無(wú)人直升機(jī)系留試飛方法研究與應(yīng)用

張采泉，趙國(guó)輝

(1.中航工業(yè)直升機(jī)所，江西 景德鎮(zhèn) 333001；2.中國(guó)人民解放軍65527部隊(duì)，遼寧 沈陽(yáng) 110100)

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無(wú)人直升機(jī)系留試飛方法研究與應(yīng)用

張采泉1，趙國(guó)輝2

(1.中航工業(yè)直升機(jī)所，江西 景德鎮(zhèn) 333001；2.中國(guó)人民解放軍65527部隊(duì)，遼寧 沈陽(yáng) 110100)

無(wú)人直升機(jī)試飛是驗(yàn)證無(wú)人直升機(jī)設(shè)計(jì)指標(biāo)，檢驗(yàn)質(zhì)量和提高性能的重要手段。試飛是無(wú)人直升機(jī)系統(tǒng)研制和技術(shù)發(fā)展的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，貫穿于飛行研究、新機(jī)設(shè)計(jì)、生產(chǎn)和使用的全過程。試飛工作具有高綜合性、高復(fù)雜性和高風(fēng)險(xiǎn)性，是一項(xiàng)復(fù)雜的多學(xué)科系統(tǒng)工程。實(shí)現(xiàn)國(guó)內(nèi)無(wú)人直升機(jī)加速發(fā)展的關(guān)鍵是突破飛控技術(shù)，而飛控技術(shù)的初期摸索就是在系留試飛的基礎(chǔ)上進(jìn)行的。對(duì)系留試飛現(xiàn)狀進(jìn)行分析和研究，分析了各類系留試飛方法，確定了一種適合飛控系統(tǒng)調(diào)參的系留試飛方法。

無(wú)人直升機(jī)；飛控系統(tǒng)；系留試飛

0 引言

無(wú)人直升機(jī)作為控制對(duì)象，其獨(dú)特的旋翼系統(tǒng)導(dǎo)致氣動(dòng)特性和動(dòng)力學(xué)特性遠(yuǎn)比固定翼飛機(jī)的復(fù)雜，因此無(wú)人直升機(jī)的研制是一項(xiàng)多學(xué)科、多系統(tǒng)集成的現(xiàn)代化高科技項(xiàng)目，其技術(shù)實(shí)現(xiàn)難度不言而喻。在研制無(wú)人直升機(jī)的過程中，我們希望地面飛行操作手操縱直升機(jī)的平衡、補(bǔ)償、解耦等技術(shù)參數(shù)通過飛行控制系統(tǒng)準(zhǔn)確地實(shí)現(xiàn)，這對(duì)無(wú)人直升機(jī)的建模技術(shù)和飛行控制律設(shè)計(jì)提出了更高的要求，也是實(shí)現(xiàn)無(wú)人直升機(jī)超視距自主飛行的關(guān)鍵技術(shù)之一。

盡管在過去的30年間各國(guó)一直進(jìn)行無(wú)人直升機(jī)的技術(shù)開發(fā)和研制，但真正能交付使用的也只有幾種型號(hào)，如美國(guó)的MQ-8B“火力偵察兵”等。大多數(shù)無(wú)人直升機(jī)的飛控技術(shù)是采用古典調(diào)參控制法，即用線性系統(tǒng)理論作為基礎(chǔ)；少數(shù)幾個(gè)型號(hào)，如奧地利的CAMCOPTER S-100等[1]，采用現(xiàn)代調(diào)參控制法，如基于模型逆的顯模型跟蹤控制方法[2]，使之具有與有人駕駛或遙控直升機(jī)相同的機(jī)動(dòng)能力，并具有半自主/自主完成作戰(zhàn)使命的開放平臺(tái)系統(tǒng)。

國(guó)內(nèi)近20年間也在不斷進(jìn)行無(wú)人直升機(jī)的技術(shù)研究，但關(guān)鍵的控制技術(shù)未能完全突破，飛控系統(tǒng)仍處于古典調(diào)參控制技術(shù)的研究和開發(fā)階段，研制工作沒能取得有效的進(jìn)展。因此，國(guó)內(nèi)無(wú)人直升機(jī)加速發(fā)展的關(guān)鍵是突破飛控技術(shù)。

由于新機(jī)體不可靠、飛控系統(tǒng)不完善，機(jī)上無(wú)飛行員試飛，地面飛行操作手不了解機(jī)體性能、不確定機(jī)體能否起飛，從機(jī)體安全、適合飛控系統(tǒng)調(diào)參以及人員安全這三方面來(lái)說，早期試飛必須對(duì)新機(jī)體進(jìn)行一定的約束——系留試飛。

本文通過對(duì)比分析多種不同形式的系留試飛方法(主要分為滑橇式起落架和鰭式起落架系留試飛方法)，并結(jié)合實(shí)際的系留試飛案例，確定出一種適合飛控系統(tǒng)調(diào)參的系留試飛方案。

1 系留試飛的目的

無(wú)人直升機(jī)系留試飛通常包括開環(huán)調(diào)整試飛和閉環(huán)調(diào)整試飛，其中閉環(huán)調(diào)整試飛包括姿態(tài)保持/控制調(diào)整試飛和位置保持調(diào)整試飛。

開環(huán)調(diào)整試飛未接入飛控閉環(huán)控制律，不將傳感器測(cè)量出的控制結(jié)果反饋回來(lái)影響飛控系統(tǒng)，可以初步檢驗(yàn)各系統(tǒng)的功能、協(xié)調(diào)性、工作穩(wěn)定性和電磁兼容性，檢驗(yàn)在飛控系統(tǒng)開環(huán)狀態(tài)下無(wú)人直升機(jī)裸機(jī)的穩(wěn)定性和操縱性，實(shí)現(xiàn)無(wú)人直升機(jī)在規(guī)定的飛行條件下安全完成首次離地懸停。

閉環(huán)調(diào)整試飛接入飛控閉環(huán)控制律，將傳感器測(cè)量出的控制結(jié)果反饋回來(lái)影響飛控系統(tǒng)，在安全完成首次離地懸停后進(jìn)行。姿態(tài)保持/控制調(diào)整試飛可以初步調(diào)整縱橫向內(nèi)環(huán)(姿態(tài)控制)和航向控制參數(shù)，使無(wú)人直升機(jī)可以穩(wěn)定離地懸停，并可初步檢驗(yàn)接入增穩(wěn)或姿態(tài)控制后，無(wú)人直升機(jī)的穩(wěn)定性和操縱性，實(shí)現(xiàn)無(wú)人直升機(jī)在規(guī)定的飛行條件下完成離地穩(wěn)定懸停至少一分鐘。位置保持調(diào)整試飛可以初步調(diào)整縱橫向位置保持控制參數(shù)，進(jìn)一步提升無(wú)人直升機(jī)的穩(wěn)定性，讓地面飛行操作手熟悉無(wú)人直升機(jī)對(duì)象特性，為不系留試飛提供安全保障。

系留試飛前的地面系留試驗(yàn)需要解決總距和發(fā)動(dòng)機(jī)油門的協(xié)調(diào)關(guān)系等關(guān)鍵問題，但三軸姿態(tài)還未處于閉環(huán)控制狀態(tài)，GPS和慣性導(dǎo)航裝置還無(wú)法對(duì)飛行航跡進(jìn)行修正與控制，定高也未接入閉環(huán)，系留試飛必須以地面飛行操作手目測(cè)操縱控制模式進(jìn)行。在目測(cè)操縱控制模式下，操作手目測(cè)無(wú)人直升機(jī)的姿態(tài)變化，通過地面操縱控制盒(如圖1所示的一種操縱設(shè)備)的總距桿和姿態(tài)操縱桿對(duì)無(wú)人直升機(jī)進(jìn)行操縱和控制[3]。發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)后始終處于恒速閉環(huán)控制方式，在發(fā)動(dòng)機(jī)功率能力范圍內(nèi)無(wú)論無(wú)人直升機(jī)旋翼需要多少功率，發(fā)動(dòng)機(jī)電子控制器均可保證旋翼轉(zhuǎn)速的恒定。

圖1 操縱控制盒

2 系留試飛方法分析

本章節(jié)根據(jù)無(wú)人直升機(jī)起落架結(jié)構(gòu)形式的不同分析各類系留試飛方法，有滑橇起落架式的1根鋼索系留試飛方法和4根鋼索系留試飛方法，以及鰭式起落架式系留試飛方法。

系留試飛前無(wú)人直升機(jī)全機(jī)需要完成發(fā)動(dòng)機(jī)控制試驗(yàn)、電磁兼容、全機(jī)振動(dòng)測(cè)試等多項(xiàng)地面試驗(yàn)，并完成相關(guān)檢查測(cè)試，系統(tǒng)無(wú)機(jī)械、電氣等故障。應(yīng)選擇風(fēng)速較小、能見度較高的天氣，周邊無(wú)強(qiáng)電磁干擾、視野開闊、無(wú)高大障礙物的場(chǎng)地情況下進(jìn)行，系留試飛時(shí)機(jī)體需安裝保護(hù)裝置，如試飛保護(hù)架等。

2.1 滑橇起落架式系留試飛方法

2.1.1 1根鋼索系留試飛方法

該系留試飛系留裝置由1根地面系留鋼索、1根飛行系留鋼索、2根滑橇系留鋼索和試飛保護(hù)架等組成。將地面系留鋼索固定于場(chǎng)地上2個(gè)不露出地面的緊固地樁上，再將2根滑橇系留鋼索呈“X”形固定在滑橇上，之后給無(wú)人直升機(jī)安裝試飛保護(hù)架，最后將飛行系留鋼索與機(jī)上系留鋼索“X”交點(diǎn)處緊固連接，另一端與地面系留鋼索連接。具體布置如圖2和圖3所示。

圖2 1根鋼索系留試飛方法示意俯視圖

圖3 1根鋼索系留試飛方法示意主視圖

優(yōu)點(diǎn)：該系留試飛方法尋找前俯后仰和左右橫滾的平衡點(diǎn)僅受1根鋼索限制，操作手可在較大范圍內(nèi)操作，且該方式允許機(jī)體有一定的前后左右及上下高度的位置偏差，允許鋼索有一定的扭轉(zhuǎn)載荷。

缺點(diǎn)：該系留試飛方法載荷易在2根滑橇系留鋼索上放大，飛行系留鋼索強(qiáng)度應(yīng)小于滑橇系留鋼索強(qiáng)度，利于總距跳變時(shí)對(duì)機(jī)體的斷開放飛，并且拽回機(jī)體時(shí)姿態(tài)不易通過1根繃緊的系留鋼索控制。若需要在總距跳變時(shí)拽回機(jī)體，則必須選用強(qiáng)度較大的飛行系留鋼索，且滑橇上必須安裝試飛保護(hù)架，避免拽回機(jī)體時(shí)側(cè)翻等情況的發(fā)生。

2.1.2 4根鋼索系留試飛方法

該系留試飛系留裝置由4根飛行系留鋼索和試飛保護(hù)架等組成。將飛行系留鋼索固定于場(chǎng)地上4個(gè)不露出地面的緊固地樁上，再將4根飛行系留鋼索另一端與4處滑橇橫向與縱向交叉處固定，之后給無(wú)人直升機(jī)安裝試飛保護(hù)架。具體布置如圖4和圖5所示。

圖4 4根鋼索系留試飛方法示意俯視圖

圖5 4根鋼索系留試飛方法示意主視圖

優(yōu)點(diǎn)：該系留試飛方法在拽回機(jī)體時(shí)姿態(tài)易通過4根繃緊的飛行系留鋼索控制，利于總距跳變時(shí)對(duì)機(jī)體的拽回，適于共軸雙槳無(wú)人直升機(jī)的系留試飛。

缺點(diǎn)：該系留試飛方法尋找前俯后仰和左右橫滾的平衡點(diǎn)受4根鋼索的限制，且該方式不允許機(jī)體有較大的前后左右和上下高度的位置偏差，也不允許鋼索上有較大的扭轉(zhuǎn)載荷，對(duì)操作手的水平要求過于嚴(yán)格。

需要特別注意的是，滑橇起落架式起降過程中滑橇跨距是變化的，試飛保護(hù)架橫向保護(hù)桿一側(cè)緊固在保護(hù)架接頭上，另一側(cè)必須處于可滑動(dòng)的狀態(tài)。并且?guī)ё枘崞鞯幕疗鹇浼苁綗o(wú)人直升機(jī)由于阻尼器主要承受壓力，不能承受過大拉力，在系留試飛時(shí)必須限制阻尼器的拉伸行程，避免阻尼器損壞。

2.2 鰭式起落架式系留試飛方法

鰭式起落架式無(wú)人直升機(jī)由于起落架結(jié)構(gòu)原因，無(wú)法安裝試飛保護(hù)架，而機(jī)體載荷艙部分承載能力有限，不能將系留裝置固定于載荷艙處。該起落架形式無(wú)人直升機(jī)系留測(cè)試裝置由多根系留棘輪綁帶、1套機(jī)身固定裝置和系留測(cè)試臺(tái)架組成。先通過棘輪綁帶將中心綁扎橋與中部機(jī)身相連，將尾綁扎橋與尾部機(jī)身相連，最后通過棘輪綁帶將綁扎橋與系留測(cè)試臺(tái)架相連。具體布置如圖6所示。

圖6 鰭式起落架式系留測(cè)試方法示意側(cè)視圖

缺點(diǎn)：該系留測(cè)試方法使用棘輪綁帶等承拉、承扭程度低的連接裝置來(lái)避免鋼索等損壞機(jī)體，且機(jī)體幾乎不可離開測(cè)試臺(tái)架，測(cè)試的項(xiàng)目有限。

3 系留試飛方法應(yīng)用

3.1 滑橇起落架式系留試飛方法

1根鋼索系留試飛方法操作手可控范圍較大，總距跳變時(shí)既有鋼索斷開放飛架次，也有帶試飛保護(hù)架拽回架次，機(jī)體受損較小。某型無(wú)人直升機(jī)系留試飛如圖7所示，姿態(tài)曲線如圖8所示。

圖7 某型無(wú)人直升機(jī)系留試飛

4根鋼系留試飛方法在北航“蜜蜂”無(wú)人直升機(jī)以及某型無(wú)人直升機(jī)早期系留試飛時(shí)使用到。實(shí)際試驗(yàn)試飛時(shí)，操作手的控制受4根鋼索限制嚴(yán)重，總距跳變時(shí)4根鋼索繃緊，能自動(dòng)拽住機(jī)體。北航“蜜蜂”無(wú)人直升機(jī)系留試飛如圖9所示，某型無(wú)人直升機(jī)姿態(tài)曲線如圖10所示。

圖8 某型無(wú)人直升機(jī)1根鋼索系留試飛方法姿態(tài)參數(shù)曲線

圖9 北航“蜜蜂”無(wú)人直升機(jī)系留試飛

圖10 某型無(wú)人直升機(jī)4根鋼索系留試飛方法姿態(tài)參數(shù)曲線

3.2 鰭式起落架式系留試飛方法

奧地利CAMCOPTER S-100無(wú)人直升機(jī)采用鰭式起落架式系留測(cè)試方法，主要用于測(cè)試該無(wú)人直升機(jī)的性能。對(duì)于艦船操作，使用系留測(cè)試配套元件，通過艦船結(jié)構(gòu)上的索具將無(wú)人直升機(jī)與艦船的飛行甲板牢固連接。地面系留測(cè)試則使用一套臺(tái)架替代艦船的飛行甲板。

對(duì)比某型無(wú)人直升機(jī)1根鋼索系留試飛方法和4根鋼索系留試飛方法的姿態(tài)參數(shù)曲線，4根鋼索系留試飛方法之機(jī)體逐步從被1根鋼索限制到被2根鋼索限制，直至被4根鋼索限制達(dá)到平衡狀態(tài)時(shí)，機(jī)體姿態(tài)趨于穩(wěn)定，各姿態(tài)角最終在一個(gè)小范圍內(nèi)波動(dòng)，機(jī)體姿態(tài)完全被4根鋼索限制住，幾乎不需要操作手介入操作。使用1根鋼索系留試飛方法能夠減少不利于飛控調(diào)參的鋼索的過渡限制因素，且利于操作手熟悉新研和新生產(chǎn)機(jī)體，便于機(jī)體的調(diào)試。因此在初期飛控摸索階段的系留試飛，操作手在熟悉該機(jī)體的操作后，為保證機(jī)體拽回的安全，適合使用4根鋼系留試飛方法；在飛控相對(duì)成熟階段的系留試飛，或者飛控在類似機(jī)體的移植，且操作手完全不熟悉無(wú)人直升機(jī)的操作的情況下，適合使用1根鋼索系留試飛方法。

系留試飛從4根鋼索系留試飛方法過渡到1根鋼索系留試飛方法已應(yīng)用到某型無(wú)人直升機(jī)上，在某演示驗(yàn)證無(wú)人直升機(jī)等機(jī)體上，由于飛控相對(duì)成熟，直接使用1根鋼索系留試飛方法。

4 結(jié)束語(yǔ)

無(wú)人直升機(jī)的各種系留試飛方法對(duì)應(yīng)各種不同起落架結(jié)構(gòu)形式，各有優(yōu)缺點(diǎn)。隨著無(wú)人直升機(jī)的飛行性能越來(lái)越高，系統(tǒng)組成越來(lái)越復(fù)雜，其試飛風(fēng)險(xiǎn)也越來(lái)越高，因此系留試飛也成為無(wú)人直升機(jī)試驗(yàn)試飛的重要環(huán)節(jié)。通過系留試飛可以驗(yàn)證無(wú)人直升機(jī)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，并發(fā)現(xiàn)問題，在不斷改進(jìn)和完善的過程中，實(shí)現(xiàn)無(wú)人直升機(jī)整體性能優(yōu)化和可靠性的逐步提高。本文有關(guān)系留試飛方法的研究將為后期試驗(yàn)試飛工作提供保障，并通過分析解決后期系留試飛遇到的問題進(jìn)行完善。

[1] 王 海，徐國(guó)華.無(wú)人駕駛直升機(jī)的研究現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢(shì)[J].直升機(jī)技術(shù)，2003(2) :45-49.

[2] 龔華軍，江 駒.基于逆控制和模糊邏輯的直升機(jī)飛控系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].飛行力學(xué),2004,22(3):43-46.

[3] 蔣新桐，郭才根，王道波.發(fā)展中的LE-110無(wú)人駕駛直升機(jī)[C]. 全國(guó)直升機(jī)年會(huì)論文,2003:37-41.

Research and Application on Unmanned Helicopter’s Mooring Flight Methods

ZHANG Caiquan1, ZHAO Guohui2

(1.China Helicopter Research and Development Institute, Jingdezhen 333001, China；2.The Unit No.65527of the Chinese People’s Liberation Army, Shenyang 110100, China)

Unmanned helicopter flight test is the important means for verifying the design index of unmanned helicopter, inspecting quality and improving performance. Flight test is the critical link for researching unmanned helicopter system, developing unmanned helicopter technology, it goes through the whole process of flight research, new helicopter design, production, development and operation. Flight test has the nature of high integration, high complexity and high risk, and it is a systematic engineering which is complicated multi-subjects. Breaching flight control technology is the key to speedup unmanned helicopter’s development, and grope of flight control in initial stage is based on mooring test-fly. This paper analyzed and researched actuality of mooring test-fly, analyzed various methods of mooring test-fly, confirmed a sort of mooring fest-fly method that adapting flight control system to debug.

unmanned helicopter；flight control system；mooring fly test

2015-05-04

張采泉(1989-)，男，福建周寧人，大學(xué)本科，助理工程師，主要研究方向：無(wú)人直升機(jī)綜合保障。

1673-1220(2015)03-054-05

V217

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