外文献，将这四个归为一个大类，称为“补偿片”；配平片单独归为一个大类，就称为“配平片”。补偿片和配平片这两个大类又归为调整片，如下所示：
调整片：
（1）补偿片：
a.平衡片
b.伺服片
c.弹簧片
d.反平衡片
（2）配平片
对于其它调整片，本文暂不提及与归类。
控制平衡装置与控制面串联安装，主要用来在飞行机动期间帮助飞行员，或者说帮飞行员省一部分力。
控制平衡装置主要分为两类：
（1）气动型（主要用于中型或小型飞机）；
（2）机械/液压型（主要用于喷气式飞机）。
气动型空气动力学平衡仅使用由额外的表面产生的力来减少铰链力矩。因此这些面的位置必须能使其产生的力在“正确的方向上”，下面我们来看一下几个不同的系统：
内插铰链（inset hinge）
角式补偿（control horn）
平衡板（balance panel）
调整片（tab）
平衡片（balance tab）
伺服片（servo tab）
弹簧片（spring tab）
注意，在前3种情况下(内插铰链，操纵摇臂，平衡板)，控制面效率提高，而在调整片情况下，控制面效率降低（因为控制面的面积减小）。
内插铰链其原理是使铰链向后移动，以减少铰链与力Fg的距离d，由于力Fg的大小是恒定的，因此距离d的减小，将使铰链力矩减低，如图1到下图2：
（图1）
（图2）
角式补偿
（图3）
（图4）
“角式补偿”又称凸角补偿、突角补偿。属于控制面的一部分，其位置接近翼尖，位于铰链轴线之前。
（图5）
（图6）
施加在控制面铰链轴前面的气动力产生负铰链力矩（-d2）×Fh，其帮助飞行员移动控制面，减少了飞行员所需要的力。此外，该面在轴前方产生的气动力是有利的：Fh Fc。
（图7）
然而，如果铰链前的表面很大，则存在潜在的危险（或者在前面的内插铰链情况下，内插铰链位置太靠后）：其作用可能变得太弱，最终被逆转。
平衡板（内部平衡）平衡板是控制面上的一个附加面，位于铰链轴线的前方。它主要是利用控制面两侧的压力差，将两个互不相连的腔室分开。如下图所示：
（图8）
如下图所示：当飞行员移动控制面时，会产生高、低压区，气流通过通气口传送到两个腔室，此时在平衡板和控制面上分别产生两个方向相同的力Fp和Fc，由于Fp在轴线之前，因此当绞接力矩降低时，平衡板将提高控制面的效率。这里我们用大白话解释一下：其实就是利用气体压力作用于平衡板，以此来补充杆对控制面施加的力。
（图9）
补偿片（Tab）补偿片是控制面上的附加面，其与控制面一样，位于铰接枢轴的同一侧。为了有相反的力矩(减少飞行员施加的力)，补偿片和操纵面产生的空气动力方向必须相反，因此补偿片和控制面的运动方向总是相反。
（图10）
由于控制面和补偿片的偏转相反，同时控制面的面积减小，导致控制面的效率降低。
下面我们主要介绍一下两种常见的补偿片：
平衡片
（图11）
平衡片的工作原理如下：驱动操纵杆移动控制面，控制面自动操作平衡片。实际上，平衡片是由一根杆连接到机翼上，而不是连接到控制面。当飞行员操作操纵杆时，平衡片和控制面相反的运动将会自动的进行。
伺服片伺服片：其原理与平衡片则相反，通过驱动操纵杆，飞行员直接控制伺服片，通过伺服片驱动控制面。因此，飞行员没有控制面偏转的指示，只有伺服片的偏转指示。
（图12）
当Ft和Fc产生的力矩平衡时，整体的力矩非常低，飞行员施加的力也将降低，达到了减小杆力的目的。但这也是非常危险的，因为飞行员施加的一点点力可能造成控制面的较大偏转，从而使飞行难以控制。
为了防止这种风险，则伺服片不能单独使用，需要配合弹簧片或辅助系统（常见的有人工感觉系统）来使用。
弹簧片
弹簧片是一个配备有弹簧的伺服片，这个弹簧用作人工感觉系统。
（图13）
在低速时，移动表面所需的力小于弹簧刚度，曲柄轴仍然连接到控制面，飞行员的操作将直接用于控制面。当速度增加时，飞行员施加的力增加，弹簧被压缩。此时曲柄轴不再连接控制面，而是移动弹簧片。因此在某个给定的速度以上时，此装置变成了伺服片；在这个速度以下，此装置变成了平衡片。
因此，无论飞机速度如何，飞行员提供的力要么移动控制面，要么移动配平片。
平衡片、伺服片、弹簧片在低速时效率不高。低速时这几类补偿片所产生的气动力是非常低的(因为速度低，面积又小，所以产生的气动力比较低)，以至于难以移动相关的主控制面。在低速时，使用的是反平衡片，将在下文介绍。
液压/机械平衡（伺服控制）第二类控制平衡使用液压或机械设备，属于伺服控制，我们上一篇文章
飞行原理—控制面1（点击蓝字可跳转）
飞行控制系统中提到过，如下图所示：
（图14）
由于飞行员并没有直接移动控制面（是间接通过电传或机械移动控制面），所以飞行员需要安装人工感觉模拟器，以便飞行员能够感觉到控制面或调整片的移动。飞机制造商可以通过几个可用的方案，使飞行员的作用力与其成正比（或这些解决方案的任何组合。）：
（1）操纵杆的移动距离
（2）操纵杆的移动速度
（3）操纵杆的移动加速度
（4）动压q
（图15）
控制面配平的目的是消除飞行稳定阶段飞行员施加的力，飞行员通过配平轮驱动控制面上的配平片。换句话说，操纵杆在稳定飞行阶段(稳定爬升、巡航、稳定进近)保持在一个固定位置以缓解飞行员的压力，旨在取代飞行员的力。
最常用的设备是配平片，此外我们还将详细介绍可配平水平安定面（THS ：trimmable horizontal stabilizer）的原理。许多现代飞机上都安装了俯仰配平装置，以及其他一些允许修改俯仰配平的装置。
配平片（Trim tab）原理
（图16）
（图17）
（图18）
（图19）
配平片被安装在相关控制面上，通过配平轮驱动。
配平控制轮的旋转通过电缆间接操作致动器，该致动器改变控制面和配平片之间连杆的杆长。如果杆长增加，配平片向下旋转，此时将产生向上的气动力Ft。
（图20）
配平片产生的气动力Ft将会驱动相联控制面向相反的 方向运动，控制面上将会产生气动力Fc。驾驶员必须操作配平轮，直到力矩完全抵消为止；此后铰链力矩和飞行员施加的力将为零。
俯仰配平中的特殊情况当设置低头（或抬头）配平时，相联的控制面将会怎样运动呢？
当飞行员设置低头配平取代推杆时，升降舵将会降低，而配平片将会向上运动，如下图的gif图所示：
（图21）
在起飞过程中，正确地在俯仰轴上配平飞机是至关重要的。此外配平轮的设置将会使飞行拉杆太快或太慢（有的说是太重或太轻）：
（1）如果低头配平设置过多，在起飞抬轮期间所需要的拉杆力将会增加，起飞距离也会增加。
（2）如果抬头配平设置的过多，则会造成较高的俯仰率，那么起飞抬轮期间飞机尾部摩擦地面的风险将会增加，且飞机容易以较大的迎角起飞。
为了避免这种明显的错误，可以安装配平轮保护安全装置以及报警装置。
我们以升降舵为例，来比较控制面配平与无配平的有什么不同。
配平面无配平时
（图22）
图中：
δ1控制面向上偏转的角度
配平片与控制面在同一个平面或者两者相互对齐
F1c为气动力
飞行员手持操纵杆，持续用力（要一直握着杆，使杆保持在同一位置）
配平面配平时
（图23）
图中：
δ2控制面向上偏转的角度，且δ2>δ1
配平片与控制面向相反的位置偏转（两张图片对比下来，第二张图片的控制面向上偏转，配平片向下偏转）
气动力F2c＞F1c和F1t
飞行员不需要对杆施加力
可配平水平安定面THS原理
在现代运输机上，水平安定面都是完全可动的。当安定面的角度变化时，迎角也随之改变。
通过校准升降舵与水平安定面，使施加于控制杆的力为零，控制面的效率增加(在给定的气动力下有更低的偏转)且阻力减小。
（图24）
从上图中可以看出，在进行水平安定面配平调节期间，控制面向上偏转将会导致水平安定面THS向下偏转。
由下图可知：
配平操作不会改变升降舵与安定面的相对位置（因为是安定面和升降舵这个整体在动）
对控制面的偏转命令仅仅偏转升降舵（仅仅后方枢轴后的面旋转），安定面角度并不会改变。
（图25）
优/劣势
可配平水平安定面的优势是：
（1）高效：由于安定面的面积较大，因此即使是微小的偏转也会造成较大的影响。
（2）阻力降低
（3）对升降舵的影响很小：当飞机被配平后，俯仰控制能力将保持不变且具有对称性。
主要缺点是系统比较复杂和飞机质量也相应增加。这两个原因解释了为什么可配平水平安定面THS只安装在重型或大型飞机上。
除此以外，还有一个不得不提及的常见故障：可配平水平安定面容易卡住或失去控制。另外可配平水平安定面THS产生效率的主要部分为安定面，相比固定安定面的飞机尾翼，升降舵提供的效率大大降低。这就是为什么安装可配平水平安定面的飞机需要高速着陆，并降低襟翼设置（襟翼角度减小），但这也造成了飞机着陆距离的增加（着陆速度大，襟翼角度小）。
补充：襟翼角度的大小会影响飞机接地速度和滑跑时的阻力。大襟翼着陆，升力系数增加，因此升力也相对增加，因此飞机在进近和接地时的速度可以更小。另外大襟翼着陆也会使阻力系数增大，因此飞机的减速会更快，造成飞机的着陆距离和着陆滑跑距离都缩短。因此，正常情况一般以大襟翼角着陆。当襟翼角减小时（其它条件不变），着陆距离将相对增加。
其它装置在一些教材或者外文文献中，对俯仰轴的平衡进行调整或微调也用“配平（trim）”一词来形容。
油箱配平油箱配平（Trim tank）也有人说是配平油箱：如下图所示，它是一个位于飞机后部的油箱，在跨音速加速，一些燃料被转移到这个后部的油箱，从而飞机的重心向后移动，致使在这个特定的飞行阶段，飞机外部的气动配平系统变得无用。
（图26）
马赫数配平在跨音速加速时，气动力的作用点向后移动，因此飞机倾向于向下俯冲（或容易低头）。为了避免这种情况，因此就有了马赫数配平：指在给定马赫时，配平片将自动偏转，以使飞机保持机头向上的姿态。
上面的都是单独介绍平衡和配平装置，但实际上，一般采用混合系统。
如果飞行员操纵控制面系统，那么控制面先动，调整片随之移动。这种情况就好像上面介绍的平衡片。
如果飞行员操纵配平控制系统，那么螺杆的长度将会改变，这导致配平片移动，而配平片的移动又驱动控制面，这种情况就好像上面介绍的配平片。
此种组合系统结构简易图如下：
（图27）
反平衡片反平衡片装置增加了铰链力矩。这种铰链系统中配平片和控制面的偏转方向相同，所以铰链力矩增加，因此飞行员施加的力增加（所以这不是省力装置）。这种系统用于飞机操纵杆过轻（或者说飞行员施加的力过低），大多数情况下为速度比较低的时候。
（图28）
以下所有情况中，控制面和调整片的角度偏转都是相反的。
补偿片：平衡片：飞行员驱动控制面，控制面驱动平衡片（控制面和平衡片之间的相对角度改变）
伺服片：飞行员驱动伺服片，伺服片驱动控制面（控制面和平衡片之间的相对角度改变）
（图29）
（图30）
配平片：
如果飞行员驱动控制面，控制面和配平片之间的相对角度不变。
如果飞行员驱动配平片，则控制面也会偏转（控制面和平衡片之间的相对角度改变）
（图31）
END
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