基于虛擬駕駛員仿真的非定常尾流下直升機飛行品質研究

王 濱，徐玉貌

(中國直升機設計研究所，江西 景德鎮 333001)

0 引言

艦載直升機的飛行環境惡劣，尤其是艦面尾流場復雜多變，導致直升機的起飛和著艦受到很嚴格的條件限制，飛行時機和任務時間也受到很大的限制，飛行員在起飛離艦與返場著艦過程中的工作負荷相當大，由此造成飛行事故的概率也遠比陸基直升機高[1]。因此，分析艦面非定常尾流場對機艦動態配合飛行品質的影響，對艦載直升機良好的飛行品質設計意義重大，不僅是高質量完成任務的基本保證，也對飛行安全具有重要作用[2]。

本文選取國外常見的三種下滑-著艦進近軌跡[3]，在建立的直升機飛行動力學模型中，運用基于虛擬駕駛員的仿真分析方法，開展定常與非定常尾流對機艦動態配合飛行品質的影響的分析工作，并給出著艦操作建議，為設計艦載直升機優良的飛行品質提供理論指導。

1 計算方法

基于虛擬駕駛員[4]的仿真分析方法能夠生成虛擬駕駛員操縱輸入，驅動非線性直升機模型按預定軌跡進行飛行。該方法根據用戶定義的約束條件，基于赫爾姆斯曼行為方法(Helmsman Behavior method)自動生成飛行軌跡。該方法采用“3-arc”假設將3個任務點(例如先前、當前和下一時刻)進行光滑連接生成軌跡；然后采用獨特的增強逆仿真技術根據預定的軌跡生成操縱；最后，將前饋控制與反饋補償器結合，進行高精度的軌跡跟蹤仿真。

1)增強逆仿真技術

相比于逆仿真技術[5]，為了提高其計算精度，增強逆仿真技術將其線性模型逆過程替換成為了初始配平狀態預估算法，如圖1所示。該算法用于預測給定配平點處的飛行器滾轉和俯仰姿態，每個時間步的姿態角采用分段插值算法獲得。利用姿態角隨時間的變化，求出角速度及角加速度的變化。求解得到的角加速度和線加速度(由預定軌跡求得)在隨后的第一次動態配平過程中作為運動約束。

在第一次動態配平過程中，飛行器角運動被重新定義，自動飛行控制系統的控制信號能夠被計算出來。第二次動態配平過程采用了第一次的角運動及控制信號，進一步求解軌跡跟蹤的操縱信號。求解得到的給定配平點的操縱信號通過插值，進一步得到時間連續的操縱。

圖1 增強逆仿真方法

2)反饋補償器

由于數值插值過程中會產生傳遞誤差，并且在動態配平過程中由于非周期時變氣動環境等的影響可能會產生軌跡跟蹤誤差，因此有必要引入一個反饋補償器。如圖2所示。

圖2 用于誤差修正的反饋補償器

根據應用方式的不同，反饋補償器的結構可采用經典的控制理論、魯棒控制方法、優化控制方法等。經典的PID控制方法由于其結構簡單，并且應用于直升機的時候每個操縱通道都是解耦的，因此用于反饋補償器比較有益。但是，由于直升機動力學及操縱的高度耦合性，反饋增益的選擇過程是非常耗時的。由于本方法前饋操縱是由精確的動態配平優化生成的，用于誤差修正的反饋補償器不是經常需要用到，增益的選擇過程需求量不大，該增益的選擇可用自動增益選擇算法進行實現。

2 算例仿真

以某型右旋艦載直升機和某艦為例開展了仿真計算，計算時分別設置環境來流風向為0°，風速為55km/h，艦載機下滑角為3°，船速為0，計算直升機三種下滑-著艦進近軌跡下的飛行品質。計算條件具體設置如表1所示，進近軌跡如圖3所示。

表1 計算條件設置

3 仿真結果

機艦動態配合過程的下滑-著艦進近軌跡的飛行姿態、操縱量變化和駕駛員操縱功率譜分析，計算結果見圖4-圖12。圖中，垂直于橫坐標軸的黑色實線為艦船尾流影響區分界線，該分界線右側代表直升機進入了艦船尾流影響區。紅色長虛線代表無艦船尾流影響時的計算結果；黑色短虛線代表考慮定常尾流時的計算結果；藍色實線代表考慮非定常尾流時的計算結果。

圖3 直升機三種下滑-著艦進近軌跡

3.1 飛行姿態分析

從圖4-圖6可以看出，在直升機下滑-著艦進近過程中，進入非定常尾流影響區后，軌跡1的俯仰角和滾轉角呈周期振蕩趨勢，波動較為明顯；軌跡3的俯仰角幅值偏大，最大為9°；相比之下，軌跡2的姿態更為平穩。

圖4 下滑-著艦進近計算軌跡1飛行姿態分析

圖5 下滑-著艦進近計算軌跡2飛行姿態分析

3.2 操縱量變化分析

從圖7-圖9可以看出，在直升機下滑-著艦進近過程中，進入非定常尾流影響區后，軌跡1的縱向操縱和橫向操縱量呈周期振蕩趨勢且幅值較大，波動較為明顯；軌跡3在第60s左右橫向操縱和腳蹬操縱量過于劇烈；相比之下，軌跡2的操縱量更為平穩。

圖6 下滑-著艦進近計算軌跡3飛行姿態分析

圖7 下滑-著艦進近計算軌跡1操縱量變化情況分析

圖8 下滑-著艦進近計算軌跡2操縱量變化情況分析

圖9 下滑-著艦進近計算軌跡3操縱量變化情況分析

3.3 駕駛員操縱功率譜分析

考慮非定常艦船尾流影響，對下滑-著艦進近過程中進入艦船尾流影響區之后的駕駛員操縱時間歷程進行功率譜分析。如圖10-圖12所示：軌跡1的縱向操縱和橫向操縱變化比較劇烈，軌跡3橫向操縱變化比較劇烈，在低頻段出現能量集中點，駕駛員負荷較大；相比之下，軌跡2的操縱功率譜未出現能量峰值，負荷較小。

圖10 下滑-著艦進近計算軌跡1駕駛員操縱功率譜分析

圖11 下滑-著艦進近計算軌跡2駕駛員操縱功率譜分析

圖12 下滑-著艦進近計算軌跡3駕駛員操縱功率譜分析

4 結論

1)從飛行姿態和操縱量變化分析結果可以看出，下滑-著艦進近時相比于定常尾流，非定常尾流場對機體姿態角和駕駛員操縱的擾動更為劇烈。

2)在0°風向和55km/h風速條件下，計算軌跡1和3的姿態角波動明顯，同時駕駛員操縱量幅值偏大。從其駕駛員功率譜圖可以看到，縱向和橫向操縱變化比較劇烈，負荷較大。對于該型直升機，進行機艦配合時的進場路線推薦采用左后方45°(軌跡2)進艦方式。

3)采用該種基于虛擬駕駛員仿真的非定常尾流對機艦動態配合飛行品質的影響的研究方法，能夠模擬出駕駛員在非定常尾流場中的工作負荷，為飛行品質研究提供支撐，可進一步用于安全使用包線的計算修正工作。