軍用直升機飛行品質(zhì)規(guī)范發(fā)展與展望

張宏林 馬庚軍

摘要：本文主要介紹了美國直升機飛行品質(zhì)規(guī)范ADS-33及軍用直升機飛行品質(zhì)規(guī)范GJB902的發(fā)展歷程和使用情況，分析了ADS-33的技術特點，并結合國內(nèi)外直升機試飛研究和應用方面的經(jīng)驗指出了ADS-33E部分條款存在的問題，提出了國內(nèi)軍用直升機飛行品質(zhì)規(guī)范的修訂建議和發(fā)展方向。本文的研究結果可為我國軍用直升機飛行品質(zhì)規(guī)范的修訂與發(fā)展提供參考。

關鍵詞：軍用直升機，飛行品質(zhì)規(guī)范;ADS-33，GJB902;發(fā)展與展望;飛行試驗;修訂建議

中圖分類號：V217.3 文獻標識碼：A

軍用直升機飛行品質(zhì)規(guī)范是國家有關部門批準頒發(fā)的指令和指導性文件，以條文的形式規(guī)定了飛行品質(zhì)不同等級的最低要求，規(guī)定的各項要求用來保證直升機具有完成任務和飛行安全的品質(zhì)特性，其具體要求與飛行安全、完成任務的能力息息相關，是直升機設計、試飛和使用的依據(jù)和標準。一架新型直升機從方案設計到設計定型的各個階段都必須遵循飛行品質(zhì)規(guī)范的要求，并在全包線范圍內(nèi)按各項準則進行檢查和評價。

航空發(fā)達國家均在很早就制定了相應的飛行品質(zhì)規(guī)范，為直升機設計、試飛和使用提出了具體的要求，如美國的MIL-H-8501和ADS 33系列、英國AVP-970等。國內(nèi)直升機飛行品質(zhì)規(guī)范主要依據(jù)MIL-H-8501、MIL-F-83300、ADS-33分別編制了GJB902-1990、GJB902A-2001和GJB902B2014，這些標準均在不同時期對直升機的設計和試飛發(fā)揮了重要作用。本文通過對美國ADS 33及我國GJB902的發(fā)展歷程、技術特點以及使用情況的分析，提出了國內(nèi)軍用直升機飛行品質(zhì)規(guī)范的修訂建議，展望了其后續(xù)的發(fā)展方向。研究結果可為我國軍用直升機飛行品質(zhì)規(guī)范的修訂與發(fā)展提供參考。

1 ADS-33飛行品質(zhì)規(guī)范

1.1 ADS-33的發(fā)展歷程

美國早在1952年就發(fā)布了三軍通用直升機飛行品質(zhì)規(guī)范MIL-H-8501，1961年對其進行了少量的修訂，發(fā)展為MIL-H-8501A。在早期，MIL-H-8501A對直升機的設計和試驗起到了很好的指導作用，美國的大多數(shù)現(xiàn)役軍用直升機（除了CH-47F/bH3-47G等直升機外）基本上都是采用MIL-H-8501A進行了設計和試飛考核。但到20世紀60年代的后期，MIL-H-8501A暴露出了許多明顯的缺陷。隨后，美國擬定了多個方案試圖修訂MIL-H-8501A，1968年曾提出修訂稿MIL-H-8501B，但由于支持數(shù)據(jù)缺乏等種種原因，這些方案都沒有被采納。

“阿帕奇”和“黑鷹”直升機在MIL-H-8501A基礎上增加了一些機動特性，形成修訂主要條目的PHDS規(guī)范。1975年，美國陸軍聯(lián)合美國國家航空航天局（NASA）開展了大量的直升機操縱品質(zhì)數(shù)據(jù)庫和設計標準研究工作，并最終形成了一個新的直升機操縱品質(zhì)規(guī)范，并在1982年之前對新的規(guī)范進行了一系列的驗證工作。美國陸軍航空飛行動力學辦公室聯(lián)合NASA制訂了兩個合同計劃，由卡爾斯貝公司（Calspan）和系統(tǒng)技術公司（STI）分別制定《美國軍用旋翼飛行器操縱品質(zhì)規(guī)范》，最初由美國海軍提供經(jīng)費支持。在兩個公司提出的草案的基礎上，美國陸軍每年組織1-2次的直升機操縱品質(zhì)討論會，對草案進行修改、補充和完善，并編制了背景材料和使用指南。1987年，航空系統(tǒng)司令部將該規(guī)范定義為ADS航空設計標準，同年陸軍試驗性輕型直升機（MIX，后來發(fā)展為“科曼奇”）采用了這個標準。ADS-33直升機飛行品質(zhì)規(guī)范先后經(jīng)歷了C、D兩個版本的發(fā)展和修訂，最終于2000年3月公開發(fā)布ADS-33E。

1.2 ADS-33的技術特點

ADS-33是以任務為導向的直升機飛行品質(zhì)規(guī)范，與MIL-H-8501相比有明顯的先進性，ADS-33的結構如圖1所示。按照直升機使用任務提出要求的主導思想，其基本出發(fā)點是要保證直升機的飛行品質(zhì)能夠適合規(guī)定的任務，因此規(guī)范中的要求都是面向任務的，根據(jù)不同的直升機任務要求提出不同的任務科目性能指標要求。每一種直升機都有預定的使用目標，如攻擊、運輸或救援等，而所有的飛行任務都可分解為若干個任務科目的組合，ADS-33規(guī)定了23個任務科目，這些任務科目基本包含了直升機預期任務的全部任務譜，可根據(jù)直升機的使用需求對這些科目進行剪裁和選擇。過去直升機主要用于執(zhí)行運輸任務，現(xiàn)代直升機還要執(zhí)行對地攻擊、空中格斗、反潛搜索等多種戰(zhàn)斗任務，ADS-33規(guī)范充分反應了現(xiàn)代直升機發(fā)展的特點[1]。

ADS-33強調(diào)使用環(huán)境對飛行品質(zhì)的影響，提出了不良目視環(huán)境（DVE）的概念，明確直升機在夜間和能見度較差的惡劣天氣條件下利用顯示和助視設備飛行的規(guī)范要求。利用可用感示環(huán)境（UCE）來確定DVE，針對不同的UCE條件將直升機飛行品質(zhì)轉換為不同的響應類型要求。同時用在DVE下的任務科目將機敏性和定量的指標聯(lián)系起來，來驗證直升機完成任務的能力。

ADS-33使用兩種方法來確定直升機的飛行品質(zhì)等級，分別為預估的飛行品質(zhì)等級和認定的飛行品質(zhì)等級，并將兩種不同方法獲得的飛行品質(zhì)等級結果相結合來給出最終飛行品質(zhì)等級。預估的飛行品質(zhì)指標包含時域和頻域的要求，根據(jù)不同的任務把直升機的響應按幅值分為大幅、中幅和小幅，按頻率又將小幅響應分為低頻、中頻和高頻響應，并提出了明確的直升機軸間耦合指標要求等。ADS-33將認定飛行品質(zhì)的等級評定轉化為對任務科目、可用感示環(huán)境和響應類型三個方面的評定，而將任務科目用定量化和具體化的指標進行定義，從而使飛行品質(zhì)等級評定具有較好的可操縱性[2]。

1.3 ADS-33的使用情況

ADS-33規(guī)范自從頒布以來，受到了國外直升機設計所、制造廠、試飛機構以及研究機構的極大關注，針對ADS-33規(guī)范的修訂、剪裁和應用等方面也不斷進行研究，許多先進的直升機都利用該標準相應的剪裁進行設計和試飛，例如AH-64A、CH-47D、B0105、Bell205變穩(wěn)直升機、UH-60A和CH-53G直升機采用ADS-33的早期版本進行了所有科目的飛行試驗評估，EC135、MD900和AH-1等直升機采用ADS-33進行了部分科目的評估。ADS-33系列規(guī)范的發(fā)展和使用情況見表1?！翱坡妗蔽溲b直升機采用了電傳飛行控制系統(tǒng)等先進技術，性能優(yōu)良，是先進武裝直升機的發(fā)展方向和代表，也是第一款按照ADS-33D規(guī)范進行驗證考核的先進武裝直升機。但由于技術過于復雜、經(jīng)費等各種原因，該型直升機最終未投入部隊使用。

盡管ADS-33是為了替代MIL-H-8501，但是最初的ADS33主要集中于LHX和偵察、攻擊任務，許多條款并不適用于運輸類和通用直升機。隨著UH-OA和CH-47D直升機采用ADS-33完成評估和研究，在積累的大量數(shù)據(jù)和經(jīng)驗的基礎上，ADS-33逐步擴展到包含運輸直升機和通用直升機。在2010年前后，UH-60M電傳直升機按照ADS-33E進行了設計和試飛考核，結果達到了ADS 33E等級1的要求，部分試飛結果如圖2，圖3所示。2008年，美國陸軍航空飛行動力學辦公室的Rogeir H.Hob等編寫了ADS 33E試驗指南，介紹了ADS 33E條款的要求、試驗方法、試驗安排和數(shù)據(jù)處理方祛等內(nèi)容[3]。

2 GJB902系列飛行品質(zhì)規(guī)范

2.1 GJB902系列的發(fā)展歷程

1983年初，航空工業(yè)部提出編寫我國軍用直升機飛行品質(zhì)規(guī)范的任務;1986年國內(nèi)在理解和消化MIL-F-83300，MIL-H-8501以及國外相關資料的基礎上，根據(jù)國內(nèi)直升機設計、生產(chǎn)和試飛使用的經(jīng)驗編寫了第一個直升機飛行品質(zhì)規(guī)范田36105-86，1990年在團36105-86的基礎上形成GJB902-1990《軍用直升機飛行品質(zhì)規(guī)范》。從1993年開始，楊松山等開始對ADS-33C、ADS-33D各個版本進行翻譯、消化和理解，2001年在GJB902-1990的基礎上，通過增加ADS-33D版本規(guī)范中要求的小幅操縱短期響應特性、軸間耦合和中等幅度姿態(tài)敏捷等指標，形成了GJB902A2001《軍用直升機飛行品質(zhì)規(guī)范》。隨后，經(jīng)過多年理論研究和型號研制經(jīng)驗的積累，國內(nèi)在2014年以ADS-33E為藍本完成了GJB902B-2014《軍用直升機飛行品質(zhì)規(guī)范》的編寫。

2.2 GJB902的國內(nèi)使用情況

GJB902-1990《軍用直升機飛行品質(zhì)規(guī)范》是針對有人駕駛的軍用直升機提出的，規(guī)定了軍用直升機設計、分析、試驗試飛和使用應該滿足的飛行和地面操縱品質(zhì)的要求。該規(guī)范通用性突出，適用于各類有人駕駛的軍用直升機，規(guī)定了各項要求以保證直升機具有完成任務和安全飛行的飛行品質(zhì)[3]，成功地指導了國內(nèi)直8、直9、直11等多個型號的設計、試驗和試飛工作。與此同時，該規(guī)范在使用中同樣暴露出了許多明顯的缺陷，如沒有直升機軸間耦合、頻域指標、任務科目等要求，不能適應現(xiàn)代新型直升機的發(fā)展需求。但對于國內(nèi)的改型直升機而言，采用ADS-33標準又顯得過于嚴格，故GJB902-1990目前依然是直8、直9、直11等多個改進型號的設計、試驗和試飛的依據(jù)和指導性文件。2006年，國內(nèi)某型直升機的設計、試飛驗證全面采用了以ADS-33E為藍本而編制的型號直升機飛行品質(zhì)規(guī)范，這一選擇對該型直升機的設計、試驗和試飛發(fā)揮了重要作用。

3 飛行品質(zhì)規(guī)范發(fā)展展望

由于ADS-33標準具有前文所述的諸多技術特點，從而使其相對于MIL-H-8501具有明顯的先進性，因此美國已經(jīng)用ADS-33系列標準替代了MIL-H-8501。而我國由MIL-H-8501發(fā)展而來的GJB902-1990在近年來同樣暴露了不能適應現(xiàn)代新型直升機試飛考核要求等缺陷，ADS-33標準相對于GJB902-1990也同樣具有先進性。正因為如此，2000年3月公布ADS-33E后，美國和其他國家的飛行試驗和研究機構不僅就此進行了大量的研究工作，一些型號的設計和試飛還采用了該標準，國內(nèi)也在某型直升機的設計、試驗和試飛中也采用了ADS-33E。

在國內(nèi)外直升機設計和試飛過程中，也發(fā)現(xiàn)了ADS-33規(guī)范的一些明顯的缺陷，標準的部分指標是基于模擬器或理論計算的數(shù)據(jù)庫獲得的，并不適用于實際機型或者數(shù)據(jù)支持不足。例如對于ADS-33E中懸停低速狀態(tài)下總距操縱的扭矩響應條款（如圖4所示），試飛結果表明對于總距W_f階躍輸入后第一個峰值出現(xiàn)的時間t_p和扭矩超調(diào)比Q₀/Q₁的要求并不合理，且國外資料也明確指出該指標要求沒有足夠的數(shù)據(jù)支持[4]。

ADS-33E的主要問題及相應的修訂建議如下：

（1）對于迅猛機動下的俯仰一滾轉耦合和滾轉一俯仰耦合準則，在試飛時保持4s的輸入會導致直升機飛行狀態(tài)較大的變化，因此對卜本指標的要求用頻域準則來代替時域準則更有實際意義。

（2）航向保持的附加要求，要求在航向操縱松浮之后，直升機應鎖定于參照方向且偏差不應超過航向操縱松浮時偏航角速度（rad/s）的10%變化對應的偏航角或1°偏航角（取較大值）。經(jīng)驗表明，該要求過于苛刻且沒有實際意義。建議將該要求修改為腳蹬松浮后無明顯的振蕩響應，或?qū)⒑较虿倏v松浮之后直升機的航向變化按飛控系統(tǒng)航向保持的要求進行規(guī)定更具實際意義。

（3）對于帶高度保持的垂直速率控制的特征準則，應該增加確保對高度偏離的響應不會導致傳動機構超扭矩或直升機進入自轉狀態(tài)，飛控系統(tǒng)應設計限制裝置以保證總距對大的高度偏差響應不會引起不安全的飛行狀態(tài)、懸停時高度保持自動接通、向前飛行過渡時自動斷開等要求。

（4）目前預估的飛行品質(zhì)指標都是基于無外掛的干凈構型狀態(tài)得出的數(shù)據(jù)，因而所有的指標都針對干凈構型狀態(tài)。而經(jīng)驗表明，有無外掛對飛行品質(zhì)的試飛結果影響比較大，如圖5所示的某直升機在不同吊掛載荷一總質(zhì)量比（LMR）狀態(tài)下的滾轉姿態(tài)響應[5]，可見不同的LMR對滾轉姿態(tài)響應的幅頻特性影響明顯。因此應該增加外吊掛構型的預估的飛行品質(zhì)指標。

（5）現(xiàn)行的ADS-33標準是基于已有的直升機型號的數(shù)據(jù)庫而制定的標準，而對于諸如S-92高速直升機和新構型直升機則沒有相應的數(shù)據(jù)支持。美國陸軍一海軍和NASA研究中心已經(jīng)對新構型直升機飛行控制和飛行品質(zhì)方面進行了研究，并著手制定新版本的ADS規(guī)范以滿足未來直升機的需求。國內(nèi)也需要開展相應的研究，以滿足未來高速直升機的發(fā)展需要。

（6）近年來無人直升機發(fā)展非常迅速，其采用的遙控、自主飛行和自動飛行模式與有人直升機的使用模式有很大的不同，作戰(zhàn)任務使命也有較大的差別，而現(xiàn)行的ADS-33標準對此并無專門的條款規(guī)定。因此，應開展現(xiàn)行的ADS-33標準條款對于無人直升機的適用性分析以及無人直升機特有的飛行品質(zhì)評定準則的研究工作。

鑒于我國在某型直升機的設計、試飛驗證方面采用以ADS-33E為藍本編制的型號直升機飛行品質(zhì)規(guī)范的成功實踐和技術積累，我國未來軍用直升機飛行品質(zhì)規(guī)范的修訂應以ADS-33E為藍本，對其已經(jīng)暴露的技術問題進行合理的修正，并考慮高速直升機和無人直升機的規(guī)范發(fā)展需求，形成適應我國直升機技術發(fā)展狀況的新的軍用直升機飛行品質(zhì)規(guī)范GJB902B，替代現(xiàn)行的GJ13902-1990。

4 結束語

本文主要介紹了美國直升機飛行品質(zhì)規(guī)范ADS-33及國內(nèi)軍用直升機飛行品質(zhì)規(guī)范GJB902的發(fā)展與使用情況，分析了ADS-33的技術特點和先進性，并結合國內(nèi)外軍用直升機試飛研究和應用方面的經(jīng)驗，指出了ADS-33E部分條款存在的問題和修訂建議，進而提出國內(nèi)軍用直升機飛行品質(zhì)規(guī)范的修訂應以ADS-33E為方向并規(guī)避其部分條款存在的問題，同時應考慮高速直升機和無人直升機的規(guī)范發(fā)展需求。本文的分析研究結果可為我國軍用直升機飛行品質(zhì)規(guī)范的修訂與發(fā)展提供參考。

參考文獻

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Office of National Defense Science and Technology Commission7210.Review ofAmerican military helicopter specifications [M].Beijing：Aviation Industry Press，1993.（in Chinese）

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