机械和液压操纵系统

从人类发明了飞机以来，有长达半个世纪的时间里都在使用机械操纵系统。这种操纵系统的操纵杆通过钢丝绳、滑轮组和连杆机构与控制舵面进行联接。这种操纵方式对舵面的偏转完全是以人力为动力来源，因此在飞机高速飞行时，由于空气巨大的阻力，对操纵杆施加的力也要增加，甚至有些会出现难以拉动的情况。比如二战日本的零式战斗机，就有一个巨大缺点，一旦超过483km/h后，需要对操纵杆施加非常大的力量才能扳得动；超过500km/h后，需要两只手全部使用外加一条腿的力量才能扳动操纵杆。

早期机械操纵系统完全靠人力拉动

机械操纵系统由钢丝绳，滑轮组和，连杆机构组成

二战之后，美苏等国开始尝试在飞机上安装液压助力系统。美国从F-86E上开始，在水平的副翼和尾翼应用了液压机构，垂直尾翼继续保留钢丝绳连接。苏联也从米格-15БИС开始采用了类似的配置。随着液压助力机构的成熟，从二代机开始普遍使用液压式的操纵系统，一直到早期的三代机还在使用（比如F-15）。不过这套系统的重量非常高，因为原先纯粹机械式操纵可以使用钢丝绳传动，现在液压传动变成了刚性部件的连接。这种操纵系统任意一个环节出现问题，都会导致系统的失效，风险较高，因此当时不得不为战斗机配置2套独立的液压操纵系统，这又进一步增加了死重和占用的空间。但好处是，此时的液压件最大可承受的压强已经达到了20MPa，战斗机可以在1马赫甚至2马赫的情况下舵面仍然可以摆动自如，这是纯粹靠人力控制舵面偏转的二战时代不可想象的。

液压操纵系统，极大解放了人的肌肉，使人更多扮演的是一个控制信号的发送端

F-15的液压操纵系统

F-15有2套独立液压操纵机构，因为液压部件高故障率会引发毁灭性后果，必须有备份

电传操纵系统

液压操纵虽然极大解放了人力，但是本质上还是操纵杆和舵面有直接的机械连接。而从电传操纵（Fly-By-Wire，FBW）开始，完全取消了操纵杆和实际控制舵面之间的机械关联和液压助力装置，操纵杆只用来将飞行员的操纵行为转换为电信号，通过放大处理后，输出相应控制，通过线缆将相应的控制传递到相应控制舵面的伺服电机，作出预期的偏移动作。

电传操纵操纵杆与舵面不再有直接连接，控制信号首先被飞行控制电脑收集

电传操纵系统在机身的分布

电传操纵系统的优势——更轻的重量和更高的冗余度

比起机械操纵系统和液压操纵，电传操控没有遍布机身的复杂机械联接，取而代之的是遍布机身的电缆或者光缆，减少了很多重量，同时也提高了可靠性。因为电传操控系统往往采用三套或者四套计算机各自独立工作，而且各自均有一套电缆连接到舵面的伺服机构上。因为数字处理器一旦故障，会导致整个系统瘫痪，采用多个计算机系统则可以大大提高安全性，每一套系统都是一个冗余，这样即便损坏其中一套系统的稳定性不受影响。而且不像液压式操纵系统那样占用了大量空间和重量，因此可以增加多套用于冗余。大家经常听到的三余度、四余度电传操纵，余度其实指的是计算机系统的数量。这种安全冗余不仅体现在电脑故障时可以有其他电脑接替工作，在飞行控制过程中几个并行工作的电脑也时刻体现了其超强的纠错能力。以F-16为例，虽然有四余度，但一般只会启动其中三部电脑工作，而第四部电脑为备份。飞控代码中设有一套投票系统，当某一部电脑所计算的结果与另两部电脑不同时，就会启动投票表决，跳过并关闭计算结果不同的电脑，同时命令第四部备用电脑启动，以确保操控安全性。

但电传操纵优势显然还不止于此。其实电传操纵最大的进步，就是使计算机参与飞行控制成为可能，这就给战机的发展奠定了一个基石。因为舵面是受到计算机发出的信号来直接控制的，所以可以根据飞行器本身的气动特性提前写好飞控代码存在计算机中。因此使用电传飞控的飞行器，其静不稳定度可以被大大放宽。因为飞控代码已经存在了计算机里，哪怕飞行员犯错，计算机也会及时纠正，不允许飞行员飞出超出限制的动作。计算机甚至可以接管整个飞机实现智能巡航。到了今天几乎所有的客机都拥有这个功能，而这个功能可以极大解放飞行员的双手和大脑，缓解飞行员的疲劳。未来，随着人工智能的发展程度越来越高，计算机凭借电传飞控也可以做出更加复杂的飞行动作，这就是无人智能战斗机的概念。但是电传操纵系统是最重要的基石，如果仍然采用机械式和液压式的操纵，这一切都无从谈起了。

电传操纵的发展

从上个世纪50年代起，美英苏等国就开始了电传飞控战斗机的研究，不过早期的飞机往往都带有全套的机械操纵系统做备份。有意思的是，世界上首款采用纯粹的电传操纵系统（无机械液压备份）的飞行器并不是在大气层内使用的，而是登月的阿波罗11号计划的月球登陆飞船（LLRV）：

阿波罗11号的LLRV

阿波罗11登陆器上采用这样的操纵系统，主要还是出于减重和增加可靠性来考虑的。机械式和液压式操控系统不仅笨重，而且部件太多，而且在系统中都是串联，一个部件故障会导致灾难性后果。

电传操纵系统在实验中获得成功后，很快就在飞机上得到了进一步的应用和完善。比如F-8C战机就直接应用了阿波罗11月秋登陆器的成果，成为了首个无机械备份只用电传操纵的战斗机。首款采用数字电传操纵的量产战斗机则是F/A-18大黄蜂。F-16则是进入数字电传操纵时代后，首个采用了静不安定设计的战斗机。像F-117这样气动设计超级恶劣的飞机，也是得益于电传操纵系统，才可以让它能够实用化。

F-8C FBW验证机

F-18是首款服役的数字电传战斗机

F-16是第一种采取静不安定设计的飞机，没有电传操纵系统就不可能实现

像F-117气动设计这么烂的飞机，必须使用电传操纵，否则飞行员连正常飞行都做不到

随着电传操纵技术的发展，伺服液压系统的压强也不断增加，最大压强从20MPa上升到30MPa以上。比如米格-21的液压系统只有21MPa的水平，到了Su-27已经达到了28MPa，而美国在F-18战机已经实现了紧急状态做到35MPa的水平。到了五代机时代，甚至还出现了大功率电液舵机。F-35就全盘使用了这种舵机，取消了复杂的液压管路。可以说到目前为止电传操纵系统最理想的状态就是F-35这一种了。

F-35的大功率电液式舵机

F-35操纵系统分布，绿色为电缆，黄色为电液舵机，非常轻便简洁

在民用领域，而首个采用电传飞控的客机则是英法联合研制的协和飞机，只是受制于技术限制只采用了模拟式的电传操纵；首款数字电传操纵的客机则是空客的A320，波音随之跟进，在波音777上也应用了电传操纵系统。从此数字电传在民用领域也开花结果。今天的汽车普遍使用的电子油门踏板（Accelerator Pedal），电子线控转向，电子线控刹车，某种程度上来说就是电传操纵系统在汽车领域的实际应用。

波音777采用的电传操纵系统

电传操纵的成果也应用到了民用汽车上