我國(guó)直升機(jī)先進(jìn)飛行控制技術(shù)的發(fā)展

我國(guó)直升機(jī)先進(jìn)飛行控制技術(shù)的發(fā)展

1直升機(jī)飛行控制技術(shù)在臨床上取得了迅速發(fā)展隨著現(xiàn)代飛機(jī)維修技術(shù)的進(jìn)步和任務(wù)效率的提高，自動(dòng)駕駛控制技術(shù)越來越受到重視。由于直升機(jī)的操縱和控制與直升機(jī)的飛行性能、飛行品質(zhì)和作戰(zhàn)效能等緊密相關(guān),對(duì)飛行的安全影響重大,同時(shí)直升機(jī)與固定翼飛機(jī)相比具有更復(fù)雜的氣動(dòng)特性,四個(gè)控制通道(俯仰、橫滾、航向、總距)間存在著強(qiáng)軸間耦合,特別是在貼地飛行及懸停狀態(tài),其控制顯得更為復(fù)雜。因此,飛行控制技術(shù)已成為現(xiàn)代直升機(jī)發(fā)展中最為關(guān)鍵的技術(shù)之一。目前,直升機(jī)飛行控制技術(shù)在西方國(guó)家的研究力度不斷加大,得到了迅速發(fā)展。如美國(guó)先后進(jìn)行的“戰(zhàn)術(shù)飛機(jī)制導(dǎo)系統(tǒng)”(TAGS)、“大升力直升機(jī)”(HLH)、“先進(jìn)數(shù)字/光傳控制系統(tǒng)”(ADOCS)、光纖與控制一體化以及主動(dòng)控制技術(shù)(HACT)研究等一系列項(xiàng)目研究計(jì)劃重點(diǎn)了突破諸如直升機(jī)電/光傳飛行控制、綜合控制和主動(dòng)控制等技術(shù),并在AH-64D“長(zhǎng)弓阿帕奇”、RAH-66“科曼奇”等直升機(jī)上實(shí)現(xiàn)了電傳飛行控制,RAH-66還實(shí)現(xiàn)了飛行/動(dòng)力/火力的綜合控制。經(jīng)過10多年的研發(fā),歐洲也在NH-90多用途直升機(jī)上實(shí)現(xiàn)了電傳飛行控制。先進(jìn)電傳飛行控制系統(tǒng)的采用極大地提高了直升機(jī)的操縱品質(zhì)、任務(wù)效能和戰(zhàn)場(chǎng)生存性。我國(guó)直升機(jī)飛行控制系統(tǒng)的發(fā)展起步于20世紀(jì)80年代中期,直升機(jī)型號(hào)研制工作歷經(jīng)了從超黃蜂直升機(jī)自動(dòng)駕駛儀的測(cè)繪仿制、海豚直升機(jī)自動(dòng)駕駛儀生產(chǎn)專利的引進(jìn)和國(guó)產(chǎn)化,再到直11增穩(wěn)系統(tǒng)、直9C飛控系統(tǒng)、直8飛控系統(tǒng)改型和某飛控系統(tǒng)自行設(shè)計(jì)研制的過程。但這些系統(tǒng)多為機(jī)械操縱系統(tǒng)加模擬式或數(shù)字式的有限權(quán)限的自動(dòng)飛行控制系統(tǒng),其技術(shù)水平基本上是國(guó)外20世紀(jì)70~80年代的水平。國(guó)內(nèi)開展的直升機(jī)電傳飛行控制系統(tǒng)技術(shù)的研究在電傳飛行控制系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)、直升機(jī)非線性飛行動(dòng)力學(xué)建模、多模態(tài)和軸間解耦飛行控制律設(shè)計(jì)、關(guān)鍵部件研制等關(guān)鍵技術(shù)上取得了較大的突破,完成了原理樣機(jī)研制和地面模擬試驗(yàn),為我國(guó)直升機(jī)飛行控制技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展奠定了較好的基礎(chǔ)。因此,繼續(xù)加大力度開展電傳控制、綜合控制等先進(jìn)飛控技術(shù)的研究是非常重要的,這必將促進(jìn)我國(guó)直升機(jī)飛行控制技術(shù)的跨越式發(fā)展,為我國(guó)新一代直升機(jī)的型號(hào)研制奠定技術(shù)基礎(chǔ)。2開展科研工作我國(guó)直升機(jī)先進(jìn)飛行控制系統(tǒng)的發(fā)展應(yīng)考慮國(guó)內(nèi)現(xiàn)有的技術(shù)基礎(chǔ),充分利用我們已取得的型號(hào)研制成果和預(yù)研成果,重點(diǎn)在以下幾個(gè)方面開展研究工作:2.1驗(yàn)證機(jī)飛運(yùn)機(jī)電傳飛行控制技術(shù)是直升機(jī)升級(jí)換代的重要標(biāo)志,是實(shí)現(xiàn)直升機(jī)綜合控制、主動(dòng)控制的基礎(chǔ),其取代傳統(tǒng)機(jī)械操縱系統(tǒng)的多方面優(yōu)點(diǎn)已被越來越多的實(shí)踐所證明。電傳飛行控制技術(shù)在固定翼機(jī)上的應(yīng)用起步較早,已經(jīng)成為一項(xiàng)成熟技術(shù)。直升機(jī)由于其特殊性采用電傳飛行控制技術(shù)較晚,直到20世紀(jì)70年代中期,電傳飛行控制系統(tǒng)在直升機(jī)的應(yīng)用才得到迅速發(fā)展。綜觀航空先進(jìn)國(guó)家初期電傳飛機(jī)的型號(hào)發(fā)展,都是將已定型使用的飛機(jī)作為電傳飛行控制系統(tǒng)的試驗(yàn)機(jī),以驗(yàn)證解決電傳飛行控制的關(guān)鍵技術(shù)。之后在新研的各種新型號(hào)飛機(jī)的研制過程中,普遍借鑒了驗(yàn)證機(jī)試飛驗(yàn)證所獲得的關(guān)鍵技術(shù)實(shí)現(xiàn)和經(jīng)驗(yàn)。典型的是由法、意、德、荷四國(guó)共同啟動(dòng)的NH90計(jì)劃,其設(shè)計(jì)來源于歐直公司的“海豚”SA365N電傳驗(yàn)證機(jī)試飛驗(yàn)證所獲得的大量技術(shù)和經(jīng)驗(yàn)。我國(guó)開展的直升機(jī)電傳飛行控制系統(tǒng)總體技術(shù)研究盡管通過了原理樣機(jī)研制和較為完善的地面綜合試驗(yàn)驗(yàn)證,但是勢(shì)必要通過一次較為完整有效的空中試飛驗(yàn)證,以檢驗(yàn)和完善系統(tǒng)的設(shè)計(jì)(尤其是某些關(guān)鍵技術(shù),如:飛行控制律設(shè)計(jì)、非線性飛行動(dòng)力學(xué)建模等技術(shù)),并獲取大量經(jīng)過飛行驗(yàn)證的數(shù)據(jù)、試飛經(jīng)驗(yàn)以及飛行評(píng)定手段和方法,更重要的是使我們的試飛員取得第一手的電傳飛控系統(tǒng)的飛行經(jīng)驗(yàn)。以數(shù)字電傳技術(shù)為核心的飛行控制技術(shù)是20世紀(jì)末、21世紀(jì)初世界軍用飛行器通用的先進(jìn)技術(shù),也是發(fā)展高性能直升機(jī)的基本設(shè)計(jì)技術(shù)之一。因此,飛行演示驗(yàn)證的意義將是非常深遠(yuǎn)的,將帶來兩大革命性的跨越,即,我國(guó)將首次實(shí)現(xiàn)具有全時(shí)、高權(quán)限控制增穩(wěn)能力的直升機(jī)電傳飛控系統(tǒng),為試飛員提供使用電傳飛控系統(tǒng)操縱直升機(jī)的經(jīng)驗(yàn)和信心,進(jìn)入直升機(jī)電傳飛控系統(tǒng)工程應(yīng)用先進(jìn)國(guó)家行列,并將為直升機(jī)綜合控制、主動(dòng)控制等新技術(shù)的開發(fā)提供基礎(chǔ)平臺(tái)開展直升機(jī)電傳飛控技術(shù)的飛行演示驗(yàn)證,掌握直升機(jī)電傳飛控技術(shù)將是我國(guó)直升機(jī)飛行控制系統(tǒng)發(fā)展的重要基石。2.2基于電傳播技術(shù)的綜合和智能發(fā)展在實(shí)現(xiàn)直升機(jī)電傳飛行控制技術(shù)的基礎(chǔ)上,我國(guó)直升機(jī)飛行控制技術(shù)應(yīng)向綜合化、智能化方向發(fā)展,重點(diǎn)開展以下幾方面的研究:(1)飛行/森林/動(dòng)力綜合控制技術(shù)高性能大機(jī)動(dòng)是武裝直升機(jī)的特征之一,綜合飛行/火力/動(dòng)力控制已成為國(guó)外武裝直升機(jī)提高作戰(zhàn)效能的手段之一。飛行/火力/動(dòng)力的綜合控制不僅可以提供快速目標(biāo)跟蹤解算、改善射擊目標(biāo)和投放武器的精度,而且擴(kuò)大了飛行包線、大大提高了飛行性能和作戰(zhàn)效能,減輕了駕駛員的工作負(fù)擔(dān)。對(duì)于低空飛行的武裝直升機(jī)來說,飛行/火力/動(dòng)力的綜合控制是武裝直升機(jī)能否大幅度提高作戰(zhàn)效能,乃至具備空戰(zhàn)能力的關(guān)鍵。任何將用于21世紀(jì)戰(zhàn)場(chǎng)的新型號(hào)武裝直升機(jī),必然要用到飛行/火力/動(dòng)力綜合控制技術(shù)。因此,在電傳飛控技術(shù)的基礎(chǔ)上,開展綜合飛行/火力控制(IFFC)設(shè)計(jì)技術(shù)、綜合飛行/動(dòng)力控制(IFPC)設(shè)計(jì)技術(shù)和綜合飛行/火力/動(dòng)力控制(IFFPC)一體化設(shè)計(jì)技術(shù)是必要的。(2)超低空飛行技術(shù)直升機(jī)在進(jìn)行貼地飛行任務(wù)時(shí),本身由于直升機(jī)旋翼的下洗及地效作用,直升機(jī)的穩(wěn)定和控制就比較困難,再加上地面情況瞬息萬變,飛行員無時(shí)無刻都要根據(jù)當(dāng)前的飛行情況做出決策,控制直升機(jī)姿態(tài)、速度等量的改變,同時(shí)又要注意保持飛行航線,執(zhí)行通訊聯(lián)絡(luò),控制武器系統(tǒng),完成既定任務(wù)等,飛行員的工作負(fù)擔(dān)十分繁重,對(duì)于單駕駛員的直升機(jī)更是如此。因此如何將現(xiàn)有超低空突防技術(shù)應(yīng)用于直升機(jī),有效降低直升機(jī)的飛行高度,實(shí)現(xiàn)直升機(jī)超低空貼地飛行,具有十分重要的意義。直升機(jī)的超低空突防控制可以大大提高武裝直升機(jī)攻擊的突然性、精確性和多樣性,提高武裝直升機(jī)的空戰(zhàn)能力以及遠(yuǎn)程突襲的安全性。目前許多國(guó)家都在積極進(jìn)行直升機(jī)貼地飛行技術(shù)的研究,美國(guó)的AH-64D“長(zhǎng)弓阿帕奇”,俄羅斯的卡-50“黑鱉”,南非的CSH-2Rooivalk“石茶隼”等是比較有代表性的具有良好貼地飛行能力的武裝直升機(jī),都安裝了地形跟隨系統(tǒng),可以實(shí)現(xiàn)超低空貼地飛行。直升機(jī)超低空突防控制技術(shù)研究包括地形跟隨/地形回避/威脅回避綜合與優(yōu)化、低空突防航跡規(guī)劃算法、地形輔助導(dǎo)航、低空突防輔助制導(dǎo)與控制、低空突防中的多傳感器融合等一系列技術(shù)。(3)直升機(jī)主動(dòng)控制技術(shù)直升機(jī)主動(dòng)控制技術(shù)(HACT)是無憂機(jī)動(dòng)(carefreemaneuvering)、飛行狀態(tài)識(shí)別和任務(wù)剪裁控制律的綜合技術(shù)。主動(dòng)控制技術(shù)實(shí)現(xiàn)了直升機(jī)的無憂機(jī)動(dòng)操縱、自動(dòng)飛行狀態(tài)識(shí)別和飛行控制律的按任務(wù)自動(dòng)優(yōu)化選擇,大幅度降低了飛行員的工作負(fù)荷,提高了直升機(jī)的任務(wù)效能。直升機(jī)主動(dòng)控制技術(shù)的應(yīng)用必將使未來新一代直升機(jī)的飛行控制向綜合化、智能化方向發(fā)展。2.3飛機(jī)使命任務(wù)能力要求高可靠性、高維修性以及重量輕、體積小是航空機(jī)載電子設(shè)備的主要技術(shù)要求,對(duì)于提高飛機(jī)的使命任務(wù)能力至關(guān)重要。因此,在我國(guó)飛行控制系統(tǒng)的發(fā)展中必須注重系統(tǒng)關(guān)鍵部件的研發(fā),向模塊化、小型化方向發(fā)展,重點(diǎn)應(yīng)開展兩方面的工作:(1)開放式模塊化飛控系統(tǒng)在軍民用直升機(jī)系統(tǒng)中的應(yīng)用前景展望基于背板總線的開放式模塊化結(jié)構(gòu)的飛控計(jì)算機(jī)具有高的可靠性和優(yōu)良的維修性,可降低重量、體積,其開放式體系結(jié)構(gòu)能支持各種余度配置和1553B、1773A、FC等外部總線,通用性強(qiáng),是飛控計(jì)算機(jī)這一系統(tǒng)核心部件的發(fā)展方向,應(yīng)大力開展研究和應(yīng)用,為開放式模塊化飛控系統(tǒng)在未來軍民用直升機(jī)型號(hào)上的應(yīng)用打下堅(jiān)實(shí)的技術(shù)基礎(chǔ)。(2)dvddv伺服作動(dòng)器是飛控系統(tǒng)的執(zhí)行機(jī)構(gòu),其性能的好壞直接影響飛控系統(tǒng)性能的優(yōu)劣,目前國(guó)內(nèi)直升機(jī)飛控系統(tǒng)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)多為傳統(tǒng)的液壓助力器加串并聯(lián)舵機(jī)結(jié)構(gòu)形式,已不能適應(yīng)未來先進(jìn)飛控系統(tǒng)的發(fā)展需求,因此開展先進(jìn)伺服作動(dòng)器的研究和應(yīng)用是非常迫切和必要的。主要包括兩個(gè)方面:·直接驅(qū)動(dòng)伺服作動(dòng)器(DDV)直接驅(qū)動(dòng)伺服作動(dòng)器(DDV)已成為國(guó)外固定翼飛機(jī)和直升機(jī)先進(jìn)電傳飛行控制系統(tǒng)伺服作動(dòng)技術(shù)的發(fā)展方向,并且在EFA、JSF、V22、NH90等飛機(jī)上已經(jīng)進(jìn)行了實(shí)際型號(hào)的應(yīng)用。它與電液伺服作動(dòng)器(EHV)相比具有明顯的優(yōu)越性,由于其采用余度式內(nèi)回路控制,單級(jí)力馬達(dá)直接控制液壓油進(jìn)入作動(dòng)筒,且所有閉環(huán)回路(閥回路、作動(dòng)筒和電流回路)都由電氣實(shí)現(xiàn),相對(duì)于二級(jí)EHV舵機(jī),具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、可靠性高、維護(hù)性好、重量輕、內(nèi)漏小以及易于實(shí)現(xiàn)余度綜合和管理等優(yōu)點(diǎn)。如果把DDV液壓舵機(jī)用于直升機(jī)電傳飛控的伺服系統(tǒng)中,整個(gè)系統(tǒng)將被簡(jiǎn)化,這樣會(huì)帶來較高的可靠性以及部件重量、尺寸、成本的減少這兩方面的優(yōu)點(diǎn)?！れ`巧伺服作動(dòng)器(SMARTACTUATOR)目前,國(guó)外正在開展靈巧伺服作動(dòng)器的研究。所謂靈巧伺服作動(dòng)器,就是將伺服作動(dòng)系統(tǒng)的作動(dòng)器部分和控制器部分綜合在一起,組成一個(gè)內(nèi)部實(shí)現(xiàn)回路閉合的作動(dòng)器,F/A-18的副翼作動(dòng)器就是采用了該種形式的靈巧伺服作動(dòng)器。它具有重量輕、控制性能好、允許多模態(tài)控制和故障重構(gòu)、便于向智能化方向發(fā)展等優(yōu)點(diǎn)。2.4光傳飛控技術(shù)的應(yīng)用由電傳飛行控制到光傳飛行控制是一個(gè)質(zhì)的飛躍,光傳飛行控制系統(tǒng)彌補(bǔ)了電傳飛行控制系統(tǒng)的不足,它可有效地防御電磁感應(yīng)、電磁干擾、雷電沖擊、核爆炸電磁脈沖以及減輕傳輸線重量。毫無疑問,光傳飛行控制系統(tǒng)將是未來先進(jìn)直升機(jī)飛行控制系統(tǒng)的發(fā)展方向。但由于目前光傳飛控的實(shí)現(xiàn)主要是采用光/電、電/光裝置進(jìn)行信號(hào)的轉(zhuǎn)換,導(dǎo)致系統(tǒng)的重量、復(fù)雜性等一系列問題,使光傳飛控在實(shí)際直升機(jī)型號(hào)上的應(yīng)用難以實(shí)現(xiàn)。光傳飛控的應(yīng)用將是向純光傳飛控系統(tǒng)的方向發(fā)展,其工程實(shí)用必須有先進(jìn)的光傳硬件為基礎(chǔ)。雖然光傳飛控技術(shù)已研究了近30年,但尚未研制成功所有的光傳硬件,尤其是光計(jì)算機(jī)和光驅(qū)動(dòng)作動(dòng)器仍然是困擾純光傳飛控系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的難題。美國(guó)在這方面不斷加大投入進(jìn)行了研發(fā),特別是進(jìn)入20世紀(jì)90年代后,美國(guó)NASA制定的光傳計(jì)劃將強(qiáng)調(diào)光計(jì)算機(jī)、光驅(qū)動(dòng)作動(dòng)器的研究,以逐步過渡到一切電氣設(shè)備部件均由光學(xué)器件替代的純光傳系統(tǒng)的開發(fā)。由于光傳飛控系統(tǒng)的優(yōu)越性,未來先進(jìn)直升機(jī)從電傳飛行控制過渡到光傳飛行控制是必然趨勢(shì)。因此,發(fā)揮國(guó)內(nèi)相關(guān)行業(yè)的專業(yè)技術(shù)優(yōu)勢(shì),加大投入開展光計(jì)算機(jī)、光驅(qū)動(dòng)作動(dòng)器等光部件的研制,促進(jìn)光傳飛控技術(shù)的型號(hào)應(yīng)用是極其重要的。3限數(shù)字電傳飛行控制系統(tǒng)/