基于能力驗證的武裝直升機飛行品質試飛設計與評估

張宏林

(中國飛行試驗研究院 飛機所，西安 710089)

基于能力驗證的武裝直升機飛行品質試飛設計與評估

張宏林

(中國飛行試驗研究院 飛機所，西安 710089)

依據作戰任務和使用要求進行基于能力驗證的試飛設計與評估是適應新的軍事變革背景下航空武器裝備試驗工作轉型的重要方向。為了探索基于能力的航空裝備試驗鑒定模式，以某型武裝直升機為研究對象，根據其作戰使命任務要求和作戰能力，開展試飛設計、試飛結果分析及飛行品質等級評定等研究，提出基于作戰能力驗證的武裝直升機飛行品質試飛設計思路和方法，并給出有效的試飛結果評估方式。所獲得的試飛結果真實體現了武裝直升機貼地突防和機動規避等能力，該試飛設計思路和試飛方法可以指導后續軍用直升機的試飛設計工作。

武裝直升機；飛行品質；飛行試驗；作戰任務

0 引 言

直升機廣泛用于執行各種軍事和民用任務，但對于某些特定任務，并非所有直升機均能夠勝任[1]，例如，穩定性好但操縱性、機動性差的直升機無法滿足偵察和攻擊任務的要求，而操縱性好但穩定性差的直升機也難以完成吊掛和運輸等精確操縱任務。良好的飛行品質是保證飛行員能夠安全操縱直升機并順利完成指定任務的重要保障因素[2]。

飛行試驗是在真實大氣環境下進行科學研究和試驗的過程[3]，通常分為調整試飛、鑒定和定型試飛、使用試飛。在《美國旋翼航空適航性驗證手冊》中明確指出了開展基于能力試飛驗證的必要性[4]。對于軍用航空裝備，美國很早就開展了基于能力的試飛研究和應用，而我國進行的相關研究較少，主要以調整試飛和定型試飛為主。隨著航空技術的發展和軍隊需求的逐步提高，我國的航空裝備試驗鑒定體系也逐漸向美國的試驗鑒定體系靠攏[5]。該試驗鑒定體系要求飛行試驗應盡快實現由基于指標的試驗鑒定模式向基于能力和任務的試驗鑒定模式轉變，并盡快突破關鍵試飛技術，以適應新形勢的需要。

對于基于能力驗證的鑒定和定型試飛，依據直升機作戰任務和使用要求進行基于能力驗證的試飛設計與評估是直升機飛行品質試飛的核心和關鍵。本文以某型武裝直升機為研究對象，從完成任務的能力出發，依據該型直升機的作戰任務對環境適應能力、響應特性的要求，將作戰任務分解成不同的作戰單元進行飛行品質試飛設計，把作戰任務構想轉化為與任務緊密結合的試飛科目；并通過對作戰單元的飛行品質指標進行綜合評定，給出滿足作戰任務要求的試飛結果，使試飛結果能夠真實體現該武裝直升機的作戰能力，以期能夠為后續直升機定型試飛或使用試飛提供參考。

1 某型武裝直升機及作戰任務

我國自行研制的某型武裝攻擊型直升機，其飛行品質設計按照國外最新的飛行品質規范要求ADS-33E進行。該標準體現了當代高性能直升機的飛行品質要求，提出了不良目視環境、響應類型等一系列新要求。武裝直升機在陸軍三維立體攻防作戰體系中承擔著對地攻擊和對空攻擊的作戰使命，要求飛機應具有很強的對地和對空攻擊能力；能夠攜帶空-地導彈、空-空導彈等多種武器；能夠貼地飛行或利用復雜地形、地物隱蔽接近目標并實施攻擊，為地面部隊提供直接火力支援；可直接攻擊敵方直升機等低空飛行目標，參與奪取超低空制空權以及為我方直升機護航等。

2 飛行品質設計思路

直升機的飛行品質可分為內部屬性和外部屬性兩部分，內部屬性通常指直升機的操縱響應特性、座艙環境、操縱和顯示等；外部屬性指直升機作戰時所處的外部環境、要求的任務能力、飛行員的緊張水平等[6]。以任務為導向的飛行品質將直升機的內部特性與外部環境有機結合，體現了飛行品質的最終目的是保證直升機能夠順利完成任務的宗旨。直升機飛行品質的定義包含：飛行員要求的或操縱指令所期望的直升機響應、飛行員和直升機所處的環境、要執行的任務、直升機自身特性和其在飛行中的表現等。以任務為導向的飛行品質如圖1所示。

在進行飛行品質試飛設計時，應從直升機的作戰使命出發，以驗證作戰能力為核心和主基線，貫穿飛行試驗的整個過程，包含研制試飛、初始使用試飛和使用試飛等各個階段[7]。飛行品質試飛的結論應包含設計的符合性結果和完成任務能力的驗證結果。試飛設計應從作戰任務的角度出發，分為作戰任務對直升機環境適應能力、本體響應特性以及分解的作戰單元指標要求進行綜合飛行品質驗證，突出對作戰能力指標的驗證與考核。基于能力驗證的直升機飛行品質試飛設計的思路如圖2所示。

2.1 作戰使用環境要求分解

進行飛行試驗的目的一是驗證設計與研制規范的符合性，二是不斷修正計算模型[8]，為了確保數據的有效性、方便進行計算模型的對比，飛行試驗通常應在規定的試驗環境下進行，例如特定的風速、溫度等。同時，通過飛行試驗還可驗證飛機在真實作戰環境下的作戰能力[9]，對軍用直升機作戰使用環境的驗證是作戰能力驗證的一項重要內容，在初始使用試飛和使用試飛階段，飛行試驗環境必須盡可能覆蓋陸軍航空兵所能遇到的真實使用環境。

武裝直升機的作戰使用環境要求相對嚴苛，包括極端的自然環境、復雜的電磁環境和地面/空中火力攻擊的戰場環境等。武裝直升機的使用要求主要包括：①自然環境：能在高原、山區、叢林中飛行，能在野外草地、砂土地、有限面積的區域及斜坡著陸，能在晝夜間簡單及復雜的氣象條件下飛行；②氣象條件：能在雨、雪、結冰、霧、穿云、大氣紊流和陣風等條件下正常飛行和使用；③大風條件：能在直至23 m/s的風中起降和懸停；④敵方威脅環境：能在復雜電磁環境和戰場環境(例如被敵方導彈跟蹤或鎖定)下使用。

上述使用環境中，能直接影響直升機的氣動特性和飛行品質的環境要素包括：23 m/s的風、良好或不良的目視環境、斜坡著陸等。以斜坡著陸為例，其主要受直升機操縱極限、槳盤載荷、起落架載荷等限制。而某些環境要求對直升機的飛行品質影響不大，例如復雜電磁環境等。因此，在進行直升機飛行品質試飛設計時，應重點考慮野外草地、砂土地、有限面積的區域及斜坡著陸，晝夜間簡單及復雜氣象條件飛行等環境要求。

2.2 作戰任務和作戰單元分解

良好的飛行品質是飛行員操縱直升機安全、順利地完成指定任務的重要保障，進行直升機飛行品質試飛設計時應從其作戰任務的角度出發，將作戰任務分解成不同的小作戰單元，再將作戰單元繼續分解成不同的作戰指標和飛行品質指標進行驗證[10]。

ADS-33E規范體現了以作戰任務為導向的飛行品質要求和評定的思想，通過進行規范中明確定義的任務科目及其組合的飛行試驗，全面評價飛行品質等級，進而評價直升機完成預定作戰使命任務的能力。將作戰單元組合起來形成直升機的作戰任務譜或作戰程序，例如，國外某型攻擊直升機通過典型任務科目的組合形成的任務程序如表1所示[11]。

表1 某型攻擊直升機任務程序

武裝直升機的作戰任務主要包括對地攻擊和對空攻擊。典型的對地攻擊任務為：貼地突防飛行，接近敵區后利用地形隱蔽并實施武器攻擊，攻擊方式包括懸停發射、平飛發射和俯沖發射，完成攻擊后進行機動規避并返回。典型的對空攻擊任務為：通常采用高搖-搖(水平跟蹤后爬升轉彎再低頭發射空空導彈)攻擊敵方直升機，采用低搖-搖(水平跟蹤后俯沖轉彎再抬頭發射空空導彈)攻擊敵方低速固定翼飛機，攻擊后機動規避。以典型對地攻擊作戰任務為例，依據武裝直升機對地攻擊作戰任務的使用要求，按照不同的作戰任務階段，分解為若干個作戰任務單元(MTE)，再根據執行每個任務單元時對飛行品質的要求進行考核。對地攻擊作戰任務可以分解為貼地突防機動、武器攻擊、戰術規避等。貼地突防機動可以繼續分解為側滑進動至懸停、障礙滑雪、急拉桿和急推桿、減速到沖刺等作戰單元，每個作戰單元按照規定的指標進行考核。戰術規避任務中的垂直隱蔽單元示意圖如圖3所示，其作戰要求如表2所示。

表2 垂直隱蔽作戰單元性能指標

2.3 飛行品質試飛科目

ADS-33E規范要求使用預估等級和認定等級兩種不同的方法來確定直升機的飛行品質等級。預估指標為定量指標，是直升機設計的依據；認定指標為預估指標在實戰中的綜合應用。預估品質等級可通過計算、仿真和飛行試驗獲得的飛行品質參數與直升機使用要求的邊界值相比較而獲得，試飛的目的是驗證設計符合性。預估品質等級是從作戰任務中分解出來的相互獨立的單一指標，其操縱協調問題不能確保所有的任務科目都滿足要求[12]。認定等級由執行貼近作戰任務科目的試飛給出，指標包括任務科目的定量指標與試飛員庫珀哈珀評分。認定等級通過完成指定任務單元的工作負荷和任務性能指標獲得，雖更貼近實戰應用，但有一定的個人主觀性。從作戰任務角度出發，根據武裝直升機的作戰任務和使用要求，分別進行預估和認定飛行品質試驗，綜合評定武裝直升機的作戰能力。預估飛行品質和認定飛行品質的試飛試驗矩陣，即典型對地攻擊作戰任務的飛行任務單元科目分別如表3～表4所示。

3 飛行品質試飛結果評定

飛行品質試飛結果包括兩部分：一是與任務相關的預估飛行品質指標結果，二是反映真實作戰能力的認定飛行品質指標結果。預估飛行品質試飛科目的結果按照飛行品質規范要求進行等級評定，該等級作為直升機飛行品質的預估等級。任務科目試飛的飛行品質等級作為武裝直升機飛行品質的認定等級。任務科目的等級評定包括定量指標和試飛員的定性評定，即庫珀哈珀評分。如果任務科目達到滿意的要求，其飛行品質等級按試飛員的庫珀哈珀評分確定的等級；如果任務科目僅能達到合格的要求，其飛行品質等級按試飛員的庫珀哈珀評分確定的等級降低一級。選取三組不同水平的試飛員進行任務科目試飛，取庫珀哈珀評分的平均值作為試飛結果。由于任務科目與武裝直升機作戰任務和使用要求直接相關，當預估等級與認定等級不一致時，應當以認定等級為準。

有關武裝直升機對地攻擊任務相關的任務科目試飛認定等級與預估等級一致性分析情況如表5所示，可以看出：減速到沖刺、垂直躍上和躍下、瞬態轉彎三個科目的預估等級與認定等級不一致，其他科目均一致；減速到沖刺科目試飛時在高溫環境下進行，發動機的功率達不到規范要求，故該科目只能達到合格的性能指標，由于發動機快速加速時排氣溫度超溫情況嚴重，試飛員難以完成該科目試飛，故庫珀哈珀評價較低，該科目的飛行品質等級按認定等級確定；垂直躍上和躍下科目的預估等級有2級，但認定等級為1級，表明等級2的懸停和低速時的總距-偏航耦合對該科目的執行影響較小，該科目的飛行品質等級按認定等級確定；瞬態轉彎科目相關的開環條款要求均達到了等級1，但試飛員評價為等級2，該科目的飛行品質等級按認定等級確定。

表3 預估飛行品質試飛矩陣

4 結 論

(1) 依據武裝直升機作戰使命任務和使用環境要求，將其作戰任務構想轉化為與作戰剖面緊密結合的任務科目，并選取作戰使用要求的構型、重量、飛控、高度、速度等飛行狀態進行試飛設計，所得試飛結果體現了該型直升機在真實戰場環境下貼地突防和機動規避作戰能力。

(2) 依據開環科目預估和任務科目認定的飛行品質試飛結果進行綜合評定，是武裝直升機飛行品質試飛評估的進步，它改變了傳統的飛行品質試飛評估方式；所獲得的飛行品質試飛結果更全面，能真實地反映出武裝直升機作戰需要的飛行品質特性。

[1] 高正, 陳仁良. 直升機飛行動力學[M]. 北京: 科學出版社, 2003.

Gao Zheng, Chen Renliang. Helicopter flight dynamic[M]. Beijing: Science Press, 2003.(in Chinese)

[2] ADS-33E-PRF Handling qualities requirements for military rotorcraft[S]. US Army Aviation and Missile Command, Redstone Arsenal, 2000.

[3] 周自全. 飛行試驗工程[M]. 北京: 航空工業出版社, 2010.

Zhou Ziquan. Flight test engineering[M]. Beijing: Aviation Industry Press, 2010.(in Chinese)

[4] USNTPS-FTM-No.106 U.S. Naval test pilot school flight test manual-Rotary wing performance[S]. USA: Naval Air Warfare Center Patuxent River, Maryland,1996.

[5] Ham J A, Butler C P. Flight testing the handling qualities requirements of ADS-33C-lessons learned at ATTC[C]. Proceedings of the 47th Annual National Forum of the American Helicopter Sociefy, Phoenix: 1991.

[6] Gareth D Padfield. Helicopter flight dynamics[M]. Blackwell Publishing Ltd., 2007.

[7] ADS-51-HDBK Rotorcraft qualification handbook[S]. USA: Aviation Research and Development Center, 1996.

[8] Roger H Hoh, Chris L Blanken. Test guide for ADS-33-E[M]. Aviation and Missile Development and Engineering Center, 2008.

[9] Alastair K Cooke, Eric W H, Fitzpatrick. Helicopter test and evaluation[M]. Blackwell Publishing Ltd., 2012.

[10] American Ferderal Department of Defense. ADS-33E-PRF Performance specification, handling qualities requirements for military rotorcraft[S]. USA: US Army Aviation System Command, 1999.

[11] Christensen K T, Campbell K G. Flight control development for the ARH-70 armed reconnaissance helicopter program[C]. American Helicopter Society 63rd Annual Forum, Virginia Beach, VA, 2007.

[12] Fletcher J W, Cherepinsky I. UH-60M upgrade fly-by-wire flight control risk reduction using the RASCAL JUH-60A in-flight simulator[C]. American Helicopter Society 64th Forum, Montreal, Canada, 2008.

張宏林(1979-)，男，碩士，高級工程師。主要研究方向：直升機飛行品質試飛技術。

(編輯：馬文靜)

Capabilities-basedArmyHelicopterFlyingQualityDemonstrationFlightTestDesigningandEvaluation

Zhang Honglin

(Aircraft Flight Test Technology Institute, Chinese Flight Test Establishment, Xi’an 710089, China)

According to the operational mission and requirement, carrying on the capabilities-based flight test and evaluation is an important direction of aviation equipment test verification to adapt the new military reform. For exploring the mode of capabilities-based aviation equipment flight test, an army helicopter is taken as research subject. Based on the army helicopter operational mission and capability requirement, the research of flight test designing, flight test result analysis and evaluation and so on are conducted. A train of thought and method about capabilities-based army helicopter flying quality, demonstration flight test designing are presented. And a valid flight test evaluation mode is given. The flight test results really reflect the capacity of this army helicopter about penetration at ground level and avoidable maneuver. The proposed thought and flight test method can be used to direct the subsequent military helicopter flight test designing.

army helicopter; flying quality; flight test; operational mission

2017-07-26；

2017-09-17

張宏林,honglin_cfte@163.com

1674-8190(2017)04-401-07

V221

A

10.16615/j.cnki.1674-8190.2017.04.006