基于成本的直升機(jī)動穩(wěn)定性試飛科目設(shè)計方法研究

摘 要：在“一機(jī)多型、系列發(fā)展”的直升機(jī)產(chǎn)業(yè)發(fā)展基本態(tài)勢下，無論是原型機(jī)還是衍生機(jī)型都有在更短時間內(nèi)以更少成本高效完成從研發(fā)到試驗等的全過程的需求。為了在試飛環(huán)節(jié)降低成本，縮短周期，必須對現(xiàn)行試飛方法和科目選擇方法進(jìn)行優(yōu)化，文章從直升機(jī)動穩(wěn)定性科目入手，通過理論分析、模擬器飛行和實際試飛數(shù)據(jù)處理分析給出了一系列科目選擇和設(shè)計的優(yōu)化方法。

關(guān)鍵詞：直升機(jī)；動穩(wěn)定性；試飛方法；成本

引言

我國直升機(jī)產(chǎn)業(yè)經(jīng)過50余年的發(fā)展，已經(jīng)形成了從1噸級到13噸級較為完整的產(chǎn)品系列，建立起了完整的研發(fā)、試驗、生產(chǎn)和服務(wù)體系，以直-8、直-9等為平臺的數(shù)十個型號產(chǎn)品，不僅促進(jìn)了系列化產(chǎn)品格局的形成，也為我國直升機(jī)產(chǎn)業(yè)順利融入國際航空產(chǎn)業(yè)鏈奠定了堅實的基礎(chǔ)。“一機(jī)多型、系列發(fā)展”的新產(chǎn)品譜系是目前乃至未來直升機(jī)產(chǎn)業(yè)發(fā)展的基本態(tài)勢。

值得關(guān)注的是，每一個系列產(chǎn)品都須經(jīng)過研發(fā)、試驗、生產(chǎn)、應(yīng)用的全過程，在這一過程中，原型機(jī)的各項周期相對較長，資本投入也相對較多。而衍生機(jī)型基于成本和周期考慮，往往期望用更短的周期、更低的成本完成從研發(fā)到試驗等的全過程，直至順利交付。作為直升機(jī)試飛工程師，我們更關(guān)注試驗這一環(huán)節(jié)。可以肯定的是，即便是可用周期長、可用成本足的原型機(jī)試飛，本質(zhì)上也有在更短時間內(nèi)以更少成本高效完成任務(wù)的需求。可用周期短、可用成本低的衍生機(jī)型試飛在這方面的需求更高。其低成本和短周期并不意味著盲目的減少試飛科目、削減試飛架次，而是要求試飛工程師在不影響鑒定結(jié)果有效性的前提下，通過精簡試飛科目和架次，實現(xiàn)短周期內(nèi)以低成本高效完成任務(wù)的最終目的。

因此，研究并明確原型機(jī)試飛時哪些科目必不可少及衍生機(jī)型試飛科目如何取舍具有重要的指導(dǎo)意義。

1 理論分析

在直升機(jī)飛行試驗中，飛行品質(zhì)試飛要考核的內(nèi)容大致可以分為幾大塊，平衡特性、機(jī)動性、靜穩(wěn)定性、動穩(wěn)定性和操縱性。文章僅對動穩(wěn)定性展開研究。

動穩(wěn)定性試驗分為懸停及低速飛行動穩(wěn)定性、前飛縱向動穩(wěn)定性、前飛橫側(cè)動穩(wěn)定性及頻率掃描特性四個部分。前三者是按GJB902-1990的要求，對動穩(wěn)定性各運動模態(tài)的品質(zhì)等級進(jìn)行考核評定，后者是針對美軍標(biāo)ADS-33規(guī)范，對操縱輸入的短期特性進(jìn)行考核。

其中，懸停及低速飛行動穩(wěn)定性飛行試驗的目的是考核直升機(jī)在懸停和低速飛行中俯仰和滾轉(zhuǎn)動態(tài)響應(yīng)、偏航阻尼、垂直阻尼是否相應(yīng)規(guī)范的要求；前飛縱向動穩(wěn)定性飛行試驗的目的是考核直升機(jī)的縱向長周期運動模態(tài)、短周期運動模態(tài)和非周期運動模態(tài)是否滿足相應(yīng)規(guī)范的要求；前飛橫側(cè)動穩(wěn)定性飛行試驗的目的則是考核直升機(jī)的荷蘭滾運動模態(tài)、螺旋模態(tài)和滾轉(zhuǎn)模態(tài)是否滿足相應(yīng)規(guī)范的要求，考核直升機(jī)的滾轉(zhuǎn)側(cè)滑耦合是否滿足相應(yīng)規(guī)范的要求。而判定這些模態(tài)是否符合規(guī)范要求，則需要通過求解不同狀態(tài)下直升機(jī)特征方程的穩(wěn)定根來進(jìn)行判定。

現(xiàn)在進(jìn)行直升機(jī)動穩(wěn)定性試飛時，一般會分別進(jìn)行任務(wù)需求重量的地效內(nèi)、外高度的懸停動穩(wěn)定性試驗（正常重心）及前飛縱向、橫-側(cè)動穩(wěn)定性試驗（前重心、正常重心、后重心）。那么，僅進(jìn)行正常重心狀態(tài)下試驗得到的懸停動穩(wěn)定性結(jié)果正確性如何？前飛動穩(wěn)定性考核時進(jìn)行不同重心條件下的飛行試驗是否必要？

理論上講，直升機(jī)重心位置的變化會引起穩(wěn)定性導(dǎo)數(shù)的改變。穩(wěn)定性導(dǎo)數(shù)的變化則影響直升機(jī)的穩(wěn)定根，所以直升機(jī)重心位置的變化必定會影響其動穩(wěn)定性。那么，這一影響大小如何？是否可忽略？通過對樣例直升機(jī)不同重心下的穩(wěn)定根進(jìn)行計算，得到以下兩表，表1為不同重心位置對樣例直升機(jī)懸停穩(wěn)定根的影響，表2為不同重心位置對樣例直升機(jī)前飛穩(wěn)定根的影響。

由表可見，直升機(jī)重心位置的變化對懸停時的縱向穩(wěn)定根幾乎沒有影響，這是由于懸停時旋翼對迎角是中性穩(wěn)定的。重心位置變化對前飛時的縱向穩(wěn)定根影響較大，因為前飛時旋翼對迎角是不穩(wěn)定的，當(dāng)直升機(jī)重心由前向后移動時，旋翼拉力對重心產(chǎn)生的力矩由低頭漸漸改為抬頭，以致旋翼對迎角的靜不穩(wěn)定效應(yīng)更加嚴(yán)重，直升機(jī)縱向運動的不穩(wěn)定性隨之加劇。而對于橫航向動穩(wěn)定性來說，重心位置變化對穩(wěn)定根的影響并不那么明顯，這是因為重心位置只在縱向變化，不可能對橫航向產(chǎn)生明顯的影響。

通過以上分析，我們可以從理論上得出一個結(jié)論，進(jìn)行懸停動穩(wěn)定性試飛時，僅進(jìn)行正常重心條件下的試驗不會影響考核結(jié)果。前飛縱向動穩(wěn)定性如無明確要求，應(yīng)考慮進(jìn)行不同重心條件下的飛行試驗。至于前飛橫航向動穩(wěn)定性，僅進(jìn)行正常重心條件下的飛行試驗也不會對結(jié)果的有效性及正確性造成明顯影響。

2 試飛數(shù)據(jù)對比驗證

上述結(jié)論源于理論分析和理論計算，對于實際試飛來說，真的可行嗎？即便真的可行，如果前飛縱向動穩(wěn)定性這種需要考核不同重心條件下試飛結(jié)果的內(nèi)容限于各種條件，要求我們只能進(jìn)行一個重心或兩個重心狀態(tài)的試驗，在進(jìn)行試驗科目設(shè)計時該做何取舍？檢驗理論的最好方法是應(yīng)用和實踐。借助可靠的模擬器試飛和實際試飛，得到以下幾組數(shù)據(jù)。

用于試飛的模擬器已經(jīng)過前期多項驗證，試飛結(jié)果真實可信。表3是對模擬器試飛數(shù)據(jù)進(jìn)行處理得到的不同重心位置條件下的懸停穩(wěn)定根。由表3可見，相比理論計算結(jié)果來說，重心位置變化對懸停穩(wěn)定根的影響稍大一些，但總體上講，重心變化對懸停縱向穩(wěn)定根的影響基本上仍可忽略，對懸停橫航向穩(wěn)定根的影響也可劃歸為“影響不大”。至于理論計算和模擬器試飛結(jié)果的微小差異，應(yīng)該歸結(jié)于其中人為因素的影響。僅以整個飛行過程中的懸停高度而言，理論計算時我們可以設(shè)定懸停高度為理想中的恒定值，而模擬器試飛時，模擬器操縱者不可能保證高度不偏不差的保持在這一恒定值，只能保證高度在允許的范圍內(nèi)波動。

表4是對模擬器試飛數(shù)據(jù)進(jìn)行處理得到的不同重心位置條件下的前飛穩(wěn)定根。由表4可見，模擬器試飛結(jié)果相比理論計算結(jié)果來說，重心位置變化對前飛穩(wěn)定根的影響稍大一些，但總體上仍與理論計算結(jié)果基本一致。即，縱向重心位置變化對前飛縱向穩(wěn)定性結(jié)果（縱向穩(wěn)定根）影響較大，對前飛橫-航向穩(wěn)定性（橫-航向穩(wěn)定根）影響不大。

表5是某型直升機(jī)在不同重心位置條件下進(jìn)行真實試飛獲得的前飛縱向穩(wěn)定根。由表5可見，重心位置變化對前飛縱向穩(wěn)定性結(jié)果（縱向穩(wěn)定根）影響較大，對前飛橫-航向穩(wěn)定性（橫-航向穩(wěn)定根）影響不大，仍與理論計算結(jié)果基本一致。

由上述分析對比可見，在型號試飛中，除前飛縱向動穩(wěn)定性外，其他動穩(wěn)定性科目（不含頻率掃描）科目如無明確要求，僅進(jìn)行正常重心條件下的飛行試驗也不會對最終評定結(jié)果造成明顯影響。那么，對于前飛縱向動穩(wěn)定性科目，如果要求只進(jìn)行一個或兩個重心狀態(tài)的飛行試驗就給出客觀真實的評定結(jié)果，科目選擇和設(shè)計時該如何實施？

為深入研究這一問題，需要先明確前飛縱向動穩(wěn)定性試飛的目的。如前所述，前飛縱向動穩(wěn)定性飛行試驗的目的是考核直升機(jī)的縱向長周期運動模態(tài)、短周期運動模態(tài)和非周期運動模態(tài)是否滿足相應(yīng)規(guī)范的要求；換句話說，就是考核直升機(jī)在各種重心條件（包含最不利的情況）下是否滿足規(guī)范要求。只要最不利情況下的結(jié)果滿足要求，就可以認(rèn)為該型機(jī)的前飛縱向動穩(wěn)定性滿足規(guī)范要求。

什么是最不利的情況？對于直升機(jī)來說，穩(wěn)定性是速度穩(wěn)定性和迎角不穩(wěn)定性相結(jié)合的產(chǎn)物，懸停和前飛均是如此。直升機(jī)前飛時，當(dāng)速度增大時，速度穩(wěn)定性式直升機(jī)上仰，減速上升，迎角不穩(wěn)定性使直升機(jī)因上升而低頭，進(jìn)而導(dǎo)致加速下沖，再由速度穩(wěn)定性導(dǎo)致上仰、減速、上升，往復(fù)不已、呈現(xiàn)著速度與高度的互相轉(zhuǎn)換，姿態(tài)也周期性變化。只有具有適當(dāng)?shù)挠遣环€(wěn)定性和速度穩(wěn)定性，直升機(jī)才會呈現(xiàn)出理想的振蕩，或者說動穩(wěn)定性。若速度穩(wěn)定性為負(fù)，或迎角不穩(wěn)定性過大，則會單調(diào)發(fā)散，也就是動不穩(wěn)定。

直升機(jī)的穩(wěn)定性與旋翼、平尾和機(jī)身有關(guān)，在進(jìn)行直升機(jī)設(shè)計時，一般會綜合考慮，通過合理設(shè)計平尾幾何尺寸等措施來保證直升機(jī)具有適當(dāng)?shù)姆€(wěn)定性，即，速度穩(wěn)定性為正且迎角不穩(wěn)定性適當(dāng)。在速度穩(wěn)定性為正的條件下，迎角不穩(wěn)定性最大的狀態(tài)就是我們考核時最不可忽略的最不利狀態(tài)。接下來通過分析確定迎角不穩(wěn)定性最大的情況。

仔細(xì)分析旋翼對迎角穩(wěn)定性的影響原理（見圖1）可以發(fā)現(xiàn)，直升機(jī)重心對迎角穩(wěn)定性有明顯的影響。

為此，我們利用某型機(jī)試飛數(shù)據(jù)計算獲得了不同重心條件

下旋翼的迎角靜穩(wěn)定性導(dǎo)數(shù) ，結(jié)果如下：

前重心：

正常重心：

后重心：

由結(jié)果可見，后重心時的迎角不穩(wěn)定性最為嚴(yán)重，分析原因，是旋翼拉力增量對重心的力矩為不穩(wěn)定的抬頭力矩所致。也就是說，后重心時直升機(jī)前飛不穩(wěn)定性（旋翼對迎角的不穩(wěn)定性）最為嚴(yán)重。為進(jìn)一步論證這一結(jié)論的正確性，我們對某型機(jī)試飛結(jié)果進(jìn)行處理得到以下結(jié)果。

由圖2可見，該型機(jī)在起飛重量等其他試飛條件相同的情況下，前重心和正常重心下的前飛縱向動穩(wěn)定結(jié)果相差不大，且均為等級1，后重心下所得結(jié)果與前兩者相差較大，且為等級2。因此，在考核直升機(jī)前飛縱向動穩(wěn)定時，如條件受限，應(yīng)視情況對正常重心及后重心狀態(tài)，或僅對后重心狀態(tài)進(jìn)行考核。

此外，在直升機(jī)飛行品質(zhì)試飛中，經(jīng)常要求對直升機(jī)不同飛行重量時的前飛動穩(wěn)定性進(jìn)行考核，在架次等有限的條件下，應(yīng)優(yōu)先對大質(zhì)量時的動穩(wěn)定性進(jìn)行考核，因為同一架直升機(jī)在大質(zhì)量飛行時，后重心情況下旋翼會產(chǎn)生更大的俯仰力矩My，也就是說，不穩(wěn)定性程度更大。

3 結(jié)束語

綜上所述，我們可以得出以下結(jié)論：（1）進(jìn)行直升機(jī)動穩(wěn)定試飛時，懸停動穩(wěn)定性（包含縱向動穩(wěn)定性和橫-航向動穩(wěn)定性）科目試飛時僅對正常重心狀態(tài)進(jìn)行考核也不會對最終結(jié)果造成明顯影響；（2）進(jìn)行直升機(jī)動穩(wěn)定試飛時，前飛橫-側(cè)動穩(wěn)定科目試飛僅對正常重心狀態(tài)進(jìn)行考核也不會對最終結(jié)果造成明顯影響；（3）進(jìn)行直升機(jī)動穩(wěn)定試飛時，前飛縱向動穩(wěn)定性科目試飛如非條件限制，應(yīng)對不同重心狀態(tài)進(jìn)行考核；（4）進(jìn)行直升機(jī)動穩(wěn)定試飛時，前飛縱向動穩(wěn)定性科目試飛如受架次、周期等條件制約，不能全面考核不同重心狀態(tài)，應(yīng)對正常重心和后重心狀態(tài)、或僅對后重心狀態(tài)進(jìn)行考核；（5）進(jìn)行直升機(jī)動穩(wěn)定試飛時，前飛縱向動穩(wěn)定性科目試飛如受如受架次、周期等條件制約需在不同飛行重量和重心狀態(tài)中進(jìn)行取舍時，大重量、后重心狀態(tài)必不可少。

如上所述，我們通過理論分析和實際試飛數(shù)據(jù)處理分析給出了直升機(jī)動穩(wěn)定性試飛中的一系列科目選擇和設(shè)計方法，但限于當(dāng)前數(shù)據(jù)匱乏，對縱向短周期模態(tài)，即頻率掃描科目沒有給出結(jié)論，需要后續(xù)繼續(xù)開展研究。

動穩(wěn)定性試飛是直升機(jī)飛行品質(zhì)試飛的一部分，飛行品質(zhì)試飛又僅是整個直升機(jī)試飛環(huán)節(jié)的一部分，在目前“一機(jī)多型、系列發(fā)展”的大趨勢下，充分開展基于成本的直升機(jī)試飛科目設(shè)計方法研究不僅可有效解決衍生機(jī)型試飛周期短、試飛成本低的困擾，也可有效縮短原型機(jī)的試飛周期，節(jié)約試飛成本。因此，后續(xù)還將開展其他科目的相關(guān)研究。

參考文獻(xiàn)

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