直升機飛行控制技術(shù)綜述

周磊 袁恒博 喬博

摘 要：直升機作為20世紀航空技術(shù)極具特色的創(chuàng)造之一，在軍事作戰(zhàn)、物資運輸、搶險救災等諸多領(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。伴隨著相關(guān)技術(shù)的發(fā)展，直升機飛行控制技術(shù)的部分研究也取得了一定的成果。本文就直升機飛行控制技術(shù)進行簡要綜述，以供參考。

關(guān)鍵詞：直升機 飛行控制技術(shù) 發(fā)展 控制方法

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

1、 直升機飛行控制特點

直升機具有可任意方向飛行、可懸停、可定點監(jiān)視或者做360°回轉(zhuǎn)等優(yōu)勢，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。作為一個多變量、非線性、時變的、強耦合的高階系統(tǒng)，其控制難度相對較大，具體體現(xiàn)在對象特征差異顯著、飛行模態(tài)數(shù)量多、模型階次高、非線性特性強、建模難度大、高階動力學特性對操縱品質(zhì)影響較大等。

在直升機的航向、橫向以及縱向運動中，可產(chǎn)生較強的耦合性，具體表現(xiàn)在旋翼旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生偏航力矩：橫滾機動時，槳葉揮舞并引起俯仰力矩，俯仰機動引起橫滾力矩，前飛速度變化時，尾槳拉力變化引起偏航力矩。基于直升機的這一顯著耦合特性，在進行直升機飛行控制系統(tǒng)的設(shè)計時，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。

直升機模型包括剛體動力學模型、尾槳動力學模型、旋翼動力學模型、垂直尾翼等，上述模型共同構(gòu)成了直升機對象特性。在具體表現(xiàn)時，若選擇數(shù)學方式，則所需要的數(shù)學模型可高達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)動機等特性進行綜合，更增加了直升機飛行動力學數(shù)學模型的建立難度。考慮到這一因素，在控制系統(tǒng)的設(shè)計中，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，直升機的數(shù)學模型以及執(zhí)行機構(gòu)具有非線性特性，當施加機動操縱量時，將可激發(fā)出較強的非線性響應(yīng)。加之直升機通道之間的固有耦合，將可對其他通道的響應(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，高階動力學特性對飛行操縱的品質(zhì)有著十分重要的意義，在飛行控制系統(tǒng)的設(shè)計過程中，如果忽略了直升機模型中的高階環(huán)節(jié)，將可直接影響到所設(shè)計的控制系統(tǒng)的質(zhì)量，進而影響其性能技術(shù)指標。鑒于此，直升機控制系統(tǒng)的開發(fā)與設(shè)計還需要關(guān)注模型的高階環(huán)節(jié)，以提高飛行操縱品質(zhì)。

2、直升機飛行控制技術(shù)的現(xiàn)狀與趨勢

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

就當前直升機飛行控制技術(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，直升機的飛行控制系統(tǒng)也從傳統(tǒng)的模擬式增穩(wěn)裝置、自動駕駛儀發(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)動機等系統(tǒng)共同構(gòu)成了一個有機的整體，實現(xiàn)了一體化控制與管理。直升機飛控系統(tǒng)的這一改變，極大的改善了現(xiàn)代直升機的飛行品質(zhì)以及戰(zhàn)場生存性，而先進的電傳/光傳飛行控制技術(shù)，則成為了現(xiàn)代直升機綜合控制的重要紐帶。

西方國家對直升機先進飛行控制系統(tǒng)的研究可追溯到上世紀六、七十年代，當時的西方各國即對電傳/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，先后進行了“TAGS”戰(zhàn)術(shù)飛機制導系統(tǒng)、“HLH”重型運輸直升機、“ADOCS”先進數(shù)字/光傳控制系統(tǒng)等項目研究計劃。國外的先進多余度數(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)，直升機飛行控制系統(tǒng)的研究雖然已經(jīng)取得了較大的進展，但與西方發(fā)達國家相比，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/動力綜合控制技術(shù)、側(cè)桿控制技術(shù)、先進伺服作動器技術(shù)、光傳飛行控制技術(shù)以及直升機主動控制技術(shù)作為關(guān)鍵技術(shù)，將是未來直升機飛行控制研究的重要方向。

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

結(jié) 語

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

參考文獻

[1] 甄紅濤， 齊曉慧， 夏明旗， 等. 四旋翼無人直升機飛行控制技術(shù)綜述[J]. 飛行力學， 2012， 30（4）：295-299.

[2] 楊虎. 直升機飛行控制技術(shù)發(fā)展綜述[J]. 電子技術(shù)與軟件工程， 2015（14）：162-162.