滾轉軸操縱靈敏度與動穩定性分析

林軼群，方自力，董亞鵬

(1.中國飛行試驗研究院 飛機所，陜西 西安710089;2.中國飛行試驗研究院 試飛員學院，陜西 西安710089)

0 引言

隨著現代電傳飛機的快速發展，高增益的控制系統導致飛機模態趨于復雜化。高增益電傳飛機滾轉軸操縱特性和動態穩定性在飛行品質鑒定試飛中占有重要地位。國內外的飛行品質規范指出:飛機橫向滾轉特性采用等效滾轉模態時間常數來表征，它描述了飛機的滾轉阻尼特性［1-2］。滾轉阻尼可以用一階滾轉模態時間常數τR表示。國軍標中對τR的最大值作出了明確規定［3］。利用試飛數據，采用低階等效系統方法可以計算得到飛機的滾轉模態時間常數。但是僅僅使用最大值限制來評定滾轉模態飛行品質等級的方法是不完備的。國內關于τR值過低對飛行品質的影響并沒有進行深入的研究。本文針對某型電傳飛機橫向飛行品質，深入剖析了τR值過小對于飛機滾轉軸飛行品質的影響以及導致飛行員評分降低的原因，并且提出了改進方案和建議，為提高電傳飛機飛行品質試飛效率和飛機操縱性提供了有力的技術支持。

1 滾轉模態飛行品質指標

對于飛機滾轉模態的評價，采用的是τR，GJB-185-1986和GJB-2874-97中明確規定了τR各個標準等級的上限值，見表1。

表1 滾轉模態時間常數規范要求Table 1 Required value of roll mode time constant(s)

標準中關于滾轉模態時間常數的評價規定:只要飛機的τR沒有超過各等級上限值，則認為飛機滾轉模態時間常數符合國軍標標準，這與飛行員評分是一致的，在飛行試驗中也得到了很好的應用。

從表1中可以看出，只要飛機的τR＜1.0 s或1.4 s，飛機品質均可以評定為滿足1級標準，并沒有下限規定。但是當τR過低時，駕駛員評分就會發生普遍降低，認為飛機滾轉品質下降。針對這一現象，進行分析和研究后發現:當τR低于1/3 s后，駕駛員集中反映橫向響應過分劇烈，有鋸齒狀滾轉現象。圖1具體給出了過小的τR與駕駛員評分之間的關系。圖2則給出了MIL-HDBK-1797中某飛機的τR過低時，橫向操縱出現鋸齒狀滾轉現象的典型例子［4-5］，圖中，實線為有鋸齒狀，虛線為無鋸齒狀。

圖1 駕駛員評分隨τR的變化Fig.1 Pilot evaluation with τR

圖2 有無鋸齒狀滾轉時間歷程對比Fig.2 Time history plots of roll with ratcheting and without ratcheting

從圖2中可以看出，鋸齒狀滾轉的特點是出現介于頻率2～3 Hz之間類似于極限環的振蕩，其頻率值遠遠高于滾轉軸駕駛員的操縱頻率。

2 原因及解決方法

滾轉角速率對橫向桿力的傳遞函數如下所示:

增益為:

由公式可以看出，如果τR較小，則會產生較大的G(ω)，因此在駕駛員做橫向小幅值高頻(＞10 rad/s)操縱時，經過傳遞函數增益的作用，有可能產生超出預期的滾轉角速率響應。

分析τR過低造成飛行品質評價降低的原因為:(1)飛機在高頻區域具有很大的操縱增益，即過大的駕駛桿操縱靈敏度;(2)駕駛員由于感受到橫向加速度的急劇變化，會產生“配重”反饋作用給飛機，造成駕駛員操縱超前或滯后，從而導致飛機閉環不穩定，這與駕駛員誘發振蕩類似。

解決問題的方法有以下三種:(1)減小中立位置附近的滾轉操縱靈敏度;(2)調整控制律中的相關系數，減小飛機的1/τR;(3)增加一個截止頻率至少為10 rad/s的低通桿前置濾波器。

其中，方法(2)，改變控制律系數，雖然可以直接增大τR，但有可能同時改變飛機其他品質指標，相對比較復雜;方法(3)，增加桿前置濾波器可以減少鋸齒現象，其效果是平滑了駕駛員的輸入，減少了飛機橫向響應中的高頻分量。但是這并不能實際解決飛機靈敏度的問題，而且前置濾波器有可能會增加一個可觀的橫向操縱等效時間延遲。因此，在實際工程應用中，采用方法(1)比較簡單有效，只是稍微減小操縱靈敏度，卻能夠使得飛行員評分提高很多，也適當增大了τR。

下面具體介紹方法(1):滾轉操縱靈敏度是飛機橫向階躍操縱響應達到穩態時滾轉角速率p和橫向桿力Fa的比值:p/Fa。圖3給出了MIL-HDBK-1797中評價滾轉操縱靈敏度的標準。

該方法采用的是非線性桿力成形網絡，而不再是GJB-185-1986中的線性標準。對應不同的輸入幅值，滾轉靈敏度的要求值是非線性變化的，即對滾轉靈敏度有了更細致的區域劃分和適合度要求。依據圖3可以進行飛機滾轉操縱靈敏度調整，使其落在滿足駕駛員評價滿意的區域。

圖3 建議的非線性滾轉操縱靈敏度桿力成形網絡Fig.3 Stick force shaping networks for recommended nonlinear roll control sensitivity

3 飛行試驗

在某型電傳飛機(II類)實際試飛中，駕駛員采用橫向小桿量操縱激發飛機的滾轉模態時，出現了鋸齒滾轉現象，通過理論分析并與設計方討論，選取上述方法(1)來解決，試飛結果如下。

利用低階等效系統辨識得到飛機未調整之前的滾轉模態常數，結果如表2所示。

表2 滾轉模態時間常數值Table 2 Values of roll mode time constant

從表2中可以看出，τR＜1.4 s，滿足表1規范中國軍標的1級標準，但是多個飛行員試飛后給出的評述卻認為:在空中進行橫側小桿量操縱時，感覺有過強的橫向突變性，在執行精確跟蹤等任務時，飛機滾轉品質有所降低。

選取橫向階躍操縱的試驗數據進行檢驗發現:小桿量操縱時，桿力靈敏度(p，Fa)落于圖3中的“過于靈敏、鋸齒”區域。

根據試飛員評述和表2結果，調整了滾轉桿力梯度，主要減小了飛控系統小桿量()輸入時的穩態滾轉角速率，如圖4所示。

圖4 桿力梯度曲線對比Fig.4 Comparison of stick force gradient curves

調整前后的滾轉操縱靈敏度對比如圖5所示。滾轉飛行時間歷程曲線對比如圖6和圖7所示。飛行狀態為V=550 km/h，H=5 km。

由圖5可看出，在桿力小于23 N時，(p，Fa)位置由原來的過靈敏區變化為適中區。由圖6和圖7可看出，調整后飛機鋸齒滾轉現象消失。進一步計算調整后的等效系統滾轉模態時間常數，可以得到τR值提高到了0.4～0.5 s，飛行員評述變為:橫向響應適中，跟隨性好。

因此，飛行試驗證明:減小中立位置附近的滾轉操縱靈敏度可以有效提高飛行品質，解決飛機鋸齒滾轉現象。

圖5 調整前后的滾轉操縱靈敏度對比Fig.5 Roll axis control sensitivity values of improved and unimproved stick force gradien

圖6 調整前飛機滾轉時間歷程Fig.6 Time history plots of airplane roll mode with unimproved sensitivity

圖7 調整后的飛機滾轉時間歷程Fig.7 Time history plots of airplane roll mode with improved sensitivity

4 結論

本文從國軍標出發，深入研究了滾轉模態和滾轉操縱靈敏度在飛行品質評價中的作用。根據理論分析和飛行驗證得到以下結論:

(1)滾轉模態時間常數過小對滾轉軸飛行品質有不利影響;

(2)通過調整滾轉操縱靈敏度來提高滾轉模態時間常數，可以避免鋸齒狀滾轉現象的產生，提高了飛行品質。

［1］ 高金源，李陸豫，馮亞昌.飛機飛行品質［M］.北京:國防工業出版社，2003:98-103.

［2］ 方振平，陳萬春，張曙光.航空飛行器飛行動力學［M］.北京:北京航空航天大學出版社，2005:324-346.

［3］ 中國人民解放軍空軍，航空工業部.GJB-185-1986有人駕駛飛機(固定翼)飛行品質［S］.北京:國防科學技術工業委員會，1987.

［4］ 中國航空工業總公司.GJB-2874-97 電傳操縱系統飛機的飛行品質［S］.北京:國防科學技術工業委員會，1997.

［5］ Department of Defense.MIL-HDBK-1797A Handbook flying qualities of piloted aircraft［S］.USA:Department of Defense，1997.