直升機(jī)中等幅度滾轉(zhuǎn)姿態(tài)敏捷指標(biāo)與障礙滑雪任務(wù)科目的相關(guān)性研究

楊文鳳，宋攀，田磊

中國飛行試驗(yàn)研究院，陜西 西安 710089

姿態(tài)敏捷性指標(biāo)是直升機(jī)的一項(xiàng)重要指標(biāo)，尤其對(duì)武裝直升機(jī)而言，良好的姿態(tài)敏捷性指標(biāo)可以讓直升機(jī)快速地從一種穩(wěn)定的姿態(tài)變化到另一種穩(wěn)定的姿態(tài)，能夠順利地完成障礙規(guī)避、地形跟蹤及偵察攻擊等各類復(fù)雜的任務(wù)[1]。中等幅度滾轉(zhuǎn)姿態(tài)敏捷性指標(biāo)是對(duì)直升機(jī)產(chǎn)生滾轉(zhuǎn)速率來獲得滾轉(zhuǎn)姿態(tài)變化能力的一種度量[2]。

ADS-33E使用兩種不同的方法確定飛行品質(zhì)等級(jí)，分為預(yù)估飛行品質(zhì)等級(jí)和認(rèn)定飛行品質(zhì)等級(jí)。預(yù)估等級(jí)根據(jù)定量指標(biāo)確定，這些定量指標(biāo)以飛行試驗(yàn)和地面仿真獲得的飛行品質(zhì)評(píng)定數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)。任務(wù)科目指標(biāo)是試飛員對(duì)規(guī)定的任務(wù)科目進(jìn)行飛行檢驗(yàn)而給出的等級(jí)，它是對(duì)該機(jī)飛行品質(zhì)的綜合定性的評(píng)價(jià)，稱為認(rèn)定飛行品質(zhì)等級(jí)。直升機(jī)最終確定的飛行品質(zhì)等級(jí)是對(duì)這兩種評(píng)級(jí)進(jìn)行綜合所得出的結(jié)論，預(yù)估飛行品質(zhì)最終能否與任務(wù)科目指標(biāo)一致成為飛行品質(zhì)設(shè)計(jì)成敗的關(guān)鍵。

ADS-33E是美國軍用直升機(jī)飛行品質(zhì)規(guī)范將開環(huán)試驗(yàn)得到的中等幅度滾轉(zhuǎn)姿態(tài)敏捷性指標(biāo)作為預(yù)估飛行品質(zhì)等級(jí)的依據(jù)，同時(shí)與相對(duì)應(yīng)的如障礙滑雪、側(cè)移等任務(wù)科目的閉環(huán)試驗(yàn)結(jié)果結(jié)合起來，綜合評(píng)定直升機(jī)飛行品質(zhì)等級(jí)，強(qiáng)調(diào)直升機(jī)綜合使用性能[3]。滾轉(zhuǎn)姿態(tài)敏捷性指標(biāo)和障礙滑雪、側(cè)移等任務(wù)科目指標(biāo)的一致性成為飛行品質(zhì)評(píng)價(jià)的關(guān)鍵。

本文對(duì)ADS-33E中的滾轉(zhuǎn)姿態(tài)敏捷性規(guī)范要求進(jìn)行了深入研究和分析，表明了滾轉(zhuǎn)姿態(tài)敏捷性指標(biāo)是通過不同直升機(jī)針對(duì)障礙滑雪任務(wù)科目的典型問題進(jìn)行了大量飛行試驗(yàn)以及飛行仿真得到的，驗(yàn)證了滾轉(zhuǎn)姿態(tài)敏捷性和任務(wù)科目指標(biāo)一致性的問題，并利用某型直升機(jī)飛行試驗(yàn)對(duì)其一致性進(jìn)行了驗(yàn)證。

1 規(guī)范要求

中等幅度滾轉(zhuǎn)姿態(tài)敏捷性規(guī)范要求[4]：滾轉(zhuǎn)角速度峰值與滾轉(zhuǎn)角變化量峰值之比，即ppk/Δφpk應(yīng)滿足圖1中的要求。從一個(gè)穩(wěn)定滾轉(zhuǎn)姿態(tài)過渡到另一個(gè)穩(wěn)定滾轉(zhuǎn)姿態(tài)所需的姿態(tài)角改變應(yīng)盡可能快地完成，且相對(duì)配平位置不應(yīng)有明顯的座艙操縱反向。符合本要求的滾轉(zhuǎn)角的變化應(yīng)在10°到使用飛行包線邊界或滾轉(zhuǎn)角改變60°（取較小者）的范圍內(nèi)，如圖1所示的參數(shù)定義。對(duì)只適用于UCE=2或UCE=3的響應(yīng)類型，不必滿足本要求。

圖1 中等幅度滾轉(zhuǎn)姿態(tài)敏捷性要求Fig.1 Roll attitude quickness criteria

該要求對(duì)于明確指定使用UCE=2或UCE=3的響應(yīng)類型不適用。例如，如果旋翼機(jī)有可選擇自動(dòng)飛控系統(tǒng)（AFCS）模態(tài)、Rate和姿態(tài)控制/姿態(tài)保持（ACAH）響應(yīng)類型，通常指定速率響應(yīng)類型應(yīng)用于良好目視條件且需滿足中等幅度姿態(tài)敏捷要求。而ACAH響應(yīng)類型通常被指明應(yīng)用于UCE>1或者分配注意力的情況下。對(duì)于UCE>1的飛行，ACAH響應(yīng)類型強(qiáng)調(diào)穩(wěn)定性并且認(rèn)為高敏捷性是不必要的。

障礙滑雪機(jī)動(dòng)科目試飛方法如下：使直升機(jī)機(jī)頭對(duì)準(zhǔn)跑道地標(biāo)中心線，以Vi=110km/h，離地高度30m穩(wěn)定平飛，如圖2所示要求在30m標(biāo)志點(diǎn)的范圍內(nèi)完成長(zhǎng)度間隔為150m的平滑轉(zhuǎn)彎，轉(zhuǎn)彎中心線為15～30m，在中心線上方以平飛結(jié)束動(dòng)作。

圖2 障礙滑雪示意圖Fig.2 Diagram of slalom

2 滾轉(zhuǎn)姿態(tài)敏捷性指標(biāo)分析

敏捷性指標(biāo)是針對(duì)速率響應(yīng)類型要求，橫向速率響應(yīng)類型可以寫為下式一階系統(tǒng)[5]。

式中：p為滾轉(zhuǎn)角速率，Wx為橫向操縱，Lp為滾轉(zhuǎn)阻尼。對(duì)于橫向階躍操縱，滾轉(zhuǎn)角速率將會(huì)使指數(shù)增長(zhǎng)到一個(gè)穩(wěn)定值ps。

假設(shè)橫向操縱輸入為持續(xù)時(shí)間為t1的脈沖，將會(huì)產(chǎn)生一個(gè)姿態(tài)改變?chǔ)う眨瑵L轉(zhuǎn)角速率和滾轉(zhuǎn)角的響應(yīng)可以分為脈沖輸入中和脈沖輸入后兩個(gè)階段，方程為：

從上面兩個(gè)方程可以得到姿態(tài)敏捷性的指標(biāo)，簡(jiǎn)化可以得到：

式中： 。圖3給出了根據(jù)滾轉(zhuǎn)阻尼正則化的敏捷性曲線。

圖3 滾轉(zhuǎn)阻尼正則化的敏捷性曲線Fig.3 Variation of normalized quickness with manoeuvre time ratio

當(dāng)脈沖輸入時(shí)間足夠短時(shí)，敏捷性近似于滾轉(zhuǎn)阻尼：

如果脈沖輸入時(shí)間持續(xù)增加，敏捷性會(huì)和輸入時(shí)間成反比：

3 滾轉(zhuǎn)姿態(tài)敏捷指標(biāo)與“障礙滑雪”任務(wù)科目指標(biāo)一致性分析

圖4給出了“山貓”直升機(jī)在障礙滑雪任務(wù)科目中橫向操縱輸入、滾轉(zhuǎn)角以及角速度的時(shí)間歷程曲線[6]。這個(gè)機(jī)動(dòng)動(dòng)作可以分解為一系列的姿態(tài)改變，每個(gè)姿態(tài)改變和一個(gè)特定的角速度峰值相關(guān)聯(lián)，將其畫在相平面上，如圖5所示，對(duì)于“山貓”直升機(jī)，滾轉(zhuǎn)軸是速率控制，所以滾轉(zhuǎn)速率可以很好地跟隨操縱，圖6（a）給出了障礙滑雪中和姿態(tài)改變相對(duì)應(yīng)的角速率峰值。每個(gè)點(diǎn)代表了以特定程度機(jī)動(dòng)性完成的姿態(tài)改變。同一條射線上的點(diǎn)代表了飛行員同等程度的機(jī)動(dòng)性，這種機(jī)動(dòng)性就是我們所說的敏捷性。

圖4 “山貓”直升機(jī)障礙滑雪時(shí)間歷程圖Fig.4 Time histories for Lynx helicopter fl ying slalom

除障礙滑雪科目涉及滾轉(zhuǎn)軸敏捷性外，側(cè)移科目也能反映直升機(jī)滾轉(zhuǎn)敏捷性，為此，國外通過“山貓”直升機(jī)分別以有限機(jī)動(dòng)、中等機(jī)動(dòng)、迅猛機(jī)動(dòng)進(jìn)行側(cè)移科目試飛，得到不同機(jī)動(dòng)程度下的滾轉(zhuǎn)軸敏捷性[7]，如圖 7所示。

不同直升機(jī)的滾轉(zhuǎn)阻尼不同，敏捷性也有所不同，為此，國外還通過BO105直升機(jī)進(jìn)行敏捷性飛行試驗(yàn)[8]，如圖8所示。

圖5 “山貓”直升機(jī)障礙滑雪相平面圖Fig.5 Phase plane portrait for Lynx helicopter fl ying slalom

圖6 障礙滑雪滾轉(zhuǎn)響應(yīng)Fig.6 Roll response for slalom

綜合不同直升機(jī)、不同科目的敏捷性飛行試驗(yàn)，最終形成目標(biāo)捕獲與跟蹤及所有其他任務(wù)基本動(dòng)作MTE的敏捷性定量指標(biāo)，如圖1所示。由此可見，由于滾轉(zhuǎn)姿態(tài)敏捷開環(huán)定量指標(biāo)是根據(jù)仿真計(jì)算和MTE試飛數(shù)據(jù)確定的，所以其一致性良好。按預(yù)估定量指標(biāo)設(shè)計(jì)的飛行品質(zhì)能基本滿足任務(wù)科目的性能要求，由預(yù)估的飛行品質(zhì)等級(jí)和認(rèn)定的飛行品質(zhì)等級(jí)綜合評(píng)定所得的結(jié)果基本會(huì)取得一致的品質(zhì)等級(jí)評(píng)價(jià)。

圖7 側(cè)移科目中的滾轉(zhuǎn)姿態(tài)敏捷性Fig.7 Roll attitude quickness for lateral sidestep

圖8 BO105滾轉(zhuǎn)姿態(tài)敏捷Fig.8 Roll attitude quickness on BO105

4 試飛驗(yàn)證

4.1 試飛對(duì)象

試飛對(duì)象為一架單旋翼帶尾槳布局直升機(jī)，旋翼旋轉(zhuǎn)方向?yàn)槟鏁r(shí)針（俯視），尾槳位于機(jī)身右側(cè)。該直升機(jī)采用數(shù)字式飛控系統(tǒng)，通過傳感器采集將飛行員的操縱指令、直升機(jī)運(yùn)動(dòng)量等各種信號(hào)傳遞給飛控計(jì)算機(jī)，由飛控計(jì)算機(jī)處理后控制主、尾槳舵機(jī)運(yùn)動(dòng)，最終將指令傳遞到主、尾槳葉等操縱面，實(shí)現(xiàn)對(duì)直升機(jī)的飛行狀態(tài)控制。該試飛對(duì)象橫向設(shè)計(jì)為ACAH響應(yīng)類型。

4.2 試飛方法

滾轉(zhuǎn)姿態(tài)敏捷試飛方法為：根據(jù)規(guī)范要求，針對(duì)橫向ACAH響應(yīng)類型，設(shè)計(jì)姿態(tài)敏捷的輸入方式為不同幅值的座艙橫向階躍輸入動(dòng)作，階躍持續(xù)時(shí)間6～8s。障礙滑雪機(jī)動(dòng)科目試飛按照規(guī)范要求執(zhí)行。

4.3 試飛結(jié)果及分析

在試飛過程中，選取氣壓高度1000m為試驗(yàn)高度，在穩(wěn)定平飛狀態(tài)下，進(jìn)行橫向左、右壓桿階躍操縱輸入。試驗(yàn)過程中為了得到不同大小的最小滾轉(zhuǎn)角φmin，通過改變操縱輸入幅值來實(shí)現(xiàn)。圖9給出了前飛滾轉(zhuǎn)姿態(tài)敏捷性試飛結(jié)果，從圖9的試飛結(jié)果可知，該型直升機(jī)在ACAH響應(yīng)類型下前飛滾轉(zhuǎn)姿態(tài)敏捷滿足等級(jí)2的要求。

圖9 滾轉(zhuǎn)姿態(tài)敏捷結(jié)果Fig.9 Roll attitude quickness results

障礙滑雪科目試飛結(jié)果見表1。從表1可知，障礙滑雪科目的試飛結(jié)果達(dá)到了滿意性能，飛行員庫珀-哈珀評(píng)價(jià)為4，即飛行員需要做適當(dāng)?shù)鸟{駛補(bǔ)償才能達(dá)到滿意的性能，綜合可知其障礙滑雪科目試飛結(jié)果為等級(jí)2，與前飛滾轉(zhuǎn)姿態(tài)敏捷指標(biāo)等級(jí)相一致，即滾轉(zhuǎn)姿態(tài)敏捷開環(huán)定量指標(biāo)與障礙滑雪閉環(huán)任務(wù)科目指標(biāo)一致性得到驗(yàn)證。

試驗(yàn)機(jī)橫向?yàn)锳CAH響應(yīng)類型，該響應(yīng)類型主要應(yīng)用于不良目視下的精確操縱，橫向增益較小、阻尼較大、穩(wěn)定性較強(qiáng)，因此導(dǎo)致敏捷性指標(biāo)降低，前飛滾轉(zhuǎn)姿態(tài)敏捷指標(biāo)為等級(jí)2。障礙滑雪閉環(huán)任務(wù)科目要求至少以110km/h的空速在30m標(biāo)志點(diǎn)的范圍內(nèi)完成長(zhǎng)度間隔為150m的平滑轉(zhuǎn)彎，需要直升機(jī)對(duì)橫向操縱能做出較快的角速率和姿態(tài)響應(yīng)，而試驗(yàn)機(jī)橫向增益小、阻尼大，導(dǎo)致直升機(jī)響應(yīng)遲鈍，飛行員為了快速精確地轉(zhuǎn)彎，達(dá)到滿意的性能，工作負(fù)荷增加，需要做出適當(dāng)?shù)难a(bǔ)償，因此，障礙滑雪任務(wù)科目試飛結(jié)果為等級(jí)2。由此可見，試驗(yàn)機(jī)滾轉(zhuǎn)姿態(tài)敏捷開環(huán)指標(biāo)和障礙滑雪任務(wù)科目指標(biāo)具有一致性，均和橫向通道增益和阻尼相關(guān)。

表1 障礙滑雪試飛結(jié)果Table 1 Flight results of slalom

5 結(jié)論

以速率響應(yīng)類型為例，分析研究了滾轉(zhuǎn)姿態(tài)敏捷性指標(biāo)，表明滾轉(zhuǎn)姿態(tài)敏捷和滾轉(zhuǎn)阻尼以及脈沖輸入時(shí)間相關(guān)。通過對(duì)國外不同直升機(jī)在滾轉(zhuǎn)姿態(tài)敏捷相關(guān)的任務(wù)科目試飛結(jié)果分析，表明滾轉(zhuǎn)姿態(tài)敏捷指標(biāo)評(píng)價(jià)和“障礙滑雪”閉環(huán)任務(wù)科目指標(biāo)評(píng)價(jià)具有良好的一致性，并在型號(hào)試飛中對(duì)其進(jìn)行了驗(yàn)證。本項(xiàng)研究為我們開展ADS-33E規(guī)范的背景研究以及后續(xù)我國新的飛行品質(zhì)規(guī)范的背景材料編寫提供了依據(jù)，同時(shí)為后續(xù)直升機(jī)型號(hào)飛行品質(zhì)試飛提供了經(jīng)驗(yàn)和技術(shù)支持。

[1] Blanken C L，Hoh R H，Mitchell D G， et al. Test guide for ADS-33E-PRF [R]. HOH Aeronautics， Inc. HAI-TR-1130-1， AMRAF-08-07， 2008.

[2] 楊松山.直升機(jī)機(jī)動(dòng)飛行時(shí)的響應(yīng)特征和評(píng)定要求[M].西安：中國飛行試驗(yàn)研究院，2002.YANG Songshan. The response characteristics and evaluation requirements of helicopter maneuvering flight[M]. Xi’an：Chinese Flight Test Establishment， 2002. （in Chinese）

[3] 國防科技工業(yè)委員會(huì).軍用直升機(jī)飛行品質(zhì)規(guī)范背景材料和使用說明[M].北京：航空工業(yè)出版社，1986.COSTIND. Background materials and instructions of handling qualities requirements for military helicopter[M]. Beijing：Aviation Industry Press，1986. （in Chinese）

[4] Baskett B J. Aeronautical design standard performance specification， handling qualities requirements for military rotorcraft[M]. USA： Unite States Army Aviation and Missile Command， 2000.

[5] Padfield G D. Helicopter flight dynamics[M]. UK： Blackwell Publishing， 2007.

[6] Padfield G D，Jones J P，Charlon M T ， et al. Where does the workload go when pilots attack manoeuvres? An analysis of results from fl ying qualities theory and experiment[C]// European Rotorcraft Forum， 1994.

[7] Charlton M T，Padfield G D. Helicopter agility in low speed maneuvers[C]//European Rotorcraft Forum， 1987.

[8] Ockier C J. Flight evaluation of the new handling qualities criteria using the Bo105[C]// The 49thAnnual Forum of the American Helicopter Society， 1993.