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旋翼飞机操纵品质发展及其飞行模拟试验
军用旋翼飞行器的操纵品质发展及飞行模拟试验
(中国飞行试验研究院)
摘要:
本文较详细地介绍了美国军用旋翼飞行器操纵品质的发展和技术状态。
用表格形式汇总了五十年来ADS-33系列标准的演变过程,并用一个简图作了补充说明。
根据对该标准的理解和相关资料的说明,提出了可以深入进行飞行模拟试验的四个领域,包括驾驶员模型的应用,进一步用等效系统的方法研究动态准则,PIO的识别和验证的若干要求以及结构的相互影响问题。
根据直升机特性和标准中的目视感示评定等级(VCR)和可用感示环境(UCE)的要求,论述了在面向飞行任务的设计中必须注意的几个方面。
关键词:
旋翼飞行器操纵品质飞行模拟
一、引言
为了更好地了解国外旋翼飞行器操纵品质的发展和现状,熟悉直升机的性能和试验要求,以便更好地开展地面飞行模拟试验和研究,支持直升机的飞行试验。
根据美国相关的资料,汇总了从1952年至2002年五十年来ADS-33系列标准的演变过程(包括标准和主要的背景资料),并用一个简图加以补充说明,该标准如何从特定机种的规范发展成通用规范。
又如何从设计规范演变为设计、性能和试验三者合一的规范,并最终提出了试验指南,该标准进一步面向任务和飞行试验。
同时根据操纵品质的发展现状,参考国外有关资料提出了如何进一步开展地面飞行模拟试验的一些想法。
二、ADS-33系列标准的演变过程
美国军用旋翼机操纵品质要求的发展至今已有56年的历史。
1952年发表了标准的一般要求。
但直至80年代初才基本上只对特定机种的操纵品质提出了要求。
通过82年至84年的讨论、准备和编写才在84年提出规范及其背景资料和使用指南的草稿。
1985年12月才正式出版了ADS-33标准。
该标准开始是适用于轻型直升机。
通过86年政府部门和工业界的评论,至87年ADS-33A才把轻型直升机标准改为通用标准。
至94年ADS-33D标准有了很大的发展,其基本格局和结构大致与现行标准类似。
ADS-33D-PEF至ADS-33E-PEF,美陆军航空系统司令部已宣布为性能规范和试验规范。
2002年ADS-33E-PEF的试验指南(草稿)出版。
从02年至现在该标准又有了新的发展,但还没有了解到这方面的情况。
为了较全面地了解其发展过程,用表格(表1)的形式介绍了标准以及主要背景资料和使用指南的情况。
介绍中还包括垂直/短距起落飞行(V/STOL)的标准。
三、ADS-33E-PEF标准的现状
ADS-33E-PEF标准提出了许多有根据的准则,而且确立了包括操纵品质规范、设计、试验验证和评定的编制原则及内容。
ADS-33E-PEF标准的革新内容主要包括:
a)根据可用于设计的目视感示质量的经验方法。
来确定可用感示环境的要求。
按照试验旋翼机的特性,可应用的任务科目基元(MTE)和目视感示等级(VCR)的差值,通过飞行评定,根据姿态(Attitude)(俯冲,滚转和偏航),水平(侧向—纵向)移动率和垂直移动率,并按好(good),中等(fair)和差(poor)等5个等级,来确定可用感示环境(UCE)的1,2和3等级。
根据这种经验方法也可以作为设计的依据(目视接口的设计依据)。
水平移动率和垂直移动率应该同时满足要求。
b)任务菜单(任务科目基元MTE)对各种直升机类型(侦察、攻击、通用、货运和外吊挂载重构型)都应是适用的。
c)每种任务科目基元的描述足够详细、可用于试飞员正式评定中使用。
每种任务科目基元包括评定任务的目的,所需的机动,合适的试验路线或地面参照(标记)以及期望(满意)而足够的性能标准。
d)按照将会遇到的目视感示环境(可用感示环境)分等级来确定稳定或稳定化的要求。
e)根据可适用的任务科目基元确定操纵和机动要求。
f)规定操纵(频宽)所需短周期响应的新参数。
g)规定所需中、大幅值操纵功率(姿态敏捷)的新参数。
h)在迅猛(急剧)的机动中规定可允许的俯仰——滚转交叉耦合的新参数。
还修改了部分在ADS-33D中的一些不足之处,如操纵器特性中增加了配平的要求。
i)提出多种响应类型的概念,并与飞控系统设计关系紧密。
四、飞行模拟的要求
操纵品质研究的主要工具是地面基飞行模拟器和空中飞行模拟器。
美国陆军航空动力学管理局在NASA艾姆斯研究中心的帮助下利用该研究中心的垂直运动模拟器(VMS),进行必要的数据库的开发。
同时利用加拿大国家研究委员会飞行研究所的Bell205的空中变稳直升机,后来又利用德国飞行力学研究所航空航天实验室的BO105空中变稳直升机。
随着直升机研制和试验的不断发展和直升机模拟器技术的不断改进(包括计算机,视景和建模技术)为航空设计标准(ADS-33系列)的发展提供了技术依据。
1990年10月美国提出了AC120-XX“直升机模拟器鉴定”(草稿)规范至1994年10月正式出版了AC120-63“直升机模拟器鉴定”规范。
我国参考国外的规范也着手制定了相应的规范。
根据我们的分析,AC120-63规范是一个通用的规范,对飞行模拟器研制有明确要求,但没有和飞行任务挂勾,没有体现面向任务的设计意图。
因此在从事飞行模拟器研制和试验时,必须充分了解ADS-33E-PRF标准中的任务菜单——任务科目基元(Mission-Task-Elements)。
该标准共包括23项单元的飞行机动科目,包括目的,机动科目说明,试验路线描述和性能标准。
从飞行模拟的角度对直升机的飞行模拟试验主要取决于视景和飞行操纵动作。
所以应重点考虑四个方面的问题。
a)建模
由于需要完成的飞行试验机动科目较多,建模的工作量和难度明显增加,根据有的资料介绍,旋翼机的计算工作量是固定翼机的20倍,因此不仅是软件问题,而且计算机的内存和速度也必须成倍增加。
b)视景
视景模拟主要分三类:
良好能见度的视景状态,降低能见度的视景状态(不良目视),不用视景系统的状态。
所以对能见度可变的要求很高。
直升机的另一特点是低高度低速飞行要求,包括贴地飞行,因此视景的景深、纹理、细节、高分辨率的视场和稳定性等方面远高于固定翼机飞行的模拟要求。
着落方式和着落区也变化较多。
同时夜间飞行频繁。
c)飞行操纵系统
对飞行操纵系统除了静态参数模拟外,动态参数及其响应包括振荡模态的频率和阻尼,还有轴之间交叉耦合和非线性影响也需要模拟。
训练模拟器的中央操纵机构的模拟可以采用装机件,但工程研究型的模拟器必须配备人感系统。
但不管如何,操纵系统都必须满足精确操纵和迅猛(急剧)操纵的要求,操纵范围包括小幅值和大中幅值。
d)可用的感示环境
试验目视环境主要反映在人机介面上。
包括舱外视景和座舱内部显示,其中座舱显示器的显示及其动态反应应该逼真,并结合ADS-33E-PRF中目视感示评定等级(VCR)和可用感示环境(UCE)的要求,特别是稳定性和快速性的要求,还必须通过飞行员的评定。
最后通过试飞,把地面的预测值和空中的结果进行比较和分析,最后确定等级和可靠性。
飞行模拟器不仅可以进行不同条件和环境下的模拟飞行,预测结果,培训飞行员,而且能为规范的准则发展提供更多的数据。
五、飞行模拟的作用
通过对ADS-33E-PRF标准的学习和分析。
了解到该标准革新的内容很多,在技术上,它大大前进了一步,如图1所示。
ADS-33系列的标准已经从专用标准发展为通用标准。
从设计标准,性能标准发展成试验标准,而且已经提出了试验指南。
但随着旋翼机的发展对侧驾驶杆操纵器的要求;可变构型旋翼机在旋翼状态和机翼状态之间的转换;闭环跟踪和PIO特性要求;风状态分类的不连贯,以及故障模拟内容较少等方面还需进一步的研究和补充。
飞行模拟器要尽可能逼真地复现飞行器的各种性能。
另外可以把下列几个方面作为重点研究和试验的内容。
表1军用旋翼机操纵品质要求——ADS-33的演变过程
年代
规范编写情况
备注
1952.11
MIL-H-8501军用规范:
直升机飞行和地面操纵的一般要求(MilitarySpecification,HelicopterFlyingandGroundHandlingQualities,GeneralRequirementsfor)
对稳定性、操纵性功率和阻尼用相当简单的时间响应要求,并用重量和惯量说明(第一个直升机的飞行和地面操纵品质规范)
1954
首架可变构型的垂直/短距起落飞机飞行(Thefirstvariableconfigurationvertical/shorttakeoffandlanding(V/STOL)aircraftflew)
“V/STOL:
TheFirstHalf-Century,”Vertiflite(Hirschberg编写)
1961.9
MIL-H-8501A军用规范:
直升机飞行和地面操纵的一般要求(MilitarySpecification,HelicopterFlyingandGroundHandlingQualities,GeneralRequirementsfor)
替代MIL-H-8501,它是58年850版的修改版。
包括简单的时间域参数,如对速度的杆力和杆位移梯度,振荡模态的阻尼,法向加速度对阶跃输入的响应,俯仰角对操纵行程的响应,都是重量的函数。
白天目视飞行规则和夜间仪表飞行规则要求不同,但没有考虑低能见度条件。
存在基本结构方面的问题:
如飞行品质,飞行包线和可靠性的系统等级的处理,也没有提出高耦合模态特性及严重的交叉耦合和非线性。
1962.4
MIL-H-8501A增加修改单1
1962.10
AGARDRept408:
垂直/短距起落飞机操纵品质建议(RecommendationsforV/STOLHandlingQualities)
较基本的操稳设计准则
1969.4
NASATND-5153驾驶员评分等级在飞机操纵品质评定中的使用(TheuseofpilotratingintheEvaluationofAircraftHandlingQualities)
Cooper.G.E和Harper,R,P.Jr著
1970.12
MIL-F-83300:
军用规范,有人驾驶垂直和短距起落飞机的飞行品质(MilitarySpecification,FlyingQualitiesofPilotedV/STOLAircraft)
美国空军对垂直起落飞机,包括直升机正式采用MIL-F-83300,而陆军和海军继续采用MIL-H-8501A至1995年。
该规范在形式和结构上以及许多要求采取的参数与8785B相近。
明确说明悬停和低速飞行至35kt,前飞或过渡区在35kt和Vcon之间。
1971.5
AFFDL-TR-70-88:
MIL-F-83300军用规范—有人驾驶垂直/短距起落飞机的飞行品质的背景资料和用户指南(BackgroundInformationandUserGuideforMIL-F-83300,’MilitarySpecification-FlyingQualitiesofPilotedV/STOLAircraft’.)
1971.12
SpecificationAMC-SS-2222-01000:
通用战术运输机系统的系统规范,附录Ⅰ飞行和地面操纵品质。
(SystemsSpecificationforUTTAS,AppendixⅠFlyingandGroundHandlingQualutilies)
美国陆军和海军在UH-60和AH-64的研制中和SH-2,SH-60和CH-53采购中仍以8501A为依据。
1973
AGARDReptNo577:
对垂直/短距起落飞机的操纵品质用文件提出新建议(UpdategRecommendationsforV/STOLHQSwithdocumentation)
北大西洋公约组织(AGARD)提出
1973.7
先进攻击机系统规范,附录Ⅰ飞行和地面操纵品质(SpecificationAMC-SS-AAH-H10000A:
SystemsSpecificationforAdvancedAttackHelicopter,AppendixⅠFlyingandGroundHandlingQualities)
1980.8
AIAApaper80-1592:
美国军用直升机操纵品质规范评论(ACritiqueofHandlingQualitiesSpecificationsforUSMilitaryHelicopters)
根据UH-60和AH-64
1982.11
NavalAirSystemsReportNADC-81023-60:
直升机/垂直和短距起落飞机操纵品质规范初评(APreliminaryAssessmentofHelicopter/VSTOLHandingQualitiesSpecifications)
根据SH-60B和CH-53D
1985
ADS-33航空设计标准,军用旋翼机操纵品质要求(AeronauticalDesignstandard,HandlingQualitiesRequirementsforMilitaryRotorcraft)
全面地发展轻型直升机的规范。
替代MIL-H-8501A,包括频域和时域的要求,目视感示信号和显示器的介面,首次使用库珀-哈珀评定等级。
用于新的轻型的侦察攻击直升机(LHX)
1985.12
ADS-33轻型直升机的规范及背景资料和使用指南
1985.12
TR-1194-2推荐的适航设计标准:
军用旋翼机的操纵品质要求(ProposedAirworthinessDesignStandard:
HandlingQualitiesRequirementsforMilitaryRotorcraft)
Hoh.R.H,MitchellD.G,KeyD.L,etal.,编写(SystemsTechnology,Inc)
1987.5
ADS-33A航空设计标准:
军用旋翼机操纵品质要求(AeronauticalDesignstandardHandlingQualitiesRequirementsforMiliitaryRotorcraft)
轻型直升机规范为通用规范
1988.5
ADS-33B航空设计标准:
军用旋翼机操纵品质要求(AeronauticalDesignstandardHandlingQualitiesRequirementsforMilitaryRotorcraft)及背景资料和使用指南(BackgroundInformationandUser’sGuideforHandlingQualitiesRequirementsforMilitaryRotorcraft)
1989.8
ADS-33C航空设计标准:
军用旋翼机操纵品质要求(AeronauticalDesignstandardHandlingQualitiesRequirementsforMilitaryRotorcraft)
美国陆军航空系统司令部
1989.12
USAAVSCOMTechnicalReport89-A-008,军用旋翼机操纵品质要求的背景资料和使用指南(BackgroundInformationandUser’sGuideforHandlingQualitiesRequirementsforMilitaryRotorcraft)
Hoh.R.H,MitchellD.G,Key,D.L,andBlanken编写
1991.9
高增益作战旋翼机的飞行品质分析和飞行评定(FlyingQualitiesAnalysisandFlightEvaluationofaHighlyAugmentedCombatRotorcraft)
Tischler,M.B,J.W.Fletcher.P.M.Morris,andG.E.Tucker编写
1991.11
美国陆军航空技术试验中心最终报告AVSCOMProjectNo.87-17:
航空设计标准ADS-33C的工程评定,军用旋翼机操纵品质要求(EngineeringEvaluationofAeronauticalDesignStandard(ADS)-33CHandlingQualitiesRequirementsforMilitaryRotorcraft,UtilizinganAh-64AApacheHelicopter)
用于AH-64AApache直升机
AbbottW.C,etal.编写
1992.5
USAAVSCOMTR91-A-009直升机空战的前飞操纵品质要求的有人驾驶模拟研究(APilotegSimulationInvestigationofForwardFlightHandlingQualitiesRequirementsforHelicopterAir-to-AirCombat)
Whalley,Malthew.S.,andCarpenter,WilliarmR编写
1992.9
NASATM-103948,USAAVSCOMTR-92-A-002悬停的偏航姿态敏捷性和前飞的偏航带宽的有人驾驶模拟研究(PilotedSimulationInvestigationofYawAttitudeQuicknessinHoverandYawBandwidthinForwardFlight)
Whalley,Malthew4S.A编写
1993.7
NASACP-3220带宽和时间迟后对直升机滚转轴操纵品质的影响研究(InvestigationoftheEffectsofBandwidthandTimeDelayonHelicopterRoll-AxisHandlingQualities)
Pausder,Heinz-JurgonandChrisl.Blanken编写
1993~1997
货机和外吊挂载重机的操纵品质
联合使用规范指南(JointServicesSpecificationGuide)
研制CH-47D直升机,作为一个军用规范(MIL-SPEC)
1994.7
ADS-33D:
航空设计标准,军用旋翼机的操纵品质要求(AeronauticalDesignStanderd,HandlingQualitiesRequirementsforMilitaryRotorcraft)
美国陆军航空系系统统司令部。
RAH-66使用了该规范。
1995
MIL-H-8501A直升机规范取消
没有替代文件
1996.5
ADS-33D-PRF:
航空设计标准、性能规范、军用旋翼机操纵品质要求(AeronautiocalDesignStandard,PerformanceSpecification,HandlingQualitiesRequirementsforMilitaryRotorcraft)
美国陆军宣布已作为性能规范
1997.5
美国陆军航空技术试验中心最终报告ATCOMProjectNo.93-02:
航空设计标准了3C/D货运直升机要求的工程评定(EngineeringEvaluationoftheCargoHelicopterRequirementsofAeronauticalDesignstandard33C/D)
WoratschekR.,etal.编写
1997.7
美国直升机学会期刊:
旋翼机滚转跟踪机动的俯仰-滚转耦合要求(RotorcraftPitch-RollDecouplingRequirementsfromaRollTrackingmaneuver)
Blanken,C,L.,C.J.Ockier,H-J,Pausder,R.C.Simmous编写
1998.7
德国飞行力学研究所DLRReportForshungsbericht98-07:
ADS-33D操纵品质准则的评定(EvaluationoftheADS-33DHandlingQualitiesCriteriaUsingtheBO105Helicopter)
使用BO105变稳直升机
2000.3
ADS-33E-PRF航空设计标准、性能规范,军用旋翼机操纵品质要求(AeronauticalDesignStandard,PerformanceSpecification,HandlingQualitiesRequirementsforMilitaryRotorcraft)
2001.7
ADS-33D译稿出版
中国飞行试验研究院翻译
2002.1
USAAMCOMTRADS-33E-PRF的试验指南(草稿)(TestGuideforADS-33E-PRF(Draft))
Mitchell.D.G.etal.编写
2004
ADS-33E-PRF
南航
a)驾驶员模型的应用
操纵品质规范的分析准则应用了两种形式。
开环准则和闭环准则。
开环准则如被测响应或模态的限制值。
开环准则是基于驾驶员执行闭环任务的期望值和要求,但是要求本身对驾驶员操纵结构(cotrolstructure)没有作假设。
通过两者的对比,可以用闭环准则来假设驾驶员的反馈结构,因而研究闭环准则较大程度取决于驾驶员模型形式的充分程度和精确度。
由于要建立所用的驾驶员模型的困难,所以直到近20年来才把闭环准则归入设计指南。
采用驾驶员模型为核心来进行操纵品质分析和设计有许多优点。
因为在不同假设任务带宽的范围内,可以用驾驶员补偿的各种变量的影响来对操纵品质进行评估,这就可能由驾驶员评定来确定各种变量产生的原因,以及用驾驶员模型会最容易说明识别多轴操纵影响的真实情况。
另外从飞行模拟试验的角度,也可以获得统一的试验标准,进行操纵品质的预测,更准确地提出相应的准则。
b)动态准则和等效系统
在飞行模拟器上可以利用等效系统的方法对高阶系统进行研究,识别和分解高阶系统和低阶系统,并用低阶系统拟配高阶系统的反应。
通过模拟器上的试验并与飞行试验进行对比和分析来开发动态准则和验证动态准则。
还可深入地研究轴间耦合和非线性的影响。
c)PIO的识别和验证
在ADS-33E-PRF中只对PIO提出带宽和相位迟后的准则,没有明确提到如何识别和验证问题,因此必须加强这方面的模拟试验。
这方面涉及的内容可以包括几个方面:
♣为PIO试验作好地面模拟准备;
♣采用抗PIO的设计;
♣在设计早期就应用有价值的预测准则;
♣继续应用准则来改进模型的精度;
♣在有人驾驶模拟试验中使用高增益机动评定PIO趋势;
♣在鉴定试飞中应用PIO的探测和预防装置;
♣补充大幅值的试验输入和准则;
♣用飞行数据修改地面模拟模型;
♣把PIO识别作为飞行员训练大纲的一个组成部分;
♣做好新机PIO试验的准备。
d)结构的相互影响
e)飞行器结构的柔性对飞行器飞行动力学的影响也必须注意。
尤其是当弹性模态的频率较低和接近刚体模态的频率。
这类飞行器的操纵特性与刚体飞行器
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- 飞机 操纵 品质 发展 及其 飞行 模拟 试验