CN114120792B - 一种基于飞机姿态控制的专用教具 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于飞机姿态控制的专用教具，属于航理教学教具技术领域。包括驾驶座椅，驾驶座椅前方设有用于模拟飞机姿态的姿态与对中指示机构、用于模拟飞机飞行高度的航迹指示机构，姿态与对中指示机构下方设有用于驱动姿态与对中指示机构俯仰、滚转及对中运动的姿态控制机构，航迹指示机构包括竖向排布的多个瞄准灯，航迹指示机构下方设有用于驱动瞄准灯亮灭的航迹控制机构，驾驶座椅前端设有用于操纵姿态控制机构工作的操纵杆、右侧用于操纵航迹控制机构工作的油门杆。本发明能够复现着舰飞机受力状态，直观感知飞机着舰原理，实现着舰航理知识融会贯通，完成知识内化。

Description

一种基于飞机姿态控制的专用教具

技术领域

本发明涉及一种基于飞机姿态控制的专用教具，属于航理教学教具技术领域。

背景技术

控制飞机状态是安全着舰的前提，在飞机不具备航迹（速度）稳定性的情况下，控制好飞机的迎角、姿态尤为重要，学员理解掌握相关知识和方法困难，单纯理论授课难以达到预期效果。目前，航理教学中未见针对上述需求的专用教具。

发明内容

本发明为了解决课堂授课不够形象生动、学员参与教学活动有限、理论难以理解和掌握的问题，提出了一种能够复现着舰飞机受力状态，直观感知飞机着舰原理，实现着舰航理知识融会贯通，完成知识内化的专用教具。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种基于飞机姿态控制的专用教具，其特殊之处在于包括驾驶座椅1，驾驶座椅1前方设有用于模拟飞机姿态的姿态与对中指示机构4、用于模拟飞机飞行高度的航迹指示机构12，姿态与对中指示机构4下方设有用于驱动姿态与对中指示机构4俯仰、滚转及对中运动的姿态控制机构，航迹指示机构12包括竖向排布的多个瞄准灯16，航迹指示机构12下方设有用于驱动瞄准灯16亮灭的航迹控制机构，驾驶座椅1前端设有用于操纵姿态控制机构工作的操纵杆2、右侧用于操纵航迹控制机构工作的油门杆3；

优选的，所述姿态与对中指示机构4包括圆形摆渡盘5，摆渡盘5外圆周上安装有飞机靶台33，摆渡盘5上放置有姿态球11，摆渡盘5上表面以其圆心为中心由内向外依次绘制有圆心区6、中环区7、外环区8，沿着摆渡盘5直径方向绘制有对中线9，以对中线9为中心线对称绘制有八字型指示线10，八字型指示线10设有两组且以中环区7为中心对称设置于外环区8内，八字形指示线10的窄端靠近中环区7；

优选的，所述姿态控制机构包括设于摆渡盘5下方的姿态气缸组，姿态气缸组包括两个滚转气缸17、一个俯仰气缸18，三个气缸的活动端通过万向轴承安装于摆渡盘5下表面，两个滚转气缸17的活动端设于摆渡盘5直径线20两端，直径线20与对中线9相垂直，俯仰气缸18的活动端设于对中线9后端，三个气缸分别连接三个放气管路，三个放气管路上各安装有电磁阀，分别为第一电磁阀21、第二电磁阀22、第三电磁阀23，操纵杆2用于控制三个电磁阀工作；

优选的，所述航迹控制机构包括主气缸24，主气缸24设于姿态气缸组下方，主气缸24活动端安装于传动托板25下表面，姿态组气缸底部安装于传动托板25上表面，主气缸24侧面沿着主气缸活动端升降方向安装有五个接近传感器26，五个接近传感器26分别连接五个瞄准灯16，主气缸24连接有气源27，气源27与主气缸24之间的管路上安装第四电磁阀29、第五电磁阀37，第四电磁阀29、第五电磁阀37均受控于油门杆3；

优选的，所述主气缸24的进气口与姿态气缸组通过管路连通，管路包括与两个滚转气缸17进气口相连通的两个第一进气管34、与俯仰气缸18进气口相连通的第二进气管35，其中，第一进气管34上安装有单向限流阀36；

优选的，所述姿态与对中指示机构4、航迹指示机构12均设于控制箱31上方，姿态控制机构、航迹控制机构设于控制箱31内部；

优选的，所述摆渡盘5圆周处安装有环状围沿13，围沿13顶部安装有透明盖14；

优选的，所述圆心区6外圆周、中环区7外圆周设有向上凸起的环线15，环线15高度为0.5-2mm；

优选的，所述摆渡盘5的直径为250-300mm，姿态球11的直径为40-60mm,圆心区6直径40-60mm,中环区7直径60-150mm；

优选的，所述姿态球11颜色为白色，所述圆心区6为绿色，中环区7为橙色，外环区8为红色；

优选的，所述外环区8内设有两个平行的用于模拟跑道边线的平行线19。

本发明的基于飞机姿态控制的专用教具， 结构设计巧妙，通过姿态与对中指示机构4和航迹指示机构12配合，可以直观的展现着舰飞机飞行中受力状态，单独控制操纵杆2，姿态气缸组中指定气缸放气，放气的气缸活动端高度降低，摆渡盘5姿态发生变化，姿态球11滚向放气气缸一侧，同时主气缸24放气，主气缸24活动端降低，模拟飞机姿态调整时航迹会下降。单独控制油门杆3时，主气缸24内压力发生变化，姿态气缸组随之发生动作，加油时，主气缸24活动端上升，两个滚转气缸17由于单向限流阀36作用，进气量比俯仰气缸18少，摆渡盘5下俯（前低后高），从而模拟加油时，飞机迎角变小。减油时，主气缸24活动端下降，两个滚转气缸17由于单向限流阀36作用无动作，俯仰气缸18气体流向主气缸24，俯仰气缸活动端降低，摆渡盘5上仰（前高后低），从而模拟减油时，飞机迎角变大。当对操纵杆2与油门杆3进行复合操纵时，全面模拟着舰飞机的状态响应。综上所述，本发明能够复现着舰飞机受力状态，直观感知着舰飞行原理，体验着舰驾驶要领。同时，本发明的各气缸、管路、阀门可以拆解组装，学员在动手组装的过程中，需要记忆分析灵活运用所学知识，从而实现着舰航理知识融会贯通，完成知识内化。

附图说明

图1是本发明一种基于飞机姿态控制的专用教具的结构示意图；

图2是驾驶座椅的结构示意图；

图3是控制箱、姿态与对中指示机构、航迹指示机构的结构示意图；

图4是姿态与对中指示机构的侧视图；

图5是摆渡盘的结构示意图；

图6是去掉围沿及透明盖后的摆渡盘结构示意图；

图7是摆渡盘的俯视图；

图8是姿态控制机构、航迹控制机构的结构示意图。

图中：1、驾驶座椅；2、操纵杆；3、油门杆；4、姿态与对中指示机构；5、摆渡盘；6、圆心区；7、中环区；8、外环区；9、对中线；10、八字形指示线；11、姿态球；12、航迹指示机构；13、围沿；14、透明盖；15、环线；16、瞄准灯；17、滚转气缸；18、俯仰气缸；19、平行线；20、直径线；21、第一电磁阀；22、第二电磁阀；23、第三电磁阀；24、主气缸；25、传动托板；26、接近传感器；27、气源；28、三通；29、第四电磁阀； 31、控制箱；32、基准灯带；33、飞机靶台；34、第一进气管；35、第二进气管；36、单向限流阀；37、第五电磁阀。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例1

本实施例的基于飞机姿态控制的专用教具，请参阅图1-图8，包括驾驶座椅1，驾驶座椅1前方设有用于模拟飞机姿态的姿态与对中指示机构4、用于模拟飞机飞行高度的航迹指示机构12，姿态与对中指示机构4下方设有用于驱动姿态与对中指示机构4俯仰、滚转及对中运动的姿态控制机构，航迹指示机构12包括竖向排布的多个瞄准灯16，航迹指示机构12下方设有用于驱动瞄准灯16亮灭的航迹控制机构，驾驶座椅1前端设有用于操纵姿态控制机构工作的操纵杆2、右侧用于操纵航迹控制机构工作的油门杆3。姿态与对中指示机构4、航迹指示机构12均设于控制箱31上方，姿态控制机构、航迹控制机构设于控制箱31内部。

驾驶座椅1、操纵杆2、油门杆3共同构成模拟操纵装置，提供飞机的油门杆和操纵杆的模拟操纵输入，用于改变飞行状态或消除飞行偏差。驾驶座椅1、操纵杆2、油门杆3按实装尺寸1:1设计，保证有较好的操纵输入体验。

航迹指示机构12给出看灯飞行基准，完成看灯飞行训练。通过油门杆3控制多个竖向布局的瞄准灯16高低亮灭变化，加油时，位于高处的瞄准灯16灯球亮起，减油时，位于高处的瞄准灯16灭，位于低处的瞄准灯16亮起，瞄准灯16的亮灭移动代表航迹的高低变化。航迹指示机构12布置在驾驶座椅1左前方，按实装1/5尺寸制作，水平方向为绿色基准灯带32，长约100㎜，宽约20㎜；垂直方向为由瞄准灯16构成的瞄准灯组，高约150㎜，宽约50㎜，瞄准灯16随摆渡盘5重心上下移动而对应点亮，与绿色基准灯带32配合，指示学员眼位点高度和变化趋势。学员借此判断眼位相对理想下滑道的高低，并以此为操控基准调整油门杆3位置，控制下滑角度（高度），使位于中心位置的瞄准灯亮起。

姿态与对中指示机构4包括圆形摆渡盘5，摆渡盘5外圆周上安装有飞机靶台33，摆渡盘5上放置有姿态球11，摆渡盘5上表面以其圆心为中心由内向外依次绘制有圆心区6、中环区7、外环区8，沿着摆渡盘5直径方向绘制有对中线9，以对中线9为中心线对称绘制有八字型指示线10，八字型指示线10设有两组且以中环区7为中心对称设置于外环区8内，八字形指示线10的窄端靠近中环区7；优选的，所述摆渡盘5圆周处安装有环状围沿13，围沿13顶部安装有透明盖14。圆心区6外圆周、中环区7外圆周设有向上凸起的环线15，环线15高度为0.5-2mm。姿态球11颜色为白色，所述圆心区6为绿色，中环区7为橙色，外环区8为红色。外环区8内设有两个平行的用于模拟跑道边线的平行线19。其中，摆渡盘5的直径为250-300mm，圆心区6直径40-60mm,中环区7直径60-150mm。

姿态控制机构包括设于摆渡盘5下方的姿态气缸组，姿态气缸组包括两个滚转气缸17、一个俯仰气缸18，三个气缸的活动端通过万向轴承安装于摆渡盘5下表面，两个滚转气缸17的活动端设于摆渡盘5直径线20两端，直径线20与对中线9相垂直，俯仰气缸18的活动端设于对中线9后端，三个气缸分别连接三个放气管路，三个放气管路上各安装有电磁阀，分别为第一电磁阀21、第二电磁阀22、第三电磁阀23，操纵杆2用于控制三个电磁阀工作。

姿态与对中指示机构4用于模拟着舰过程中舰载飞机姿态改变和对中调整的状态和操作反馈。姿态与对中指示装置4包括姿态球11、摆渡盘5、飞机靶台33。通过姿态球11相对摆渡盘5圆心区6的位置来判断姿态偏差和对中偏差，姿态偏差是指姿态球11与摆渡盘5相对位置前后的偏差。如果姿态球11在摆渡盘5的直径线20之前，即姿态（迎）角太小，要向后拉动操纵杆2，操纵杆2控制第三电磁阀23，实现俯仰气缸18的放气管路导通，向后拉杆后，俯仰气缸18活动端下降，摆渡盘5后端下沉。若姿态球11在摆渡盘5的直径线20之后，即姿态（迎）角太大，要向前推动操纵杆2，操纵杆2控制两个滚转气缸17放气管路上的第一电磁阀21、第二电磁阀22，两个滚转气缸17的放气管路同时导通，两个滚转气缸17的活动端下降，向前推动操纵杆2后，摆渡盘5前端下沉。

对中偏差是姿态球11与摆渡盘5的圆心区相对位置左右的偏差，姿态球11在摆渡盘5的对中线9的左侧即偏左，要向右修正；在摆渡盘5的对中线9右侧即偏右，要向左修正。操纵杆2向左压杆，位于左侧的滚转气缸17放气，使摆渡盘5左侧下沉，由于左侧的滚转气缸17通过主气缸24与俯仰气缸18连通，当左侧滚转气缸17放气的时候，俯仰气缸18也放气，共同实现摆渡盘5左侧下沉。操纵杆2向右压杆，位于右侧的滚转气缸放气，由于右侧的滚转气缸17通过主气缸24与俯仰气缸18连通，当右侧滚转气缸17放气的时候，俯仰气缸18也放气，共同实现摆渡盘5右侧下沉。

姿态球11的运动响应由其结构重量、操纵幅度和摆渡盘上表面形状决定。姿态球11的大小与真实飞机翼展成比例，直径为52.5㎜，可以忽略空气对其运动的影响，大小能够满足目视对位置判断的需要。

姿态气缸组呈倒品字型布置，(两小一大)左右两个为滚转气缸17，后部一个为俯仰气缸18。三个姿态气缸底部通过管路与主气缸24相通，主气缸24的进气口与姿态气缸组通过管路连通，管路包括与两个滚转气缸17进气口相连通的两个第一进气管34、与俯仰气缸18进气口相连通的第二进气管35，其中，第一进气管34上安装有单向限流阀36。

航迹控制机构包括主气缸24，主气缸24设于姿态气缸组下方，主气缸24活动端安装于传动托板25下表面，姿态组气缸底部安装于传动托板25上表面，主气缸24侧面沿着主气缸活动端升降方向安装有五个接近传感器26，五个接近传感器26分别连接五个瞄准灯16，主气缸24连接有气源27，气源27与主气缸24之间的管路上安装第四电磁阀29、第五电磁阀37，第四电磁阀29、第五电磁阀37均受控于油门杆3。

油门杆3与瞄准灯16间的传动逻辑：油门杆3控制第四电磁阀29，加油时（向前推动油门杆3），第四电磁阀29接通，气源27气体充入主气缸24，主气缸24活动端充气上升，进而改变摆渡盘5重心的高度，并通过五个接近传感器26分别传递至对应的瞄准灯16。摆渡盘5上升，相应的接近开关26接通，与该接近开关26对应的瞄准灯16亮起。减油时（向后推动油门杆3），第五电磁阀37接通，主气缸24放气，摆渡盘5下降，并通过五个接近传感器26分别传递至对应的瞄准灯16。

表1：气缸选型示例表

表1 气缸选型示例表

名称	性能	型号	个数	备注
					滚转气缸	低摩擦气缸	FCS-20-48-S1-P	2	有簧
俯仰气缸	低摩擦气缸	FCS-20-48-S0-P	1	有簧
					主气缸	薄型气缸	SC60×150	1	有簧

油门杆3加油：第四电磁阀29接通，气源27向主气缸24供气，主气缸24与姿态气缸组联通,主气缸24与两个滚转气缸17分别通过单向节流阀36联通，气流只能由主气缸24向滚转气缸17流动，不能反向流动；主气缸24与俯仰气缸18直接联通，气流可以在主气缸24与俯仰气缸18之间自由流动。加油时，主气缸24进气，压力升高，主气缸24活塞开始向上升，传动托板25开始上升，与传动托板25位置对应的接近传感器26控制相应的瞄准灯16亮起，标志加油飞机航迹上升。随着主气缸24压力升高，气流开始向姿态气缸组流动，由于流向滚转气缸17的气流经过单向节流阀36，流速变慢，滚转气缸17的动作速度较慢、幅度较小；由于流向俯仰气缸18的气流没有节流限制，气流流速较快，俯仰气缸18的动作速度较快、幅度较大。因此，在主气缸24进气时，摆渡盘5有低头趋势（前低后高），与飞机加速迎角变小情况相符。

油门杆3减油：第五电磁阀37接通，主气缸24放气，压力降低，主气缸24活塞开始向下降，传动托板25开始下降，与传动托板25位置对应的接近传感器26控制相应的瞄准灯16亮起，标志加油飞机航迹下沉。随着主气缸24压力降低，气流开始由姿态气缸组流向主气缸24，由于主气缸24与滚转气缸17之间是单向联通，气流无法由滚转气缸17流向主气缸24，滚转气缸17无动作；主气缸24压力降低，俯仰气缸18的气体可以顺利流向主气缸24，回流速度较快，俯仰气缸18的压力变小，活塞回落，摆渡盘5有抬头趋势（前高后低），与减速迎角变大相符。

拉动操纵杆2：向后拉动操纵杆2时，俯仰气缸18的第三电磁阀23接通，此时，俯仰气缸18放气，压力下降，活塞高度下降，两个滚转气缸17无动作，摆渡盘5后端下降，有抬头趋势，与拉杆飞机迎角变大相符。俯仰气缸18放气，气压降低，由于主气缸24与俯仰气缸18联通，主气缸24气压也随之降低，主气缸24活塞高度下降，传动托板25开始下降，标志拉杆飞机航迹下沉。

推动操纵杆2：向前推动操纵杆2时，两个滚转气缸17的第一电磁阀21、第二电磁阀22接通，两个滚转气缸17放气，压力下降，活塞高度下降，两个滚转气缸17与主气缸24之间设有单向节流阀36连通。此时，两个滚转气缸17会同时下降高度。由于俯仰气缸18与主气缸24连通，主气缸24通过单向限流阀36与滚转气缸17连通，俯仰气缸18压力下降，慢于滚转气缸17，因此俯仰气缸18活塞下降速度小于滚转气缸17活塞下降速度，摆渡盘5有低头趋势，与推杆迎角变小相符。滚转气缸17放气，气压降低，主气缸24放气，气压降低，活塞下降，传动托板25开始下降，标志推杆飞机航迹下沉。

左右按压操纵杆2：相应的滚转气缸17的电磁阀接通，同侧的滚转气缸17压力减小，活塞高度下降；滚转气缸17与主气缸24之间有单向节流阀36联通，主气缸24的气体会流向放气的放气的滚转气缸17，主气缸24压力减小，俯仰气缸18与主气缸24联通，俯仰气缸18气体会流向主气缸24，并经主气缸24流向放气滚转气缸17，气缸压力减小，俯仰气缸18活塞高度适度下降；而另一侧的滚转气缸17因单向节流阀的限制，气体无法由滚转气缸17流向主气缸24，无动作，活塞高度不变。因此，摆渡盘5会向放气滚转气缸17一侧偏转，同时，主气缸24压力流失，活塞高度下降，标志飞机航迹下沉，这与横杆操纵飞机损失高度规律相符。

本实施例的基于飞机姿态控制的专用教具，具备符合着舰规律、结构原理可视、要素体现充分的教学实验功能，学员在观察、分析、讨论和组装过程中，完成着舰飞行理论应用，着舰原理融会贯通，促进知识内化。能够有效支撑学员发现规律，理清逻辑，开展评价，思辨创新。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (9)

1.一种基于飞机姿态控制的专用教具，其特征在于包括驾驶座椅，驾驶座椅前方设有用于模拟飞机姿态的姿态与对中指示机构、用于模拟飞机飞行高度的航迹指示机构，姿态与对中指示机构下方设有用于驱动姿态与对中指示机构俯仰、滚转及对中运动的姿态控制机构，航迹指示机构包括竖向排布的多个瞄准灯，航迹指示机构下方设有用于驱动瞄准灯亮灭的航迹控制机构，驾驶座椅前端设有用于操纵姿态控制机构工作的操纵杆、右侧设有用于操纵航迹控制机构工作的油门杆；

所述姿态与对中指示机构包括圆形摆渡盘，摆渡盘外圆周上安装有飞机靶台，摆渡盘上放置有姿态球，摆渡盘上表面以其圆心为中心由内向外依次绘制有圆心区、中环区、外环区，沿着摆渡盘直径方向绘制有对中线，以对中线为中心线对称绘制有八字型指示线，八字型指示线设有两组且以中环区为中心对称设置于外环区内，八字形指示线的窄端靠近中环区。

2.按照权利要求1所述的一种基于飞机姿态控制的专用教具，其特征在于所述姿态控制机构包括设于摆渡盘下方的姿态气缸组，姿态气缸组包括两个滚转气缸、一个俯仰气缸，三个气缸的活动端通过万向轴承安装于摆渡盘下表面，两个滚转气缸的活动端设于摆渡盘直径线两端，直径线与对中线相垂直，俯仰气缸的活动端设于对中线后端，三个气缸分别连接三个放气管路，三个放气管路上各安装有电磁阀，分别为第一电磁阀、第二电磁阀、第三电磁阀，操纵杆用于控制三个电磁阀工作。

3.按照权利要求2所述的一种基于飞机姿态控制的专用教具，其特征在于所述航迹控制机构包括主气缸，主气缸设于姿态气缸组下方，主气缸活动端安装于传动托板下表面，姿态组气缸组底部安装于传动托板上表面，主气缸侧面沿着主气缸活动端升降方向安装有五个接近传感器，五个接近传感器分别连接五个瞄准灯，主气缸连接有气源，气源与主气缸之间的管路上安装第四电磁阀、第五电磁阀，第四电磁阀、第五电磁阀均受控于油门杆。

4.按照权利要求3所述的一种基于飞机姿态控制的专用教具，其特征在于所述主气缸的进气口与姿态气缸组通过管路连通，管路包括与两个滚转气缸进气口相连通的两个第一进气管、与俯仰气缸进气口相连通的第二进气管，其中，第一进气管上安装有单向限流阀。

5.按照权利要求1所述的一种基于飞机姿态控制的专用教具，其特征在于所述姿态与对中指示机构、航迹指示机构均设于控制箱上方，姿态控制机构、航迹控制机构设于控制箱内部。

6.按照权利要求1所述的一种基于飞机姿态控制的专用教具，其特征在于所述摆渡盘圆周处安装有环状围沿，围沿顶部安装有透明盖。

7.按照权利要求1所述的一种基于飞机姿态控制的专用教具，其特征在于所述圆心区外圆周、中环区外圆周设有向上凸起的环线，环线高度为0.5-2mm。

8.按照权利要求1所述的一种基于飞机姿态控制的专用教具，其特征在于所述摆渡盘的直径为250-300mm，姿态球的直径为40-60mm,圆心区直径40-60mm,中环区直径60-150mm；所述姿态球颜色为白色，所述圆心区为绿色，中环区为橙色，外环区为红色。

9.按照权利要求1所述的一种基于飞机姿态控制的专用教具，其特征在于所述外环区内设有两个平行的用于模拟跑道边线的平行线。