基于使用需求的直升機(jī)自動(dòng)向下過渡試飛研究

孟曉偉 馬庚軍 宋招枘

摘 要：為了使直升機(jī)自動(dòng)向下過渡功能更加滿足使用需求，對(duì)直升機(jī)自動(dòng)向下過渡功能進(jìn)行了試飛研究。首先分析了側(cè)風(fēng)對(duì)自動(dòng)向下過渡功能的影響；并在此基礎(chǔ)上研究了自動(dòng)向下過渡功能投入時(shí)直升機(jī)的高度、速度等參數(shù)對(duì)自動(dòng)向下過渡距離的影響，得出了自動(dòng)向下過渡距離與水平總地速的對(duì)應(yīng)關(guān)系；最后給出了自動(dòng)向下過渡功能的投入窗口以期在實(shí)際使用中提升該功能的使用效能。

關(guān)鍵詞：投入窗口；自動(dòng)向下過渡；過渡距離；水平總地速；直升機(jī)

中圖分類號(hào)：V216 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：2095-2945（2018）19-0081-03

Abstract： In order to make the helicopter's function of automatic downward transition meet the needs of the use more， the helicopter's function of automatic downward transition is studied in flight test. The influence of crosswind on the automatic downward transition function is analyzed， and the influence of helicopter height and speed on the automatic downward transition distance is studied. The corresponding relationship between the automatic downward transition distance and the horizontal total ground velocity is obtained. Finally， the input window of the automatic downward transition function is given in order to improve the efficiency of the function in practice.

Keywords： input window； automatic downward transition； transition distance； horizontal total ground velocity； helicopter

引言

由于海面上空存在參照物缺少和空間感喪失等問題，直升機(jī)從一定飛行高度向下過渡到近海面上空穩(wěn)定懸停時(shí)，單單靠人工操作會(huì)嚴(yán)重增加駕駛員的工作負(fù)荷，影響飛行安全和完成任務(wù)的效率，因而為了使駕駛員更方便地完成過渡過程，在直升機(jī)自動(dòng)駕駛儀中引入了自動(dòng)向下過渡功能。直升機(jī)自動(dòng)向下過渡是指直升機(jī)從初始高度和速度自動(dòng)過渡到較低高度進(jìn)入懸停的過程[1]。自動(dòng)過渡是一種復(fù)雜的飛行自動(dòng)控制過程，需要自動(dòng)駕駛儀的俯仰、滾轉(zhuǎn)、航向以及高度等4個(gè)通道協(xié)同工作[2]。在自動(dòng)過渡過程中，往往要求過渡軌跡快速且光滑，期間直升機(jī)不應(yīng)有較大的高度、姿態(tài)振蕩等不良響應(yīng)，在自動(dòng)向下過渡末端，當(dāng)直升機(jī)高度到達(dá)目標(biāo)高度且狀態(tài)相對(duì)穩(wěn)定時(shí)，直升機(jī)應(yīng)能自動(dòng)切換至自動(dòng)懸停和懸停無線電高度保持模態(tài)。

對(duì)于自動(dòng)過渡曲線控制律的設(shè)計(jì)，目前已有較多的研究，文獻(xiàn)[2]設(shè)計(jì)了一種新型的自動(dòng)過渡懸停系統(tǒng)，在高度下降指令中加入了法向速度反饋，在縱向地速減小過程中增加了拋物線減速階段，并用stateflow和simulink工具對(duì)所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)進(jìn)行了驗(yàn)證，得到的過渡曲線平滑且滿足加速度的指標(biāo)要求。文獻(xiàn)[3]建立了高度自動(dòng)過渡、速度自動(dòng)過渡數(shù)學(xué)模型，設(shè)計(jì)了模擬器中自動(dòng)過渡的仿真結(jié)構(gòu)圖，利用直升機(jī)六自由度非線性模型對(duì)自動(dòng)過程進(jìn)行了仿真，結(jié)果表明文中方法能夠?qū)崿F(xiàn)直升機(jī)模擬器中自動(dòng)過渡仿真功能任務(wù)需求。從現(xiàn)有文獻(xiàn)可知，為了保障過渡曲線盡可能光滑，直升機(jī)高度、速度需按一定的規(guī)律進(jìn)行變化，這使得自動(dòng)過渡完成后直升機(jī)的位置難以控制。而在實(shí)際使用中，往往不僅僅要求直升機(jī)可以自動(dòng)過渡到指定高度懸停，并期望能過渡到目標(biāo)位置（即過渡到指定懸停點(diǎn)），如直升機(jī)在實(shí)施海上救援[4][5]時(shí)，要求直升機(jī)能在指定救援點(diǎn)進(jìn)行懸停，若是直升機(jī)自動(dòng)向下過渡模態(tài)具有定點(diǎn)過渡能力，將在很大程度上減少駕駛員的工作負(fù)荷，提高救援效率（尤其在夜間救援）。但當(dāng)前如果在自動(dòng)向下過渡模態(tài)的控制設(shè)計(jì)中引入定點(diǎn)過渡功能，將會(huì)面臨一系列的技術(shù)難點(diǎn)，例如在不同的待飛距離下，為了使直升機(jī)自動(dòng)過渡到目標(biāo)點(diǎn)，直升機(jī)在自動(dòng)向下過渡過程中，高度速度變化曲線將難以保持光滑，可能會(huì)出現(xiàn)飛控權(quán)限不夠、旋翼渦環(huán)、姿態(tài)變化過大、回避區(qū)飛行時(shí)間較長(zhǎng)等問題，因而在自動(dòng)向下過渡模態(tài)中合理地引入定點(diǎn)過渡功能目前還難以較好地實(shí)現(xiàn)。

鑒于此，本文從使用需求的角度出發(fā)，以某型具有自動(dòng)向下過渡功能的直升機(jī)作為樣例直升機(jī)，對(duì)自動(dòng)向下過渡功能進(jìn)行了試飛研究。首先在直升機(jī)自動(dòng)向下過渡的典型使用高度速度范圍內(nèi)，在側(cè)風(fēng)狀態(tài)接通自動(dòng)向下過渡功能，分析側(cè)風(fēng)對(duì)自動(dòng)過渡功能的影響，并在此基礎(chǔ)之上，以迎風(fēng)狀態(tài)接通自動(dòng)過渡功能，通過速度積分計(jì)算給出自動(dòng)過渡距離，分析投入時(shí)高度、速度等參數(shù)對(duì)過渡距離的影響，并進(jìn)一步給出自動(dòng)過渡功能的投入窗口，作為駕駛員使用自動(dòng)過渡功能的投入狀態(tài)參考，以期盡可能在自動(dòng)過渡完成后靠近目標(biāo)點(diǎn)，降低駕駛員的工作負(fù)荷，提高任務(wù)的執(zhí)行效率。

1 樣例直升機(jī)概述

樣例直升機(jī)為單旋翼帶尾槳式直升機(jī)，主旋翼由主槳葉、主槳轂、自動(dòng)傾斜器等三部分構(gòu)成，主槳轂采用星形柔性槳轂型式。其自動(dòng)向下過渡功能通過對(duì)俯仰軸和總距軸的控制，使直升機(jī)按照一定的曲線自動(dòng)過渡到自動(dòng)懸停和懸停無線電高度保持模態(tài)，過渡過程如圖1所示。

2 自動(dòng)向下過渡飛行試驗(yàn)