我国直升机先进飞行控制技术的发展

我国直升机先进飞行控制技术的发展

1直升机飞行控制技术在临床上取得了迅速发展随着现代飞机维修技术的进步和任务效率的提高，自动驾驶控制技术越来越受到重视。由于直升机的操纵和控制与直升机的飞行性能、飞行品质和作战效能等紧密相关,对飞行的安全影响重大,同时直升机与固定翼飞机相比具有更复杂的气动特性,四个控制通道(俯仰、横滚、航向、总距)间存在着强轴间耦合,特别是在贴地飞行及悬停状态,其控制显得更为复杂。因此,飞行控制技术已成为现代直升机发展中最为关键的技术之一。目前,直升机飞行控制技术在西方国家的研究力度不断加大,得到了迅速发展。如美国先后进行的“战术飞机制导系统”(TAGS)、“大升力直升机”(HLH)、“先进数字/光传控制系统”(ADOCS)、光纤与控制一体化以及主动控制技术(HACT)研究等一系列项目研究计划重点了突破诸如直升机电/光传飞行控制、综合控制和主动控制等技术,并在AH-64D“长弓阿帕奇”、RAH-66“科曼奇”等直升机上实现了电传飞行控制,RAH-66还实现了飞行/动力/火力的综合控制。经过10多年的研发,欧洲也在NH-90多用途直升机上实现了电传飞行控制。先进电传飞行控制系统的采用极大地提高了直升机的操纵品质、任务效能和战场生存性。我国直升机飞行控制系统的发展起步于20世纪80年代中期,直升机型号研制工作历经了从超黄蜂直升机自动驾驶仪的测绘仿制、海豚直升机自动驾驶仪生产专利的引进和国产化,再到直11增稳系统、直9C飞控系统、直8飞控系统改型和某飞控系统自行设计研制的过程。但这些系统多为机械操纵系统加模拟式或数字式的有限权限的自动飞行控制系统,其技术水平基本上是国外20世纪70~80年代的水平。国内开展的直升机电传飞行控制系统技术的研究在电传飞行控制系统的总体设计、直升机非线性飞行动力学建模、多模态和轴间解耦飞行控制律设计、关键部件研制等关键技术上取得了较大的突破,完成了原理样机研制和地面模拟试验,为我国直升机飞行控制技术的进一步发展奠定了较好的基础。因此,继续加大力度开展电传控制、综合控制等先进飞控技术的研究是非常重要的,这必将促进我国直升机飞行控制技术的跨越式发展,为我国新一代直升机的型号研制奠定技术基础。2开展科研工作我国直升机先进飞行控制系统的发展应考虑国内现有的技术基础,充分利用我们已取得的型号研制成果和预研成果,重点在以下几个方面开展研究工作:2.1验证机飞运机电传飞行控制技术是直升机升级换代的重要标志,是实现直升机综合控制、主动控制的基础,其取代传统机械操纵系统的多方面优点已被越来越多的实践所证明。电传飞行控制技术在固定翼机上的应用起步较早,已经成为一项成熟技术。直升机由于其特殊性采用电传飞行控制技术较晚,直到20世纪70年代中期,电传飞行控制系统在直升机的应用才得到迅速发展。综观航空先进国家初期电传飞机的型号发展,都是将已定型使用的飞机作为电传飞行控制系统的试验机,以验证解决电传飞行控制的关键技术。之后在新研的各种新型号飞机的研制过程中,普遍借鉴了验证机试飞验证所获得的关键技术实现和经验。典型的是由法、意、德、荷四国共同启动的NH90计划,其设计来源于欧直公司的“海豚”SA365N电传验证机试飞验证所获得的大量技术和经验。我国开展的直升机电传飞行控制系统总体技术研究尽管通过了原理样机研制和较为完善的地面综合试验验证,但是势必要通过一次较为完整有效的空中试飞验证,以检验和完善系统的设计(尤其是某些关键技术,如:飞行控制律设计、非线性飞行动力学建模等技术),并获取大量经过飞行验证的数据、试飞经验以及飞行评定手段和方法,更重要的是使我们的试飞员取得第一手的电传飞控系统的飞行经验。以数字电传技术为核心的飞行控制技术是20世纪末、21世纪初世界军用飞行器通用的先进技术,也是发展高性能直升机的基本设计技术之一。因此,飞行演示验证的意义将是非常深远的,将带来两大革命性的跨越,即,我国将首次实现具有全时、高权限控制增稳能力的直升机电传飞控系统,为试飞员提供使用电传飞控系统操纵直升机的经验和信心,进入直升机电传飞控系统工程应用先进国家行列,并将为直升机综合控制、主动控制等新技术的开发提供基础平台开展直升机电传飞控技术的飞行演示验证,掌握直升机电传飞控技术将是我国直升机飞行控制系统发展的重要基石。2.2基于电传播技术的综合和智能发展在实现直升机电传飞行控制技术的基础上,我国直升机飞行控制技术应向综合化、智能化方向发展,重点开展以下几方面的研究:(1)飞行/森林/动力综合控制技术高性能大机动是武装直升机的特征之一,综合飞行/火力/动力控制已成为国外武装直升机提高作战效能的手段之一。飞行/火力/动力的综合控制不仅可以提供快速目标跟踪解算、改善射击目标和投放武器的精度,而且扩大了飞行包线、大大提高了飞行性能和作战效能,减轻了驾驶员的工作负担。对于低空飞行的武装直升机来说,飞行/火力/动力的综合控制是武装直升机能否大幅度提高作战效能,乃至具备空战能力的关键。任何将用于21世纪战场的新型号武装直升机,必然要用到飞行/火力/动力综合控制技术。因此,在电传飞控技术的基础上,开展综合飞行/火力控制(IFFC)设计技术、综合飞行/动力控制(IFPC)设计技术和综合飞行/火力/动力控制(IFFPC)一体化设计技术是必要的。(2)超低空飞行技术直升机在进行贴地飞行任务时,本身由于直升机旋翼的下洗及地效作用,直升机的稳定和控制就比较困难,再加上地面情况瞬息万变,飞行员无时无刻都要根据当前的飞行情况做出决策,控制直升机姿态、速度等量的改变,同时又要注意保持飞行航线,执行通讯联络,控制武器系统,完成既定任务等,飞行员的工作负担十分繁重,对于单驾驶员的直升机更是如此。因此如何将现有超低空突防技术应用于直升机,有效降低直升机的飞行高度,实现直升机超低空贴地飞行,具有十分重要的意义。直升机的超低空突防控制可以大大提高武装直升机攻击的突然性、精确性和多样性,提高武装直升机的空战能力以及远程突袭的安全性。目前许多国家都在积极进行直升机贴地飞行技术的研究,美国的AH-64D“长弓阿帕奇”,俄罗斯的卡-50“黑鳖”,南非的CSH-2Rooivalk“石茶隼”等是比较有代表性的具有良好贴地飞行能力的武装直升机,都安装了地形跟随系统,可以实现超低空贴地飞行。直升机超低空突防控制技术研究包括地形跟随/地形回避/威胁回避综合与优化、低空突防航迹规划算法、地形辅助导航、低空突防辅助制导与控制、低空突防中的多传感器融合等一系列技术。(3)直升机主动控制技术直升机主动控制技术(HACT)是无忧机动(carefreemaneuvering)、飞行状态识别和任务剪裁控制律的综合技术。主动控制技术实现了直升机的无忧机动操纵、自动飞行状态识别和飞行控制律的按任务自动优化选择,大幅度降低了飞行员的工作负荷,提高了直升机的任务效能。直升机主动控制技术的应用必将使未来新一代直升机的飞行控制向综合化、智能化方向发展。2.3飞机使命任务能力要求高可靠性、高维修性以及重量轻、体积小是航空机载电子设备的主要技术要求,对于提高飞机的使命任务能力至关重要。因此,在我国飞行控制系统的发展中必须注重系统关键部件的研发,向模块化、小型化方向发展,重点应开展两方面的工作:(1)开放式模块化飞控系统在军民用直升机系统中的应用前景展望基于背板总线的开放式模块化结构的飞控计算机具有高的可靠性和优良的维修性,可降低重量、体积,其开放式体系结构能支持各种余度配置和1553B、1773A、FC等外部总线,通用性强,是飞控计算机这一系统核心部件的发展方向,应大力开展研究和应用,为开放式模块化飞控系统在未来军民用直升机型号上的应用打下坚实的技术基础。(2)dvddv伺服作动器是飞控系统的执行机构,其性能的好坏直接影响飞控系统性能的优劣,目前国内直升机飞控系统的执行机构多为传统的液压助力器加串并联舵机结构形式,已不能适应未来先进飞控系统的发展需求,因此开展先进伺服作动器的研究和应用是非常迫切和必要的。主要包括两个方面:·直接驱动伺服作动器(DDV)直接驱动伺服作动器(DDV)已成为国外固定翼飞机和直升机先进电传飞行控制系统伺服作动技术的发展方向,并且在EFA、JSF、V22、NH90等飞机上已经进行了实际型号的应用。它与电液伺服作动器(EHV)相比具有明显的优越性,由于其采用余度式内回路控制,单级力马达直接控制液压油进入作动筒,且所有闭环回路(阀回路、作动筒和电流回路)都由电气实现,相对于二级EHV舵机,具有结构简单、可靠性高、维护性好、重量轻、内漏小以及易于实现余度综合和管理等优点。如果把DDV液压舵机用于直升机电传飞控的伺服系统中,整个系统将被简化,这样会带来较高的可靠性以及部件重量、尺寸、成本的减少这两方面的优点。·灵巧伺服作动器(SMARTACTUATOR)目前,国外正在开展灵巧伺服作动器的研究。所谓灵巧伺服作动器,就是将伺服作动系统的作动器部分和控制器部分综合在一起,组成一个内部实现回路闭合的作动器,F/A-18的副翼作动器就是采用了该种形式的灵巧伺服作动器。它具有重量轻、控制性能好、允许多模态控制和故障重构、便于向智能化方向发展等优点。2.4光传飞控技术的应用由电传飞行控制到光传飞行控制是一个质的飞跃,光传飞行控制系统弥补了电传飞行控制系统的不足,它可有效地防御电磁感应、电磁干扰、雷电冲击、核爆炸电磁脉冲以及减轻传输线重量。毫无疑问,光传飞行控制系统将是未来先进直升机飞行控制系统的发展方向。但由于目前光传飞控的实现主要是采用光/电、电/光装置进行信号的转换,导致系统的重量、复杂性等一系列问题,使光传飞控在实际直升机型号上的应用难以实现。光传飞控的应用将是向纯光传飞控系统的方向发展,其工程实用必须有先进的光传硬件为基础。虽然光传飞控技术已研究了近30年,但尚未研制成功所有的光传硬件,尤其是光计算机和光驱动作动器仍然是困扰纯光传飞控系统实现的难题。美国在这方面不断加大投入进行了研发,特别是进入20世纪90年代后,美国NASA制定的光传计划将强调光计算机、光驱动作动器的研究,以逐步过渡到一切电气设备部件均由光学器件替代的纯光传系统的开发。由于光传飞控系统的优越性,未来先进直升机从电传飞行控制过渡到光传飞行控制是必然趋势。因此,发挥国内相关行业的专业技术优势,加大投入开展光计算机、光驱动作动器等光部件的研制,促进光传飞控技术的型号应用是极其重要的。3限数字电传飞行控制系统/