直升机气动解耦设计技术研究

殷士辉，万海明，陆永杰

(中国直升机设计研究所，江西 景德镇 333001)

0 引言

为了研究直升机气动解耦设计方法，采用全机非线性飞行动力学模型[1-3]进行配平计算，分析某民用直升机，得出总距操纵与纵向、横向和航向操纵的联动比例系数，与国外设计结果具有较好的符合性。

1 直升机气动解耦设计思路

在直升机飞行中，主桨桨距、纵(横)向周期变距和尾桨桨距的变化操纵直升机进行各种飞行，这4种操纵来自两个方面，包括飞行员驾驶杆行程和操纵系统(或者飞控系统)的助力器变化，形成了如图1的关系。

由于在大部分飞行状态下，为了直升机的稳态飞行，总距操纵的增加或者减少总是会引起纵向、横向和航向操纵的相应变化，如果在操纵系统(或者飞控系统)中引入总距与其他三个操纵方向的联动关系，则可以降低飞行员的操作负荷，提高全机飞行品质水平。因此，为了确定操纵联动关系，需要全机飞行动力学模型计算出在各种飞行状态下桨叶变距的配平值，分析总距与纵向(横向)周期变距、尾桨距的变化关系，研究并确定在主要飞行状态下的比例关系。

图1 操纵示意图

某民用直升机在机械操纵系统上具有总距与其他三个方向的操纵联动关系，为研究设计方法，我们确定了解决气动解耦的两个设计要点：

1) 操纵联动关系确立后的全机操纵范围能够满足所有飞行状态要求；

2) 总距与纵向、横向、航向的操纵联动关系能够在主要飞行状态上降低飞行员操纵负荷。

2 样例直升机气动解耦设计

该直升机的主要飞行状态为：从悬停到大速度前飞，在不同速度下的爬升和下降。

采用全机非线性飞行动力学模型计算出了这些主要状态的配平结果，得到了桨叶变距的变化关系。在配平计算结果中，可以形成总距与纵向、横向和航向之间的操纵关系，见图2、图3和图4。以总距与尾桨距的操纵关系为例，配平计算反映了从悬停到大速度、从爬升到下降的整个飞行区域的操纵关系，总的来看，在每个速度点上，总距与尾桨距之间都存在较好的线性关系。

由此可以得到在不同速度点上的操纵联动比例关系，形成图5、图6和图7。确定最终的比例关系不仅需要考虑减轻飞行员操纵负荷，还需要考虑对全机操纵范围的影响。

图2 在主要飞行状态下的总距与尾桨距的变化关系

图3 在主要飞行状态下的总距与纵向周期变距的变化关系

图4 在主要飞行状态下的总距与横向周期变距的变化关系

图5 总距-尾桨距的操纵联动关系

图6 总距-纵向周期变距的操纵联动关系

从图5、图6和图7可以看出，在整个速度范围内，总距与其他三个方向的操纵关系具有一定的离散性。由于该型机的使用特点决定了其常用的飞行状态是巡航飞行，因此选取在巡航状态的操纵比例关系将能最大程度地降低飞行员的操纵负荷，同时考虑到具有该比例关系的操纵范围需要涵盖所有的飞行状态，最终形成的操纵联动比例见表1。

图7 总距-横向周期变距的操纵联动关系

按照上述设计思路和流程，对比计算了增加气动解耦时驾驶员操纵负荷的降低程度[4]，见图8。

表1 气动解耦设计对比

图8显示，带有气动解耦后，在前飞过程中，驾驶员在航向、横向的操纵负荷明显降低，纵向操纵保持了原有的操纵梯度。在我们计算的其他速度状态下，爬升或者下降时航向、纵向和横向操纵负荷都降低很多，反映出目前设计的操纵联动关系能够有效降低驾驶员的操纵负荷，提升全机飞行品质。

图8 带有操纵联动后驾驶员操纵负荷的降低程度

3 结束语

本文基于直升机飞行动力学模型和配平结果，总结出操纵联动关系的设计方法，验证和应用结果表明，该设计方法达到工程精度，并具有较强的通用性，能够适用于各类直升机。通过该方法得到的气动解耦能够有效降低驾驶员操纵负荷，能够作为操纵系统或者飞控系统设计之全机气动解耦中的重要输入参数，具有工程应用价值。