直升機(jī)飛行控制技術(shù)綜述

周磊 袁恒博 喬博

摘 要：直升機(jī)作為20世紀(jì)航空技術(shù)極具特色的創(chuàng)造之一，在軍事作戰(zhàn)、物資運(yùn)輸、搶險(xiǎn)救災(zāi)等諸多領(lǐng)域得到了應(yīng)用，發(fā)揮著其他飛行器不可比擬的優(yōu)勢(shì)。伴隨著相關(guān)技術(shù)的發(fā)展，直升機(jī)飛行控制技術(shù)的部分研究也取得了一定的成果。本文就直升機(jī)飛行控制技術(shù)進(jìn)行簡要綜述，以供參考。

關(guān)鍵詞：直升機(jī) 飛行控制技術(shù) 發(fā)展 控制方法

直升機(jī)飛行控制系統(tǒng)是一個(gè)較為復(fù)雜的系統(tǒng)，對(duì)直升機(jī)的穩(wěn)定飛行具有十分重要的意義。在直升機(jī)飛行控制技術(shù)的研究中，先進(jìn)的控制理論與控制方法，是提高直升機(jī)飛行控制系統(tǒng)的控制性能的關(guān)鍵所在。基于此，國內(nèi)外的相關(guān)工作者們開展了大量與直升機(jī)飛行控制技術(shù)的研究。作為直升機(jī)發(fā)展的重要條件之一，直升機(jī)飛行控制技術(shù)研究受到了諸多領(lǐng)域的重視。本文在分析直升機(jī)飛行控制特點(diǎn)的基礎(chǔ)之上，對(duì)直升機(jī)飛行控制技術(shù)的現(xiàn)狀以及應(yīng)用中存在的問題進(jìn)行綜述。

1、 直升機(jī)飛行控制特點(diǎn)

直升機(jī)具有可任意方向飛行、可懸停、可定點(diǎn)監(jiān)視或者做360°回轉(zhuǎn)等優(yōu)勢(shì)，在飛行安全性、起飛著陸的場地要求、外形尺寸等諸多方面有著其他飛行器所不能比擬的優(yōu)勢(shì)。作為一個(gè)多變量、非線性、時(shí)變的、強(qiáng)耦合的高階系統(tǒng)，其控制難度相對(duì)較大，具體體現(xiàn)在對(duì)象特征差異顯著、飛行模態(tài)數(shù)量多、模型階次高、非線性特性強(qiáng)、建模難度大、高階動(dòng)力學(xué)特性對(duì)操縱品質(zhì)影響較大等。

在直升機(jī)的航向、橫向以及縱向運(yùn)動(dòng)中，可產(chǎn)生較強(qiáng)的耦合性，具體表現(xiàn)在旋翼旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生偏航力矩：橫滾機(jī)動(dòng)時(shí)，槳葉揮舞并引起俯仰力矩，俯仰機(jī)動(dòng)引起橫滾力矩，前飛速度變化時(shí)，尾槳拉力變化引起偏航力矩?；谥鄙龣C(jī)的這一顯著耦合特性，在進(jìn)行直升機(jī)飛行控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)時(shí)，必須充分考慮小速度飛行、懸停以及前飛等狀態(tài)下的魯棒性以及解耦性。

直升機(jī)模型包括剛體動(dòng)力學(xué)模型、尾槳?jiǎng)恿W(xué)模型、旋翼動(dòng)力學(xué)模型、垂直尾翼等，上述模型共同構(gòu)成了直升機(jī)對(duì)象特性。在具體表現(xiàn)時(shí)，若選擇數(shù)學(xué)方式，則所需要的數(shù)學(xué)模型可高達(dá)27階以上，增加了分析的難度。在此基礎(chǔ)上，與傳感器以及發(fā)動(dòng)機(jī)等特性進(jìn)行綜合，更增加了直升機(jī)飛行動(dòng)力學(xué)數(shù)學(xué)模型的建立難度?？紤]到這一因素，在控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，必須關(guān)注模型弱相關(guān)性，以降低分析、建模的難度。此外，從系統(tǒng)的角度來看，直升機(jī)的數(shù)學(xué)模型以及執(zhí)行機(jī)構(gòu)具有非線性特性，當(dāng)施加機(jī)動(dòng)操縱量時(shí)，將可激發(fā)出較強(qiáng)的非線性響應(yīng)。加之直升機(jī)通道之間的固有耦合，將可對(duì)其他通道的響應(yīng)造成影響。因此，在飛行控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，還需克服閉環(huán)系統(tǒng)產(chǎn)生的非線性問題。

理論研究證實(shí)，高階動(dòng)力學(xué)特性對(duì)飛行操縱的品質(zhì)有著十分重要的意義，在飛行控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)過程中，如果忽略了直升機(jī)模型中的高階環(huán)節(jié)，將可直接影響到所設(shè)計(jì)的控制系統(tǒng)的質(zhì)量，進(jìn)而影響其性能技術(shù)指標(biāo)。鑒于此，直升機(jī)控制系統(tǒng)的開發(fā)與設(shè)計(jì)還需要關(guān)注模型的高階環(huán)節(jié)，以提高飛行操縱品質(zhì)。

2、直升機(jī)飛行控制技術(shù)的現(xiàn)狀與趨勢(shì)

近20余年，隨著現(xiàn)代戰(zhàn)爭規(guī)模與復(fù)雜程度的提升，現(xiàn)代軍用直升機(jī)飛行品質(zhì)以及任務(wù)效能也面臨新的要求。為滿足直升機(jī)飛行控制的一系列性能要求，先進(jìn)的數(shù)字式飛行控制系統(tǒng)以及發(fā)動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)等被應(yīng)用于直升機(jī)的飛行控制之中。飛行控制系統(tǒng)的改進(jìn)與完善，直接對(duì)直升機(jī)飛行品質(zhì)、提高直升機(jī)任務(wù)效能等方面起著至關(guān)重要的作用。

就當(dāng)前直升機(jī)飛行控制技術(shù)的發(fā)展來看，出現(xiàn)了許多備受關(guān)注的新技術(shù)，如傳感器合成技術(shù)、自主貼地與自主起降飛行控制技術(shù)、群飛與協(xié)同作戰(zhàn)技術(shù)、故障診斷與容錯(cuò)控制技術(shù)、航空電子綜合控制技術(shù)、多功能綜合顯示技術(shù)等。與此同時(shí)，直升機(jī)的飛行控制系統(tǒng)也從傳統(tǒng)的模擬式增穩(wěn)裝置、自動(dòng)駕駛儀發(fā)展到今天的多余度數(shù)字式電傳/光傳操縱系統(tǒng)，并與火力控制以及發(fā)動(dòng)機(jī)等系統(tǒng)共同構(gòu)成了一個(gè)有機(jī)的整體，實(shí)現(xiàn)了一體化控制與管理。直升機(jī)飛控系統(tǒng)的這一改變，極大的改善了現(xiàn)代直升機(jī)的飛行品質(zhì)以及戰(zhàn)場生存性，而先進(jìn)的電傳/光傳飛行控制技術(shù)，則成為了現(xiàn)代直升機(jī)綜合控制的重要紐帶。

西方國家對(duì)直升機(jī)先進(jìn)飛行控制系統(tǒng)的研究可追溯到上世紀(jì)六、七十年代，當(dāng)時(shí)的西方各國即對(duì)電傳/光傳飛行控制技術(shù)的研究與發(fā)展給予了高度重視。以美國為例，先后進(jìn)行了“TAGS”戰(zhàn)術(shù)飛機(jī)制導(dǎo)系統(tǒng)、“HLH”重型運(yùn)輸直升機(jī)、“ADOCS”先進(jìn)數(shù)字/光傳控制系統(tǒng)等項(xiàng)目研究計(jì)劃。國外的先進(jìn)多余度數(shù)字式電傳操縱系統(tǒng)已趨于成熟，光傳飛行控制技術(shù)和主動(dòng)控制技術(shù)的發(fā)展也取得了一定的成果。反觀國內(nèi)，直升機(jī)飛行控制系統(tǒng)的研究雖然已經(jīng)取得了較大的進(jìn)展，但與西方發(fā)達(dá)國家相比，仍然存在一定的差距。在電傳飛行控制系統(tǒng)的發(fā)展中，火力/飛行/動(dòng)力綜合控制技術(shù)、側(cè)桿控制技術(shù)、先進(jìn)伺服作動(dòng)器技術(shù)、光傳飛行控制技術(shù)以及直升機(jī)主動(dòng)控制技術(shù)作為關(guān)鍵技術(shù)，將是未來直升機(jī)飛行控制研究的重要方向。

火力/飛行/動(dòng)力的綜合控制，不僅能夠減輕駕駛員的飛行負(fù)擔(dān)，還能在改善直升機(jī)飛行性能、作戰(zhàn)效能、射擊精度等方面發(fā)揮重要作用。對(duì)于低空飛行的武裝直升機(jī)而言，火力/飛行/動(dòng)力綜合控制技術(shù)直接關(guān)系到其作戰(zhàn)效能。因此，加大火力/飛行/動(dòng)力綜合控制技術(shù)的研究力度，對(duì)飛控系統(tǒng)的發(fā)展有著重要意義。側(cè)桿控制方式與傳統(tǒng)的操縱形式相比，能夠更好的實(shí)現(xiàn)直升機(jī)的精確控制。但在后續(xù)的研究過程中，如何對(duì)側(cè)桿控制方式進(jìn)行優(yōu)化與推廣應(yīng)用，將是一項(xiàng)較為重要的內(nèi)容。靈巧伺服作動(dòng)器（將伺服作動(dòng)系統(tǒng)的作動(dòng)器部分與控制器部分進(jìn)行綜合）的研究和應(yīng)用，是先進(jìn)伺服作動(dòng)器技術(shù)研究與發(fā)展的一個(gè)重要方向。通過作動(dòng)器部分與控制器部分的綜合，組成一個(gè)內(nèi)部即可實(shí)現(xiàn)回路閉合的作動(dòng)器，在改善直升機(jī)控制性能、實(shí)現(xiàn)直升機(jī)的智能化發(fā)展等方面有著極為顯著的優(yōu)勢(shì)。此外，光傳飛行控制技術(shù)是電傳飛行控制技術(shù)發(fā)展的一個(gè)質(zhì)的飛躍，在彌補(bǔ)電傳飛行控制系統(tǒng)的不足的同時(shí)，在抵御電磁干擾、減輕傳輸線重量等方面有著重要意義。直升機(jī)主動(dòng)控制技術(shù)的應(yīng)用，則是新一代直升機(jī)飛行控制向智能化、綜合化發(fā)展的重要契機(jī)。

結(jié) 語

在直升機(jī)飛行控制研究中，控制技術(shù)的開發(fā)、創(chuàng)新，以及直升機(jī)飛行控制面臨的問題是相關(guān)工作者的研究重點(diǎn)。借助新的方法以及新的技術(shù)的引入，直升機(jī)飛行控制技術(shù)將得到不斷的改進(jìn)與完善，進(jìn)而為直升機(jī)的發(fā)展助力。

參考文獻(xiàn)

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