直升機(jī)飛行品質(zhì)等級(jí)數(shù)值認(rèn)定方法研究

田洪源 魯可 武上景 劉春生 李春華

摘要：針對(duì)直升機(jī)機(jī)動(dòng)飛行品質(zhì)評(píng)估，ADS-33E-PRF飛行品質(zhì)規(guī)范設(shè)立了不同機(jī)動(dòng)性要求的任務(wù)—科目—單元，這些任務(wù)—科目—單元為駕駛員試飛進(jìn)行品質(zhì)評(píng)定提供了相應(yīng)的依據(jù)。同時(shí)，這種主觀評(píng)定方法存在成本高、風(fēng)險(xiǎn)大、周期長(zhǎng)且無法指導(dǎo)直升機(jī)前期設(shè)計(jì)等問題，采用數(shù)值分析的方法是解決這一問題的有效方式。本文在總結(jié)直升機(jī)機(jī)動(dòng)飛行駕駛員主觀評(píng)定方法的基礎(chǔ)上，通過引入操縱量功率譜分析、駕駛員靈敏度函數(shù)以及駕駛員快捷性指標(biāo)等相關(guān)技術(shù)手段，探討直升機(jī)機(jī)動(dòng)飛行品質(zhì)等級(jí)數(shù)值認(rèn)定方法。最后，通過數(shù)值仿真初步驗(yàn)證了方法的可行性。

關(guān)鍵詞：機(jī)動(dòng)飛行；駕駛員操縱負(fù)荷；駕駛員靈敏度函數(shù)；駕駛員快捷性；操縱量功率譜密度

中圖分類號(hào)：V211文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：ADOI：10.19452/j.issn1007-5453.2021.03.009

飛行品質(zhì)和任務(wù)效能在現(xiàn)代直升機(jī)設(shè)計(jì)過程中的重要性越來越明顯。現(xiàn)代戰(zhàn)爭(zhēng)快速機(jī)動(dòng)、低空突防任務(wù)對(duì)直升機(jī)的飛行品質(zhì)特別是機(jī)動(dòng)飛行駕駛品質(zhì)提出了更高的要求。為確保設(shè)計(jì)研制的直升機(jī)可安全飛行或不會(huì)出現(xiàn)因飛行品質(zhì)的缺陷而影響執(zhí)行預(yù)定任務(wù)能力的情況，各國(guó)相繼頒布了直升機(jī)飛行品質(zhì)規(guī)范并根據(jù)工程項(xiàng)目經(jīng)驗(yàn)不斷加以改進(jìn)。其中，ADS-33系列規(guī)范是美國(guó)直升機(jī)工程經(jīng)驗(yàn)積累的一個(gè)體現(xiàn)，集中反映了先進(jìn)（軍用）直升機(jī)飛行品質(zhì)設(shè)計(jì)的要求，是直升機(jī)設(shè)計(jì)過程中飛行品質(zhì)設(shè)計(jì)的指導(dǎo)性規(guī)范之一。ADS-33E-PRF是一種以任務(wù)為導(dǎo)向的直升機(jī)駕駛品質(zhì)規(guī)范[1-2]，它要求承制方在設(shè)計(jì)過程中就應(yīng)考慮不同迅猛程度的機(jī)動(dòng)科目，并規(guī)定駕駛品質(zhì)等級(jí)的最終確定須經(jīng)過試飛員對(duì)規(guī)定的機(jī)動(dòng)科目進(jìn)行試飛評(píng)定。

飛行試驗(yàn)?zāi)軌颢@得可靠的飛行數(shù)據(jù)并能夠?qū)︼w行品質(zhì)進(jìn)行準(zhǔn)確的評(píng)估，但是存在試飛風(fēng)險(xiǎn)大、成本高并且周期長(zhǎng)等問題。采用數(shù)值模擬的方法進(jìn)行直升機(jī)機(jī)動(dòng)飛行駕駛品質(zhì)評(píng)估可以減少設(shè)計(jì)成本，增強(qiáng)飛行安全，對(duì)直升機(jī)前期總體布局優(yōu)化設(shè)計(jì)具有重要意義。該方法需要解決如下問題：（1）直升機(jī)執(zhí)行機(jī)動(dòng)飛行科目任務(wù)時(shí)狀態(tài)量和操縱量的求解問題；（2）狀態(tài)量和操縱量與飛行品質(zhì)等級(jí)之間的映射問題。因此，本文針對(duì)機(jī)動(dòng)飛行駕駛品質(zhì)評(píng)估問題開展相關(guān)論述。

1直升機(jī)駕駛品質(zhì)主觀評(píng)定方法

ADS-33E-PRF品質(zhì)規(guī)范將任務(wù)—科目—基元（MTE）、響應(yīng)類型（RT）以及環(huán)境可知度（UCE）綜合起來，設(shè)定品質(zhì)等級(jí)要求。在駕駛品質(zhì)評(píng)估的過程中，駕駛員是整個(gè)人-機(jī)閉環(huán)系統(tǒng)中的重要一環(huán)，既是整個(gè)閉環(huán)系統(tǒng)的感受器又是驅(qū)動(dòng)器，只有通過駕駛員評(píng)估才能評(píng)價(jià)人-機(jī)系統(tǒng)性能與執(zhí)行任務(wù)總的工作負(fù)荷的相互關(guān)系。如圖1所示，庫(kù)珀-哈珀（Cooper-Harper）駕駛品質(zhì)評(píng)估準(zhǔn)則從任務(wù)性能與駕駛員工作負(fù)荷兩個(gè)方面定義了10個(gè)不同的評(píng)價(jià)尺度，該評(píng)估準(zhǔn)則被廣泛應(yīng)用于駕駛品質(zhì)評(píng)估中[3]。

ADS-33E-PRF飛行品質(zhì)規(guī)范定義了23種任務(wù)—科目—基元，覆蓋了從有限機(jī)動(dòng)性到迅猛機(jī)動(dòng)性的全部飛行科目，且每種機(jī)動(dòng)科目都規(guī)定了相應(yīng)的性能指標(biāo)要求。規(guī)定至少由三名試飛員分別完成試飛，以完成任務(wù)時(shí)的精神需求、體力需求、情緒要求、努力度以及挫折程度等作為依據(jù)，按照Cooper-Harper評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行飛行品質(zhì)評(píng)價(jià)。

2直升機(jī)機(jī)動(dòng)飛行駕駛品質(zhì)數(shù)值評(píng)估方法

由駕駛品質(zhì)主觀評(píng)定方法中可知，任務(wù)性能和駕駛員工作負(fù)荷對(duì)直升機(jī)駕駛品質(zhì)等級(jí)具有決定性的作用。因此，采用數(shù)值方法進(jìn)行駕駛品質(zhì)評(píng)定重點(diǎn)也是對(duì)這兩部分進(jìn)行量化，具體技術(shù)途徑如圖2所示。首先依據(jù)機(jī)動(dòng)飛行科目定義和指標(biāo)要求，進(jìn)行直升機(jī)狀態(tài)量和控制量求解，然后對(duì)狀態(tài)量和控制量進(jìn)行分析，提取其數(shù)據(jù)特征并建立數(shù)據(jù)特征和Cooper-Harper駕駛品質(zhì)等級(jí)之間的映射關(guān)系，最后完成直升機(jī)機(jī)動(dòng)飛行駕駛品質(zhì)評(píng)估，下面對(duì)上述步驟進(jìn)行論述。

2.1直升機(jī)機(jī)動(dòng)飛行數(shù)值求解

直升機(jī)機(jī)動(dòng)飛行數(shù)值求解的主要目的是得到符合駕駛員實(shí)際操縱情況的機(jī)動(dòng)飛行狀態(tài)量和操縱量的時(shí)間歷程，這是進(jìn)行駕駛員工作負(fù)荷量化的基礎(chǔ)。逆仿真方法是直升機(jī)機(jī)動(dòng)飛行數(shù)值模擬的有效手段[4-6]，從數(shù)學(xué)意義上來講，逆仿真算法就是對(duì)直升機(jī)自由運(yùn)動(dòng)方程增加機(jī)動(dòng)飛行科目提供的附加運(yùn)動(dòng)方程約束，使之具有唯一解。但是逆仿真這一類的方法很難考慮駕駛員作為感受器和驅(qū)動(dòng)器的作用，也就是人-機(jī)閉環(huán)特性，所以結(jié)果的置信度不高，同樣軌跡優(yōu)化也存在類似的問題[7-8]。因此，從駕駛員操縱飛機(jī)的行為特性出發(fā)建立駕駛員數(shù)學(xué)模型，從動(dòng)力學(xué)的角度來理解駕駛員如何完成預(yù)定的飛行任務(wù)，進(jìn)一步解算出直升機(jī)機(jī)動(dòng)飛行所需的狀態(tài)量及操縱量顯得更為合理，如圖3所示，直升機(jī)飛行動(dòng)力學(xué)數(shù)學(xué)模型、駕駛員數(shù)學(xué)模型以及直升機(jī)機(jī)動(dòng)飛行科目導(dǎo)航指令生成算法是符合人機(jī)耦合特性的狀態(tài)量及操縱量求解的三大組成部分。

直升機(jī)飛行動(dòng)力學(xué)數(shù)學(xué)模型是整個(gè)直升機(jī)機(jī)動(dòng)飛行駕駛品質(zhì)評(píng)估工作的基礎(chǔ)，G.D.Padfied將直升機(jī)飛行動(dòng)力學(xué)數(shù)學(xué)模型可以分成三個(gè)級(jí)別，以供不同的分析任務(wù)需要[9]。其中，置信度為等級(jí)Ⅱ的飛行動(dòng)力學(xué)模型可用于飛行包線附近飛行品質(zhì)和性能參數(shù)的計(jì)算，也適合寬頻帶/高增益飛行控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)、飛行模擬器和飛行品質(zhì)評(píng)估等任務(wù)。因此，在進(jìn)行直升機(jī)機(jī)動(dòng)飛行品質(zhì)分析中采用的直升機(jī)飛行動(dòng)力學(xué)模型應(yīng)該達(dá)到等級(jí)Ⅱ的標(biāo)準(zhǔn)。在選擇特定的機(jī)動(dòng)任務(wù)科目后，一般對(duì)其進(jìn)行數(shù)學(xué)描述，進(jìn)而得到直升機(jī)完成該任務(wù)科目所需要的指令[10-11]，將該指令作為駕駛員的控制目標(biāo)。因此，駕駛員的建模成為該分析方法的關(guān)鍵。

直升機(jī)機(jī)動(dòng)飛行時(shí)駕駛員的操縱是一個(gè)復(fù)雜的人-機(jī)系統(tǒng)相互配合和協(xié)調(diào)的過程。駕駛員的操縱動(dòng)作通過飛行控制系統(tǒng)作為直升機(jī)的輸入，駕駛員通過儀表顯示等手段獲得給定值與實(shí)際運(yùn)動(dòng)值之差，進(jìn)一步通過中樞神經(jīng)系統(tǒng)進(jìn)行邏輯判斷、決策，最后通過神經(jīng)肌肉系統(tǒng)產(chǎn)生相應(yīng)的操縱行為，從而構(gòu)成一個(gè)閉環(huán)系統(tǒng)，整個(gè)流程如圖4所示。

2.2駕駛員工作負(fù)荷量化

直升機(jī)的駕駛品質(zhì)等級(jí)取決于飛行任務(wù)科目完成的精確度及駕駛員的工作負(fù)荷兩個(gè)方面，其中飛行科目完成的精確度可以按照ADS-33E-PRF中的規(guī)定進(jìn)行量化評(píng)估，但是從數(shù)值仿真中得到駕駛員的工作負(fù)荷是一個(gè)非常具有挑戰(zhàn)性的工作。

駕駛員工作負(fù)荷是駕駛員在飛行過程中身體和精神方面所付出努力程度的一個(gè)度量。在執(zhí)行某一特定的飛行任務(wù)時(shí)，駕駛員工作負(fù)荷由以下三個(gè)方面組成[12-14]。

（1）導(dǎo)航：長(zhǎng)周期航線與高度控制

這部分飛行任務(wù)由于時(shí)間尺度較長(zhǎng)，駕駛員不必高頻率地進(jìn)行操縱（操縱周期在100s左右），所以這部分對(duì)駕駛員工作負(fù)荷的貢獻(xiàn)較小。

（2）制導(dǎo)：中等周期速度和位置控制

這部分飛行任務(wù)主要是完成地形跟蹤和障礙規(guī)避等，駕駛員要求進(jìn)行較高頻率的操縱（操縱周期在10s左右），所以這個(gè)飛行任務(wù)段駕駛員的工作負(fù)荷明顯增加。

（3）穩(wěn)定：短周期姿態(tài)控制

這部分飛行任務(wù)中駕駛員工作負(fù)荷主要應(yīng)用于調(diào)整飛行姿態(tài)以完成特定的機(jī)動(dòng)動(dòng)作，這時(shí)要求駕駛員注意力高度集中同時(shí)進(jìn)行高頻率的操縱（操縱周期在1s左右），所以這個(gè)飛行任務(wù)段是駕駛員工作負(fù)荷的重要組成部分。

在不同的飛行任務(wù)階段，駕駛員會(huì)產(chǎn)生不同頻率不同幅值的操縱量以控制飛行器按照任務(wù)要求進(jìn)行飛行，由此可見駕駛員的操縱量和工作負(fù)荷之間存在一定的映射關(guān)系。飛行任務(wù)中駕駛員工作負(fù)荷分析可以采用操縱量頻域分析、駕駛品質(zhì)靈敏度函數(shù)以及操縱量快捷性指標(biāo)等技術(shù)途徑進(jìn)行分析。

（1）操縱量頻域分析

駕駛員操縱幅值越大、操縱頻率越高則對(duì)應(yīng)的工作負(fù)荷越大。如圖5所示，圖中三條功率譜曲線為三個(gè)操縱時(shí)間歷程對(duì)應(yīng)的功率譜變化曲線，功率譜曲線越往上移，駕駛員的工作負(fù)荷越高。由于實(shí)際操縱量具有一定的隨機(jī)性造成不同品質(zhì)等級(jí)操縱量在頻譜圖上有一定的重疊區(qū)域，所以在頻譜圖上繪出明確的品質(zhì)等級(jí)線是比較困難的。但是，這種分析方法可以很好地定性分析不同操縱量的工作負(fù)荷，快速給出判斷。

（2）駕駛品質(zhì)靈敏度函數(shù)

通過分析大量飛行試驗(yàn)的駕駛員評(píng)級(jí)數(shù)據(jù)，Hess給出了如圖6所示的基于駕駛品質(zhì)靈敏度函數(shù)的品質(zhì)等級(jí)邊界，該邊界限定了不同品質(zhì)等級(jí)所允許的HQSF曲線最大取值，HQSF等級(jí)反映了駕駛員工作負(fù)荷的大小。

（3）操縱量快捷性指標(biāo)

3數(shù)值仿真

數(shù)值仿真以黑鷹直升機(jī)為研究對(duì)象，如圖9所示，通過飛行控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)分別使其達(dá)到ADS-33滾轉(zhuǎn)通道帶寬指標(biāo)等級(jí)1和等級(jí)2的標(biāo)準(zhǔn)。

Padfied團(tuán)隊(duì)在進(jìn)行機(jī)動(dòng)飛行品質(zhì)研究中建立了類似于ADS-33E中的障礙滑雪任務(wù)科目單元，并開展了相應(yīng)的飛行仿真試驗(yàn)[13]。飛行軌跡的仿真結(jié)果如果圖10以及圖11所示，可以看到，Case 2直升機(jī)的任務(wù)性能要比Case 1直升機(jī)的任務(wù)性能要差，并且Case 2直升機(jī)已經(jīng)開始出現(xiàn)駕駛員誘發(fā)振蕩（PIO）的傾向。

橫向桿操縱量如圖12所示。顯然，在此飛行任務(wù)中Case 2直升機(jī)的操縱幅值和操縱頻率比Case 1直升機(jī)要?jiǎng)×业枚唷?img src="https://cimg.fx361.com/images/2021/09/09/qkimageshkxjhkxj202103hkxj20210309-12-l.jpg"/>

針對(duì)兩個(gè)不同等級(jí)直升機(jī)的操縱時(shí)間歷程，本文分別從操縱量功率譜密度、操縱量快捷性以及駕駛品質(zhì)靈敏度函數(shù)值三個(gè)角度對(duì)飛行員在此過程中的駕駛負(fù)荷進(jìn)行了量化分析，結(jié)果分別如圖13～圖15所示。從整體上看，等級(jí)2直升機(jī)比等級(jí)1直升機(jī)的頻譜幅值要大（見圖13），表示駕駛員操縱負(fù)荷越重。操縱量快捷性分析顯示，等級(jí)2直升機(jī)總體上快捷性指標(biāo)要高于等級(jí)1直升機(jī)（見圖14），說明其工作負(fù)荷較重。從駕駛敏感性函數(shù)分析可以看到，等級(jí)2直升機(jī)在部分頻率段進(jìn)入了等級(jí)2區(qū)域（見圖15），同樣表示其工作負(fù)荷較重。由此可見，三種分析方法在評(píng)估飛行員駕駛負(fù)荷時(shí)所得到的結(jié)論一致，并且符合飛行員的真實(shí)感知。

4結(jié)論

直升機(jī)進(jìn)行復(fù)雜邊緣機(jī)動(dòng)科目和特殊的飛行狀態(tài)進(jìn)行試飛是十分危險(xiǎn)的，利用機(jī)動(dòng)飛行駕駛品質(zhì)數(shù)值評(píng)估方法進(jìn)行分析，可以判斷直升機(jī)是否具備完成該機(jī)動(dòng)的能力，同時(shí)采用操縱量功率譜密度、操縱量快捷性指標(biāo)，以及駕駛員靈敏度函數(shù)值等技術(shù)手段對(duì)駕駛員的操縱輸入量進(jìn)行分析，對(duì)駕駛員的工作負(fù)荷進(jìn)行評(píng)估，以任務(wù)效能和駕駛員工作負(fù)荷為參考得出直升機(jī)機(jī)動(dòng)品質(zhì)飛行認(rèn)定等級(jí)，對(duì)指導(dǎo)直升機(jī)前期設(shè)計(jì)具有重要意義。

參考文獻(xiàn)

[1]Anonymous.ADS-33E-PRF Performance specication，handling qualities requirements for military rotorcraft[S]. US Army AMCOM，2000.

[2]張宏林，馬庚軍.軍用直升機(jī)飛行品質(zhì)規(guī)范發(fā)展與展望[J].航空科學(xué)技術(shù)，2018，29（8）：7-11. Zhang Honglin， Ma Gengjun. Development and prospect of the military helicopter flying quality specification[J]. Aeronautical Science & Technology，2018，29（8）：7-11.（in Chinese）

[3]Cooper G E，Harper R P，The use of pilot ratings in the evaluation of aircraft handling qualities[R]. NASA TM D-5153，1969.

[4]Thomson D G，Bradley R. The use of inverse simulation for preliminary assessment of helicopter handling qualities[J]. Aeronautical Journal，1997，101（1007）：287-294.

[5]Hess R A，Gao C. A generalized algorithm for inverse simulation applied to helicopter maneuvering flight[J]. Journal of the American Helicopter Society，1993，38（4）：3-15.

[6]Matthew S W. Development and evaluation of an inverse solution technique for studying helicopter maneuverability and agility[R]. NASA-TM-102889，1991.

[7]Roberto C. Optimization-based inverse simulation of a helicopter slalom maneuver[J] Journal of Guidance，Control，and Dynamics，2000，23（2）：289-297.

[8]劉洋，向錦武，孟少華.應(yīng)用軌跡優(yōu)化策略的直升機(jī)任務(wù)科目基元仿真[J].飛行力學(xué)，2017，35（3）：41-45. Liu Yang， Xiang Jingwu， Meng Shaohua. Mission task element simulation of helicopter based on trajectory optimization strategy[J].Flight Dynamics，2017，35（3）：41-45.（in Chinese）

[9]Padfield G D. Helicopter flight dynamics：the theory and application of flying qualities and simulation modeling[M]. Oxford：Blackwell Science，2007.

[10]吳偉，陳仁良.直升機(jī)機(jī)動(dòng)飛行新分析方法[J].南京航空航天大學(xué)學(xué)報(bào)，2010，42（6）： 680-686. Wu Wei， Chen Renliang. Analytical method for helicopter maneuver flight[J]. Journal of Nanjing University of Aeronautics andAstronautics， 2010， 42（6）：680-686.（in Chinese）

[11]Thomson D G，Bradley R. Mathematical definition of helicopter maneuvers[J]. Journal of the American Helicopter Society，1997，42（4）：307.

[12]Padfield G D，CharltonM T，Jones J P，et al.Where does the workload go when pilots attack manoeuvres？An analysis of results from flying qualities theory and experiment[C]//20th European Rotorcraft Forum.Amsterdam，1994.

[13]Padfield G D，Charlton M T，Kimberley A M，Helicopter flying quality in critical mission task element：initial experience with the DRA large motion simulator[C]// 18th European Rotorcraft Forum，1992.

[14]Bradley R，Thomson D G.Handling qualities and performance aspects of the simulation of helicopters flying mission task elements[C]// 18th European Rotorcraft Forum，1992.

（責(zé)任編輯王為）

作者簡(jiǎn)介

田洪源（1995-）男，碩士，助理工程師。主要研究方向：直升機(jī)飛行動(dòng)力學(xué)。

Tel：022-59800502E-mail：tianhy@avic.com

魯可（1985-）男，博士，高級(jí)工程師。主要研究方向：直升機(jī)飛行動(dòng)力學(xué)。

Tel：022-59800502

E-mail：luk002@avic.com

Study on Numerical Method of Assigned Levels of Helicopter Handling Qualities

Tian Hongyuan1，Lu Ke1，*，Wu Shangjing1，Liu Chunsheng2，Li Chunhua1

1. Science & Technology on Rotorcraft Aeromechanics Laboratory，CHRDI，Jingdezhen 333001，China

2. Nanjing University of Aeronautics and Astronautics，Nanjing 210016，China

Abstract： ADS-33E-PRF flight quality specification provides the subjective assessment method for mission-taskelement. However，this method has many problems，such as high cost，big risk，long period and so on，which can not guide the early design of helicopter. In this paper，on the basis of the methods of subjective assessment，the techniques，i. e. pilot control power spectral density，handling qualities sensitivity function and pilot attack，are employed to identify the numerical evaluation method for flight handling qualities. Finally，the simulations verifies the evaluation method.

Key Words： maneuver flight； pilot workload； handling qualities sensitivity function； pilot attack； pilot control power spectral density