直升機飛行品質(zhì)等級數(shù)值認定方法研究

田洪源 魯可 武上景 劉春生 李春華

摘要：針對直升機機動飛行品質(zhì)評估，ADS-33E-PRF飛行品質(zhì)規(guī)范設立了不同機動性要求的任務—科目—單元，這些任務—科目—單元為駕駛員試飛進行品質(zhì)評定提供了相應的依據(jù)。同時，這種主觀評定方法存在成本高、風險大、周期長且無法指導直升機前期設計等問題，采用數(shù)值分析的方法是解決這一問題的有效方式。本文在總結(jié)直升機機動飛行駕駛員主觀評定方法的基礎上，通過引入操縱量功率譜分析、駕駛員靈敏度函數(shù)以及駕駛員快捷性指標等相關(guān)技術(shù)手段，探討直升機機動飛行品質(zhì)等級數(shù)值認定方法。最后，通過數(shù)值仿真初步驗證了方法的可行性。

關(guān)鍵詞：機動飛行；駕駛員操縱負荷；駕駛員靈敏度函數(shù)；駕駛員快捷性；操縱量功率譜密度

中圖分類號：V211文獻標識碼：ADOI：10.19452/j.issn1007-5453.2021.03.009

飛行品質(zhì)和任務效能在現(xiàn)代直升機設計過程中的重要性越來越明顯。現(xiàn)代戰(zhàn)爭快速機動、低空突防任務對直升機的飛行品質(zhì)特別是機動飛行駕駛品質(zhì)提出了更高的要求。為確保設計研制的直升機可安全飛行或不會出現(xiàn)因飛行品質(zhì)的缺陷而影響執(zhí)行預定任務能力的情況，各國相繼頒布了直升機飛行品質(zhì)規(guī)范并根據(jù)工程項目經(jīng)驗不斷加以改進。其中，ADS-33系列規(guī)范是美國直升機工程經(jīng)驗積累的一個體現(xiàn)，集中反映了先進（軍用）直升機飛行品質(zhì)設計的要求，是直升機設計過程中飛行品質(zhì)設計的指導性規(guī)范之一。ADS-33E-PRF是一種以任務為導向的直升機駕駛品質(zhì)規(guī)范[1-2]，它要求承制方在設計過程中就應考慮不同迅猛程度的機動科目，并規(guī)定駕駛品質(zhì)等級的最終確定須經(jīng)過試飛員對規(guī)定的機動科目進行試飛評定。

飛行試驗能夠獲得可靠的飛行數(shù)據(jù)并能夠?qū)︼w行品質(zhì)進行準確的評估，但是存在試飛風險大、成本高并且周期長等問題。采用數(shù)值模擬的方法進行直升機機動飛行駕駛品質(zhì)評估可以減少設計成本，增強飛行安全，對直升機前期總體布局優(yōu)化設計具有重要意義。該方法需要解決如下問題：（1）直升機執(zhí)行機動飛行科目任務時狀態(tài)量和操縱量的求解問題；（2）狀態(tài)量和操縱量與飛行品質(zhì)等級之間的映射問題。因此，本文針對機動飛行駕駛品質(zhì)評估問題開展相關(guān)論述。

1直升機駕駛品質(zhì)主觀評定方法

ADS-33E-PRF品質(zhì)規(guī)范將任務—科目—基元（MTE）、響應類型（RT）以及環(huán)境可知度（UCE）綜合起來，設定品質(zhì)等級要求。在駕駛品質(zhì)評估的過程中，駕駛員是整個人-機閉環(huán)系統(tǒng)中的重要一環(huán)，既是整個閉環(huán)系統(tǒng)的感受器又是驅(qū)動器，只有通過駕駛員評估才能評價人-機系統(tǒng)性能與執(zhí)行任務總的工作負荷的相互關(guān)系。如圖1所示，庫珀-哈珀（Cooper-Harper）駕駛品質(zhì)評估準則從任務性能與駕駛員工作負荷兩個方面定義了10個不同的評價尺度，該評估準則被廣泛應用于駕駛品質(zhì)評估中[3]。

ADS-33E-PRF飛行品質(zhì)規(guī)范定義了23種任務—科目—基元，覆蓋了從有限機動性到迅猛機動性的全部飛行科目，且每種機動科目都規(guī)定了相應的性能指標要求。規(guī)定至少由三名試飛員分別完成試飛，以完成任務時的精神需求、體力需求、情緒要求、努力度以及挫折程度等作為依據(jù)，按照Cooper-Harper評分標準進行飛行品質(zhì)評價。

2直升機機動飛行駕駛品質(zhì)數(shù)值評估方法

由駕駛品質(zhì)主觀評定方法中可知，任務性能和駕駛員工作負荷對直升機駕駛品質(zhì)等級具有決定性的作用。因此，采用數(shù)值方法進行駕駛品質(zhì)評定重點也是對這兩部分進行量化，具體技術(shù)途徑如圖2所示。首先依據(jù)機動飛行科目定義和指標要求，進行直升機狀態(tài)量和控制量求解，然后對狀態(tài)量和控制量進行分析，提取其數(shù)據(jù)特征并建立數(shù)據(jù)特征和Cooper-Harper駕駛品質(zhì)等級之間的映射關(guān)系，最后完成直升機機動飛行駕駛品質(zhì)評估，下面對上述步驟進行論述。

2.1直升機機動飛行數(shù)值求解

直升機機動飛行數(shù)值求解的主要目的是得到符合駕駛員實際操縱情況的機動飛行狀態(tài)量和操縱量的時間歷程，這是進行駕駛員工作負荷量化的基礎。逆仿真方法是直升機機動飛行數(shù)值模擬的有效手段[4-6]，從數(shù)學意義上來講，逆仿真算法就是對直升機自由運動方程增加機動飛行科目提供的附加運動方程約束，使之具有唯一解。但是逆仿真這一類的方法很難考慮駕駛員作為感受器和驅(qū)動器的作用，也就是人-機閉環(huán)特性，所以結(jié)果的置信度不高，同樣軌跡優(yōu)化也存在類似的問題[7-8]。因此，從駕駛員操縱飛機的行為特性出發(fā)建立駕駛員數(shù)學模型，從動力學的角度來理解駕駛員如何完成預定的飛行任務，進一步解算出直升機機動飛行所需的狀態(tài)量及操縱量顯得更為合理，如圖3所示，直升機飛行動力學數(shù)學模型、駕駛員數(shù)學模型以及直升機機動飛行科目導航指令生成算法是符合人機耦合特性的狀態(tài)量及操縱量求解的三大組成部分。

直升機飛行動力學數(shù)學模型是整個直升機機動飛行駕駛品質(zhì)評估工作的基礎，G.D.Padfied將直升機飛行動力學數(shù)學模型可以分成三個級別，以供不同的分析任務需要[9]。其中，置信度為等級Ⅱ的飛行動力學模型可用于飛行包線附近飛行品質(zhì)和性能參數(shù)的計算，也適合寬頻帶/高增益飛行控制系統(tǒng)設計、飛行模擬器和飛行品質(zhì)評估等任務。因此，在進行直升機機動飛行品質(zhì)分析中采用的直升機飛行動力學模型應該達到等級Ⅱ的標準。在選擇特定的機動任務科目后，一般對其進行數(shù)學描述，進而得到直升機完成該任務科目所需要的指令[10-11]，將該指令作為駕駛員的控制目標。因此，駕駛員的建模成為該分析方法的關(guān)鍵。

直升機機動飛行時駕駛員的操縱是一個復雜的人-機系統(tǒng)相互配合和協(xié)調(diào)的過程。駕駛員的操縱動作通過飛行控制系統(tǒng)作為直升機的輸入，駕駛員通過儀表顯示等手段獲得給定值與實際運動值之差，進一步通過中樞神經(jīng)系統(tǒng)進行邏輯判斷、決策，最后通過神經(jīng)肌肉系統(tǒng)產(chǎn)生相應的操縱行為，從而構(gòu)成一個閉環(huán)系統(tǒng)，整個流程如圖4所示。

2.2駕駛員工作負荷量化

直升機的駕駛品質(zhì)等級取決于飛行任務科目完成的精確度及駕駛員的工作負荷兩個方面，其中飛行科目完成的精確度可以按照ADS-33E-PRF中的規(guī)定進行量化評估，但是從數(shù)值仿真中得到駕駛員的工作負荷是一個非常具有挑戰(zhàn)性的工作。

駕駛員工作負荷是駕駛員在飛行過程中身體和精神方面所付出努力程度的一個度量。在執(zhí)行某一特定的飛行任務時，駕駛員工作負荷由以下三個方面組成[12-14]。

（1）導航：長周期航線與高度控制

這部分飛行任務由于時間尺度較長，駕駛員不必高頻率地進行操縱（操縱周期在100s左右），所以這部分對駕駛員工作負荷的貢獻較小。

（2）制導：中等周期速度和位置控制

這部分飛行任務主要是完成地形跟蹤和障礙規(guī)避等，駕駛員要求進行較高頻率的操縱（操縱周期在10s左右），所以這個飛行任務段駕駛員的工作負荷明顯增加。

（3）穩(wěn)定：短周期姿態(tài)控制

這部分飛行任務中駕駛員工作負荷主要應用于調(diào)整飛行姿態(tài)以完成特定的機動動作，這時要求駕駛員注意力高度集中同時進行高頻率的操縱（操縱周期在1s左右），所以這個飛行任務段是駕駛員工作負荷的重要組成部分。

在不同的飛行任務階段，駕駛員會產(chǎn)生不同頻率不同幅值的操縱量以控制飛行器按照任務要求進行飛行，由此可見駕駛員的操縱量和工作負荷之間存在一定的映射關(guān)系。飛行任務中駕駛員工作負荷分析可以采用操縱量頻域分析、駕駛品質(zhì)靈敏度函數(shù)以及操縱量快捷性指標等技術(shù)途徑進行分析。

（1）操縱量頻域分析

駕駛員操縱幅值越大、操縱頻率越高則對應的工作負荷越大。如圖5所示，圖中三條功率譜曲線為三個操縱時間歷程對應的功率譜變化曲線，功率譜曲線越往上移，駕駛員的工作負荷越高。由于實際操縱量具有一定的隨機性造成不同品質(zhì)等級操縱量在頻譜圖上有一定的重疊區(qū)域，所以在頻譜圖上繪出明確的品質(zhì)等級線是比較困難的。但是，這種分析方法可以很好地定性分析不同操縱量的工作負荷，快速給出判斷。

（2）駕駛品質(zhì)靈敏度函數(shù)

通過分析大量飛行試驗的駕駛員評級數(shù)據(jù)，Hess給出了如圖6所示的基于駕駛品質(zhì)靈敏度函數(shù)的品質(zhì)等級邊界，該邊界限定了不同品質(zhì)等級所允許的HQSF曲線最大取值，HQSF等級反映了駕駛員工作負荷的大小。

（3）操縱量快捷性指標

3數(shù)值仿真

數(shù)值仿真以黑鷹直升機為研究對象，如圖9所示，通過飛行控制系統(tǒng)設計分別使其達到ADS-33滾轉(zhuǎn)通道帶寬指標等級1和等級2的標準。

Padfied團隊在進行機動飛行品質(zhì)研究中建立了類似于ADS-33E中的障礙滑雪任務科目單元，并開展了相應的飛行仿真試驗[13]。飛行軌跡的仿真結(jié)果如果圖10以及圖11所示，可以看到，Case 2直升機的任務性能要比Case 1直升機的任務性能要差，并且Case 2直升機已經(jīng)開始出現(xiàn)駕駛員誘發(fā)振蕩（PIO）的傾向。

橫向桿操縱量如圖12所示。顯然，在此飛行任務中Case 2直升機的操縱幅值和操縱頻率比Case 1直升機要劇烈得多。

針對兩個不同等級直升機的操縱時間歷程，本文分別從操縱量功率譜密度、操縱量快捷性以及駕駛品質(zhì)靈敏度函數(shù)值三個角度對飛行員在此過程中的駕駛負荷進行了量化分析，結(jié)果分別如圖13～圖15所示。從整體上看，等級2直升機比等級1直升機的頻譜幅值要大（見圖13），表示駕駛員操縱負荷越重。操縱量快捷性分析顯示，等級2直升機總體上快捷性指標要高于等級1直升機（見圖14），說明其工作負荷較重。從駕駛敏感性函數(shù)分析可以看到，等級2直升機在部分頻率段進入了等級2區(qū)域（見圖15），同樣表示其工作負荷較重。由此可見，三種分析方法在評估飛行員駕駛負荷時所得到的結(jié)論一致，并且符合飛行員的真實感知。

4結(jié)論

直升機進行復雜邊緣機動科目和特殊的飛行狀態(tài)進行試飛是十分危險的，利用機動飛行駕駛品質(zhì)數(shù)值評估方法進行分析，可以判斷直升機是否具備完成該機動的能力，同時采用操縱量功率譜密度、操縱量快捷性指標，以及駕駛員靈敏度函數(shù)值等技術(shù)手段對駕駛員的操縱輸入量進行分析，對駕駛員的工作負荷進行評估，以任務效能和駕駛員工作負荷為參考得出直升機機動品質(zhì)飛行認定等級，對指導直升機前期設計具有重要意義。

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（責任編輯王為）

作者簡介

田洪源（1995-）男，碩士，助理工程師。主要研究方向：直升機飛行動力學。

Tel：022-59800502E-mail：tianhy@avic.com

魯可（1985-）男，博士，高級工程師。主要研究方向：直升機飛行動力學。

Tel：022-59800502

E-mail：luk002@avic.com

Study on Numerical Method of Assigned Levels of Helicopter Handling Qualities

Tian Hongyuan1，Lu Ke1，*，Wu Shangjing1，Liu Chunsheng2，Li Chunhua1

1. Science & Technology on Rotorcraft Aeromechanics Laboratory，CHRDI，Jingdezhen 333001，China

2. Nanjing University of Aeronautics and Astronautics，Nanjing 210016，China

Abstract： ADS-33E-PRF flight quality specification provides the subjective assessment method for mission-taskelement. However，this method has many problems，such as high cost，big risk，long period and so on，which can not guide the early design of helicopter. In this paper，on the basis of the methods of subjective assessment，the techniques，i. e. pilot control power spectral density，handling qualities sensitivity function and pilot attack，are employed to identify the numerical evaluation method for flight handling qualities. Finally，the simulations verifies the evaluation method.

Key Words： maneuver flight； pilot workload； handling qualities sensitivity function； pilot attack； pilot control power spectral density