基于使用需求的直升機自動向下過渡試飛研究

孟曉偉 馬庚軍 宋招枘

摘 要：為了使直升機自動向下過渡功能更加滿足使用需求，對直升機自動向下過渡功能進行了試飛研究。首先分析了側風對自動向下過渡功能的影響；并在此基礎上研究了自動向下過渡功能投入時直升機的高度、速度等參數對自動向下過渡距離的影響，得出了自動向下過渡距離與水平總地速的對應關系；最后給出了自動向下過渡功能的投入窗口以期在實際使用中提升該功能的使用效能。

關鍵詞：投入窗口；自動向下過渡；過渡距離；水平總地速；直升機

中圖分類號：V216 文獻標志碼：A 文章編號：2095-2945（2018）19-0081-03

Abstract： In order to make the helicopter's function of automatic downward transition meet the needs of the use more， the helicopter's function of automatic downward transition is studied in flight test. The influence of crosswind on the automatic downward transition function is analyzed， and the influence of helicopter height and speed on the automatic downward transition distance is studied. The corresponding relationship between the automatic downward transition distance and the horizontal total ground velocity is obtained. Finally， the input window of the automatic downward transition function is given in order to improve the efficiency of the function in practice.

Keywords： input window； automatic downward transition； transition distance； horizontal total ground velocity； helicopter

引言

由于海面上空存在參照物缺少和空間感喪失等問題，直升機從一定飛行高度向下過渡到近海面上空穩定懸停時，單單靠人工操作會嚴重增加駕駛員的工作負荷，影響飛行安全和完成任務的效率，因而為了使駕駛員更方便地完成過渡過程，在直升機自動駕駛儀中引入了自動向下過渡功能。直升機自動向下過渡是指直升機從初始高度和速度自動過渡到較低高度進入懸停的過程[1]。自動過渡是一種復雜的飛行自動控制過程，需要自動駕駛儀的俯仰、滾轉、航向以及高度等4個通道協同工作[2]。在自動過渡過程中，往往要求過渡軌跡快速且光滑，期間直升機不應有較大的高度、姿態振蕩等不良響應，在自動向下過渡末端，當直升機高度到達目標高度且狀態相對穩定時，直升機應能自動切換至自動懸停和懸停無線電高度保持模態。

對于自動過渡曲線控制律的設計，目前已有較多的研究，文獻[2]設計了一種新型的自動過渡懸停系統，在高度下降指令中加入了法向速度反饋，在縱向地速減小過程中增加了拋物線減速階段，并用stateflow和simulink工具對所設計的系統進行了驗證，得到的過渡曲線平滑且滿足加速度的指標要求。文獻[3]建立了高度自動過渡、速度自動過渡數學模型，設計了模擬器中自動過渡的仿真結構圖，利用直升機六自由度非線性模型對自動過程進行了仿真，結果表明文中方法能夠實現直升機模擬器中自動過渡仿真功能任務需求。從現有文獻可知，為了保障過渡曲線盡可能光滑，直升機高度、速度需按一定的規律進行變化，這使得自動過渡完成后直升機的位置難以控制。而在實際使用中，往往不僅僅要求直升機可以自動過渡到指定高度懸停，并期望能過渡到目標位置（即過渡到指定懸停點），如直升機在實施海上救援[4][5]時，要求直升機能在指定救援點進行懸停，若是直升機自動向下過渡模態具有定點過渡能力，將在很大程度上減少駕駛員的工作負荷，提高救援效率（尤其在夜間救援）。但當前如果在自動向下過渡模態的控制設計中引入定點過渡功能，將會面臨一系列的技術難點，例如在不同的待飛距離下，為了使直升機自動過渡到目標點，直升機在自動向下過渡過程中，高度速度變化曲線將難以保持光滑，可能會出現飛控權限不夠、旋翼渦環、姿態變化過大、回避區飛行時間較長等問題，因而在自動向下過渡模態中合理地引入定點過渡功能目前還難以較好地實現。

鑒于此，本文從使用需求的角度出發，以某型具有自動向下過渡功能的直升機作為樣例直升機，對自動向下過渡功能進行了試飛研究。首先在直升機自動向下過渡的典型使用高度速度范圍內，在側風狀態接通自動向下過渡功能，分析側風對自動過渡功能的影響，并在此基礎之上，以迎風狀態接通自動過渡功能，通過速度積分計算給出自動過渡距離，分析投入時高度、速度等參數對過渡距離的影響，并進一步給出自動過渡功能的投入窗口，作為駕駛員使用自動過渡功能的投入狀態參考，以期盡可能在自動過渡完成后靠近目標點，降低駕駛員的工作負荷，提高任務的執行效率。

1 樣例直升機概述

樣例直升機為單旋翼帶尾槳式直升機，主旋翼由主槳葉、主槳轂、自動傾斜器等三部分構成，主槳轂采用星形柔性槳轂型式。其自動向下過渡功能通過對俯仰軸和總距軸的控制，使直升機按照一定的曲線自動過渡到自動懸停和懸停無線電高度保持模態，過渡過程如圖1所示。

2 自動向下過渡飛行試驗