直升機氣動解耦設計技術研究

殷士輝，萬海明，陸永杰

(中國直升機設計研究所，江西 景德鎮 333001)

0 引言

為了研究直升機氣動解耦設計方法，采用全機非線性飛行動力學模型[1-3]進行配平計算，分析某民用直升機，得出總距操縱與縱向、橫向和航向操縱的聯動比例系數，與國外設計結果具有較好的符合性。

1 直升機氣動解耦設計思路

在直升機飛行中，主槳槳距、縱(橫)向周期變距和尾槳槳距的變化操縱直升機進行各種飛行，這4種操縱來自兩個方面，包括飛行員駕駛桿行程和操縱系統(或者飛控系統)的助力器變化，形成了如圖1的關系。

由于在大部分飛行狀態下，為了直升機的穩態飛行，總距操縱的增加或者減少總是會引起縱向、橫向和航向操縱的相應變化，如果在操縱系統(或者飛控系統)中引入總距與其他三個操縱方向的聯動關系，則可以降低飛行員的操作負荷，提高全機飛行品質水平。因此，為了確定操縱聯動關系，需要全機飛行動力學模型計算出在各種飛行狀態下槳葉變距的配平值，分析總距與縱向(橫向)周期變距、尾槳距的變化關系，研究并確定在主要飛行狀態下的比例關系。

圖1 操縱示意圖

某民用直升機在機械操縱系統上具有總距與其他三個方向的操縱聯動關系，為研究設計方法，我們確定了解決氣動解耦的兩個設計要點：

1) 操縱聯動關系確立后的全機操縱范圍能夠滿足所有飛行狀態要求；

2) 總距與縱向、橫向、航向的操縱聯動關系能夠在主要飛行狀態上降低飛行員操縱負荷。

2 樣例直升機氣動解耦設計

該直升機的主要飛行狀態為：從懸停到大速度前飛，在不同速度下的爬升和下降。

采用全機非線性飛行動力學模型計算出了這些主要狀態的配平結果，得到了槳葉變距的變化關系。在配平計算結果中，可以形成總距與縱向、橫向和航向之間的操縱關系，見圖2、圖3和圖4。以總距與尾槳距的操縱關系為例，配平計算反映了從懸停到大速度、從爬升到下降的整個飛行區域的操縱關系，總的來看，在每個速度點上，總距與尾槳距之間都存在較好的線性關系。

由此可以得到在不同速度點上的操縱聯動比例關系，形成圖5、圖6和圖7。確定最終的比例關系不僅需要考慮減輕飛行員操縱負荷，還需要考慮對全機操縱范圍的影響。

圖2 在主要飛行狀態下的總距與尾槳距的變化關系

圖3 在主要飛行狀態下的總距與縱向周期變距的變化關系

圖4 在主要飛行狀態下的總距與橫向周期變距的變化關系

圖5 總距-尾槳距的操縱聯動關系

圖6 總距-縱向周期變距的操縱聯動關系

從圖5、圖6和圖7可以看出，在整個速度范圍內，總距與其他三個方向的操縱關系具有一定的離散性。由于該型機的使用特點決定了其常用的飛行狀態是巡航飛行，因此選取在巡航狀態的操縱比例關系將能最大程度地降低飛行員的操縱負荷，同時考慮到具有該比例關系的操縱范圍需要涵蓋所有的飛行狀態，最終形成的操縱聯動比例見表1。

圖7 總距-橫向周期變距的操縱聯動關系

按照上述設計思路和流程，對比計算了增加氣動解耦時駕駛員操縱負荷的降低程度[4]，見圖8。

表1 氣動解耦設計對比

圖8顯示，帶有氣動解耦后，在前飛過程中，駕駛員在航向、橫向的操縱負荷明顯降低，縱向操縱保持了原有的操縱梯度。在我們計算的其他速度狀態下，爬升或者下降時航向、縱向和橫向操縱負荷都降低很多，反映出目前設計的操縱聯動關系能夠有效降低駕駛員的操縱負荷，提升全機飛行品質。

圖8 帶有操縱聯動后駕駛員操縱負荷的降低程度

3 結束語

本文基于直升機飛行動力學模型和配平結果，總結出操縱聯動關系的設計方法，驗證和應用結果表明，該設計方法達到工程精度，并具有較強的通用性，能夠適用于各類直升機。通過該方法得到的氣動解耦能夠有效降低駕駛員操縱負荷，能夠作為操縱系統或者飛控系統設計之全機氣動解耦中的重要輸入參數，具有工程應用價值。