變穩直升機模擬參數設計

王鋒 李富剛 房圣友

摘要：變穩模擬參數的確定是變穩直升機建設的首要任務。基于ADS-33E典型旋翼飛機飛行品質標準，分析了包括響應類型等在內的旋翼飛機典型飛行品質及表征參數;從飛行品質研究和試飛員培訓的需求出發，提出變穩直升機基本的模擬能力，設計典型的控制策略;最后在典型模擬器環境中對變穩直升機的軸間耦合、模態特性以及響應類型等進行了仿真驗證，表明本文提出的變穩機直升機模擬參數設計方法是可行的。

關鍵詞：變穩直升機;直升機飛行品質;試飛員培訓;響應反饋;控制策略

中圖分類號：V217+.1 文獻標識碼：A

與固定翼變穩飛機類似，變穩直升機也是通過變穩飛行控制系統、可變人感系統等方式改變飛機的操縱響應特性，實現對不同直升機的飛行動力學、穩定性、操縱性及人機工效等特性進行空中飛行模擬的試驗平臺。對變穩直升機來說，其核心的一個問題便是其所具備的模擬能力，即確定合理的模擬參數。世界上已先后成功研制了十多架變穩直升機，如德國的BO-105變穩直升機，加拿大的貝爾一05和貝爾-412變穩直升機[1]，美國的CH-46、S-76“影子”、UH-60、SH-60變穩直升機、俄羅斯的米-4和米-6變穩直升機等，這些變穩直升機在飛行員培訓和飛行品質研究領域得到廣泛應用[2]。我國曾開展過直升機變穩能力和變穩控制技術的先期研究工作，但未涉及和考慮變穩直升機模擬參數的設計。近年來，國內直升機發展迅速，新的旋翼機飛行品質規范ADS-33E-PRF也已經發布，這些都給變穩直升機模擬參數的設計帶來很大挑戰。

本文基于對ADS-33E-PRF旋翼機飛行品質規范關鍵條款的分析，從飛行品質的角度提出變穩直升機的控制策略，并以某型直升機氣動模型為基礎設計了相應的變穩控制模態，最后在模擬器上通過飛行員和試飛工程師的模擬飛行進行了驗證，為我國變穩直升機的設計和研制提供借鑒。

1 基于ADS-33E-PRF飛行品質關鏈條款的分析

典型的旋翼機飛行品質標準歷經兩代，首先是MIL-H-8501和MIL-H-8501A，該標準由于不能反映現代武裝直升機在夜間及其他惡劣氣象條件下的近地面或貼地飛行的要求而存在明顯不足。隨后取而代之的便是ADS-33E-PRF，其版本也不斷進行修訂。目前，ADS-33E-PRF便是國際上最為成熟的軍用直升機飛行品質規范，條款要求完全涵蓋了飛行品質的關鍵要素，主要包括穩定性、操縱性以及操縱系統特性三個部分。而多樣的響應類型作為旋翼機飛行品質的重要組成部分也在該標準中明確，且和任務動作基元相關聯[3]。

（1）操縱性和穩定性要求

在該飛行品質標準中對懸停/低速、前飛等狀態下的直升機穩定性明確了詳細要求。因此，ADS-33E-PRF根據旋翼機的特點關注了直升機4個軸方向的響應：俯仰、滾轉、偏航和垂直。與固定翼飛機不同的是，旋翼機將這些響應根據幅值和頻率確定為配平狀態（任何幅值、長周期響應）、中等偏大幅值和低中頻率、小幅值和中高頻率、小幅值和低中頻率，其劃分方式如圖1所示。

如針對懸停及低速狀態，飛行品質主要對俯仰（滾轉）姿態變化、偏航姿態變化、高度響應特性、軌跡穩定性、靜穩定性等有明確的要求。這些典型的飛機特性均可用頻率、阻尼比和時間常數等參數表征，如對于高度響應來說，高度和總距的關系呈現一階特性，利用時間常數和延遲可表征其典型特性。

另外飛行品質評估準則也體現了這些典型參數，且頻率、阻尼比和時間常數等典型參數也在ADS-33E-PRF推薦的帶寬準則中得到體現。另外從飛行員的角度出發，這些參數最被關注且感受最直接。

（2）響應類型的要求

在旋翼機飛行品質標準中，響應類型是依據適用的任務動作基元（MTE）和可用感示環境來確定。與固定翼飛機相比它的響應類型較多，如速率控制（RC）、速率控制姿態保持（RCAH）、姿態控制姿態保持（ACAH）、速率控制航向保持（RCDH）、速率控制高度保持（RCHH）、平移速率控制（TRC）以及各個通道不同響應類型的組合控制等[4]。因此，在對旋翼機飛行品質評價時，首先需要建立對響應類型的理解，這也是直升機飛行員評價飛行品質的基礎。

2 基于飛行品質的變穩參數設計

2.1 變穩需求分析

從飛行員培訓和飛行品質研究的角度來看，期望變穩直升機提供典型的飛行品質特性，讓飛行員熟悉和掌握不同飛行品質的特點[5]。從旋翼機飛行品質內容的分析來看，結合現有國內旋翼飛機飛行品質和飛控技術的發展，變穩直升機的變穩功能需滿足以下三個需求：

（1）能模擬軸間耦合

軸間耦合是直升機駕駛的一個顯著特點，除了操縱軸上的，在軸響應外還會出現離響應，軸間耦合增加了直升機操縱的復雜性和飛行員的工作負荷。隨著直升機飛控技術的發展，通過混合器以及飛控中類似混合器功能的控制，現代直升機軸間耦合已經變得很小，采用電傳飛控的直升機甚至基本消除了軸間耦合。無論是理解直升機氣動特點，還是發生飛控故障時提升對直升機的控制，對飛行員進行軸間耦合培訓都顯得尤為重要。

（2）能模擬典型的模態特性

目前，典型的模態特性根據其幅值和頻率的大小利用帶寬準則和敏捷性指標進行評判。飛行員對這些特性的感覺主要體現在阻尼比、操縱靈敏度（前饋）、時間延遲等參數上。因此，要模擬典型模態特性就必須對阻尼比、操縱靈敏度和時間延遲進行模擬。

（3）能模擬不同的響應類型

響應類型多樣性是旋翼飛機的特點，也是其飛行品質重要的組成部分。因此，變穩直升機需要具備模擬不同響應類型的功能，才能培訓飛行員熟練掌握旋翼飛機的飛行品質。

2.2 變穩模式設計

對變穩直升機來說，混合器可以實現直升機的操縱解耦與耦合控制，進而實現軸間耦合的模擬;通過響應反饋的控制方式，可以實現各種不同模態特性及響應類型;通過模型跟隨的控制方式，可以實現對新機控制律或先進控制律的驗證。采取上述控制方式基本能夠滿足飛行員的培訓需求[6，7]。

圖2為變穩直升機控制策略示意圖。在正常模式下，控制輸入與原機相聯，當飛行員對模式進行選取時可斷開原機操縱，選擇控制混合器、響應反饋或者模型跟隨模式。其中，通過混合器控制模式實現軸間耦合模擬;響應反饋模式通過前饋和反饋對直升機呈現的阻尼比、操縱靈敏度和時間延遲等參數進行調整，根據反饋參數的不同，響應反饋模式實現不同的響應類型;模型跟隨模式主要是采取模型跟隨方式使得變穩直升機實現不同的響應類型。混合器控制、響應反饋和模型跟隨均屬于變穩模式。因此，必須實時對直升機安全進行監控，若出現影響安全的因素，電傳系統或者飛行員均有權將變穩模式切換至原機操縱模式。圖3為響應反饋控制回路示意圖，圖4為模型跟隨控制回路示意圖，其模型機為具有典型響應類型的飛機模型，而增穩與補償控制回路負責飛機頻率和阻尼的調整。

3 算例分析與飛行員評述

為了進一步驗證上述變穩參數選取的合理性，本文以某型直升機為原型機，采取響應反饋的方式設計了典型變穩直升機的控制系統，并在某型模擬器中進行了飛行驗證。

3.1 響應反饋模式下不同飛行品質的模擬結果

響應反饋模式可實現變阻尼比、時延、前饋增益及各種響應類型的模擬。下面以縱向通道為例進行說明。

圖5為變阻尼比的模擬結果，可以看出：小阻尼比時，俯仰角速率呈現發散趨勢;中阻尼比時，俯仰角速率收斂，但是收斂時間較長;大阻尼比時，俯仰角速率收斂時間較短，穩態值最小，需要通過增大前饋來增強控制。圖6給出了大阻尼比情況下改變前饋增益的模擬結果。前饋越大，俯仰角速率的穩態值越大，操縱性越好，體現了“高增益，高阻尼”的飛控設計思想。

3.2 響應反饋模式下不同晌應類型的模擬結果

圖7給出了速率控制（RC）、速率控制姿態保持（RCAH）、姿態控制姿態保持（ACAH）、平移速率控制（TRC）。其中，RC響應類型時，桿位移對應角速率響應，這種對應關系要求不是很嚴格，桿回中時，角速率有回零的趨勢，但一般情況下不能回到零位;RCAH響應類型時，桿位移對應角速率響應，這種對應關系嚴格，桿回中時，角速率回零;ACAH響應類型時，桿位移對應姿態響應，這種對應關系嚴格，桿回中時，姿態回到初始配平時的姿態;TRC響應類型時，桿位移對應速度，這種對應關系嚴格，桿回中時，速度回零。按照RC、RCAH、ACAH、TRC的順序，穩定性逐漸增強，可適用的可用感知環境（UCE）等級逐漸降低。

3.3 試飛員/試飛工程師評述

系統開發完成后，多名具有豐富直升機試飛經驗的試飛工程師和試飛員對其進行了評價：

（1）通過混合器的控制，可以直觀地體驗總距通道與縱向、橫向、航向之間的耦合以及航向與縱向之間的禍合;軸間耦合模擬增強了試飛員對直升機氣動本體特性的理解。

（2）基于響應反饋的控制方式能基本涵蓋現有典型的旋翼機飛行品質特性，在飛行品質研究特別是飛行員培訓方面具有很強的指導作用。

（3）響應類型是電傳直升機飛行品質的重要組成部分，利用響應反饋的控制方式可以模擬不同的響應類型，加深飛行員對旋翼機飛行品質的理解。同時，隨著響應類型級別的提高，直觀的感受為直升機穩定性增加和操縱負荷減輕，但需要更精準的操縱。

通過試飛工程師和試飛員的評價可以看出，本文所提出的模擬參數基本可以涵蓋旋翼機飛行品質模擬的各種需求，控制策略設計簡單，安全可控。

4 結束語

變穩直升機是旋翼機飛行員培訓最為有效的平臺，而變穩控制策略是其中最為核心的技術。本文分析了旋翼機的飛行品質特點，給出了變穩直升機模擬關鍵參數和變穩控制模式的建議，初步解決了變穩直升機模擬什么以及如何模擬的問題。除此之外，完善的變穩直升機控制策略還應包括：人感特性、人機工效、任務系統等的模擬以及安全控制策略的設計等，這些本文尚未涉及，是下一階段的研究內容。

參考文獻

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[2]Ohmit E E，Easer J R，Govindaraj K S.Augmented aircrafthandling qualities[Z].New York：Calspan，2006.

[3]Larry O D.ADS-33E-PRF Aeronautical design standard：handling qualities requirements for military rotorcraft [S].America：United States Army Aviation and Missile Command，2000.

[4]張宏林，田磊，周禹，等.加拿大變穩直升機試飛技術培訓技術總結[Z].西安：中國飛行試驗研究院，2017.

[5]王鋒，李富剛，房圣友.某型變穩直升機建設立項論證報告[Z].西安：中國飛行試驗研究院，2017.

[6]楊生民，章伯定.直升機空中模擬在試飛員培訓中的發展與應用[2].西安：中國飛行試驗研究院，2013.

[7]李富剛，張毅，丁團結.變穩直升機控制與變穩能力估算方法[J].飛行力學，2014，32（5）：385-388.