基于使用需求的直升机自动向下过渡试飞研究

孟晓伟 马庚军 宋招枘

摘 要：为了使直升机自动向下过渡功能更加满足使用需求，对直升机自动向下过渡功能进行了试飞研究。首先分析了侧风对自动向下过渡功能的影响；并在此基础上研究了自动向下过渡功能投入时直升机的高度、速度等参数对自动向下过渡距离的影响，得出了自动向下过渡距离与水平总地速的对应关系；最后给出了自动向下过渡功能的投入窗口以期在实际使用中提升该功能的使用效能。

关键词：投入窗口；自动向下过渡；过渡距离；水平总地速；直升机

中图分类号：V216 文献标志码：A 文章编号：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

由于海面上空存在参照物缺少和空间感丧失等问题，直升机从一定飞行高度向下过渡到近海面上空稳定悬停时，单单靠人工操作会严重增加驾驶员的工作负荷，影响飞行安全和完成任务的效率，因而为了使驾驶员更方便地完成过渡过程，在直升机自动驾驶仪中引入了自动向下过渡功能。直升机自动向下过渡是指直升机从初始高度和速度自动过渡到较低高度进入悬停的过程[1]。自动过渡是一种复杂的飞行自动控制过程，需要自动驾驶仪的俯仰、滚转、航向以及高度等4个通道协同工作[2]。在自动过渡过程中，往往要求过渡轨迹快速且光滑，期间直升机不应有较大的高度、姿态振荡等不良响应，在自动向下过渡末端，当直升机高度到达目标高度且状态相对稳定时，直升机应能自动切换至自动悬停和悬停无线电高度保持模态。

对于自动过渡曲线控制律的设计，目前已有较多的研究，文献[2]设计了一种新型的自动过渡悬停系统，在高度下降指令中加入了法向速度反馈，在纵向地速减小过程中增加了抛物线减速阶段，并用stateflow和simulink工具对所设计的系统进行了验证，得到的过渡曲线平滑且满足加速度的指标要求。文献[3]建立了高度自动过渡、速度自动过渡数学模型，设计了模拟器中自动过渡的仿真结构图，利用直升机六自由度非线性模型对自动过程进行了仿真，结果表明文中方法能够实现直升机模拟器中自动过渡仿真功能任务需求。从现有文献可知，为了保障过渡曲线尽可能光滑，直升机高度、速度需按一定的规律进行变化，这使得自动过渡完成后直升机的位置难以控制。而在实际使用中，往往不仅仅要求直升机可以自动过渡到指定高度悬停，并期望能过渡到目标位置（即过渡到指定悬停点），如直升机在实施海上救援[4][5]时，要求直升机能在指定救援点进行悬停，若是直升机自动向下过渡模态具有定点过渡能力，将在很大程度上减少驾驶员的工作负荷，提高救援效率（尤其在夜间救援）。但当前如果在自动向下过渡模态的控制设计中引入定点过渡功能，将会面临一系列的技术难点，例如在不同的待飞距离下，为了使直升机自动过渡到目标点，直升机在自动向下过渡过程中，高度速度变化曲线将难以保持光滑，可能会出现飞控权限不够、旋翼涡环、姿态变化过大、回避区飞行时间较长等问题，因而在自动向下过渡模态中合理地引入定点过渡功能目前还难以较好地实现。

鉴于此，本文从使用需求的角度出发，以某型具有自动向下过渡功能的直升机作为样例直升机，对自动向下过渡功能进行了试飞研究。首先在直升机自动向下过渡的典型使用高度速度范围内，在侧风状态接通自动向下过渡功能，分析侧风对自动过渡功能的影响，并在此基础之上，以迎风状态接通自动过渡功能，通过速度积分计算给出自动过渡距离，分析投入时高度、速度等参数对过渡距离的影响，并进一步给出自动过渡功能的投入窗口，作为驾驶员使用自动过渡功能的投入状态参考，以期尽可能在自动过渡完成后靠近目标点，降低驾驶员的工作负荷，提高任务的执行效率。

1 样例直升机概述

样例直升機为单旋翼带尾桨式直升机，主旋翼由主桨叶、主桨毂、自动倾斜器等三部分构成，主桨毂采用星形柔性桨毂型式。其自动向下过渡功能通过对俯仰轴和总距轴的控制，使直升机按照一定的曲线自动过渡到自动悬停和悬停无线电高度保持模态，过渡过程如图1所示。

2 自动向下过渡飞行试验