基于虚拟驾驶员仿真的非定常尾流下直升机飞行品质研究

2020-09-15徐玉貌

直升机技术 2020年3期

王滨，徐玉貌

(中国直升机设计研究所，江西景德镇 333001)

0 引言

舰载直升机的飞行环境恶劣，尤其是舰面尾流场复杂多变，导致直升机的起飞和着舰受到很严格的条件限制，飞行时机和任务时间也受到很大的限制，飞行员在起飞离舰与返场着舰过程中的工作负荷相当大，由此造成飞行事故的概率也远比陆基直升机高[1]。因此，分析舰面非定常尾流场对机舰动态配合飞行品质的影响，对舰载直升机良好的飞行品质设计意义重大，不仅是高质量完成任务的基本保证，也对飞行安全具有重要作用[2]。

本文选取国外常见的三种下滑-着舰进近轨迹[3]，在建立的直升机飞行动力学模型中，运用基于虚拟驾驶员的仿真分析方法，开展定常与非定常尾流对机舰动态配合飞行品质的影响的分析工作，并给出着舰操作建议，为设计舰载直升机优良的飞行品质提供理论指导。

1 计算方法

基于虚拟驾驶员[4]的仿真分析方法能够生成虚拟驾驶员操纵输入，驱动非线性直升机模型按预定轨迹进行飞行。该方法根据用户定义的约束条件，基于赫尔姆斯曼行为方法(Helmsman Behavior method)自动生成飞行轨迹。该方法采用“3-arc”假设将3个任务点(例如先前、当前和下一时刻)进行光滑连接生成轨迹；然后采用独特的增强逆仿真技术根据预定的轨迹生成操纵；最后，将前馈控制与反馈补偿器结合，进行高精度的轨迹跟踪仿真。

1)增强逆仿真技术

相比于逆仿真技术[5]，为了提高其计算精度，增强逆仿真技术将其线性模型逆过程替换成为了初始配平状态预估算法，如图1所示。该算法用于预测给定配平点处的飞行器滚转和俯仰姿态，每个时间步的姿态角采用分段插值算法获得。利用姿态角随时间的变化，求出角速度及角加速度的变化。求解得到的角加速度和线加速度(由预定轨迹求得)在随后的第一次动态配平过程中作为运动约束。

在第一次动态配平过程中，飞行器角运动被重新定义，自动飞行控制系统的控制信号能够被计算出来。第二次动态配平过程采用了第一次的角运动及控制信号，进一步求解轨迹跟踪的操纵信号。求解得到的给定配平点的操纵信号通过插值，进一步得到时间连续的操纵。

图1 增强逆仿真方法

2)反馈补偿器

由于数值插值过程中会产生传递误差，并且在动态配平过程中由于非周期时变气动环境等的影响可能会产生轨迹跟踪误差，因此有必要引入一个反馈补偿器。如图2所示。

图2 用于误差修正的反馈补偿器

根据应用方式的不同，反馈补偿器的结构可采用经典的控制理论、鲁棒控制方法、优化控制方法等。经典的PID控制方法由于其结构简单，并且应用于直升机的时候每个操纵通道都是解耦的，因此用于反馈补偿器比较有益。但是，由于直升机动力学及操纵的高度耦合性，反馈增益的选择过程是非常耗时的。由于本方法前馈操纵是由精确的动态配平优化生成的，用于误差修正的反馈补偿器不是经常需要用到，增益的选择过程需求量不大，该增益的选择可用自动增益选择算法进行实现。

2 算例仿真

以某型右旋舰载直升机和某舰为例开展了仿真计算，计算时分别设置环境来流风向为0°，风速为55km/h，舰载机下滑角为3°，船速为0，计算直升机三种下滑-着舰进近轨迹下的飞行品质。计算条件具体设置如表1所示，进近轨迹如图3所示。

表1 计算条件设置

3 仿真结果

机舰动态配合过程的下滑-着舰进近轨迹的飞行姿态、操纵量变化和驾驶员操纵功率谱分析，计算结果见图4-图12。图中，垂直于横坐标轴的黑色实线为舰船尾流影响区分界线，该分界线右侧代表直升机进入了舰船尾流影响区。红色长虚线代表无舰船尾流影响时的计算结果；黑色短虚线代表考虑定常尾流时的计算结果；蓝色实线代表考虑非定常尾流时的计算结果。