基于成本的直升機動穩(wěn)定性試飛科目設(shè)計方法研究

摘 要：在“一機多型、系列發(fā)展”的直升機產(chǎn)業(yè)發(fā)展基本態(tài)勢下，無論是原型機還是衍生機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行優(yōu)化，文章從直升機動穩(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；動穩(wěn)定性；試飛方法；成本

引言

我國直升機產(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，不僅促進了系列化產(chǎn)品格局的形成，也為我國直升機產(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)?！耙粰C多型、系列發(fā)展”的新產(chǎn)品譜系是目前乃至未來直升機產(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，原型機的各項周期相對較長，資本投入也相對較多。而衍生機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。作為直升機試飛工程師，我們更關(guān)注試驗這一環(huán)節(jié)?？梢钥隙ǖ氖牵幢闶强捎弥芷陂L、可用成本足的原型機試飛，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?？捎弥芷诙獭⒖捎贸杀镜偷难苌鷻C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，研究并明確原型機試飛時哪些科目必不可少及衍生機型試飛科目如何取舍具有重要的指導意義。

1 理論分析

在直升機飛行試驗中，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)等級進行考核評定，后者是針對美軍標ADS-33規(guī)范，對操縱輸入的短期特性進行考核。

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)下直升機特征方程的穩(wěn)定根來進行判定。

現(xiàn)在進行直升機動穩(wěn)定性試飛時，一般會分別進行任務(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)定性考核時進行不同重心條件下的飛行試驗是否必要？

理論上講，直升機重心位置的變化會引起穩(wěn)定性導數(shù)的改變。穩(wěn)定性導數(shù)的變化則影響直升機的穩(wěn)定根，所以直升機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？通過對樣例直升機不同重心下的穩(wěn)定根進行計算，得到以下兩表，表1為不同重心位置對樣例直升機懸停穩(wěn)定根的影響，表2為不同重心位置對樣例直升機前飛穩(wěn)定根的影響。

由表可見，直升機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，當直升機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)更加嚴重，直升機縱向運動的不穩(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，進行懸停動穩(wěn)定性試飛時，僅進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，要求我們只能進行一個重心或兩個重心狀態(tài)的試驗，在進行試驗科目設(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?？v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是某型直升機在不同重心位置條件下進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，就可以認為該型機的前飛縱向動穩(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。直升機前飛時，當速度增大時，速度穩(wěn)定性式直升機上仰，減速上升，迎角不穩(wěn)定性使直升機因上升而低頭，進而導致加速下沖，再由速度穩(wěn)定性導致上仰、減速、上升，往復不已、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?shù)挠遣环€(wěn)定性和速度穩(wěn)定性，直升機才會呈現(xiàn)出理想的振蕩，或者說動穩(wěn)定性。若速度穩(wěn)定性為負，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。

直升機的穩(wěn)定性與旋翼、平尾和機身有關(guān)，在進行直升機設(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具有適當?shù)姆€(wěn)定性，即，速度穩(wěn)定性為正且迎角不穩(wěn)定性適當。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)，直升機重心對迎角穩(wěn)定性有明顯的影響。

為此，我們利用某型機試飛數(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，后重心時直升機前飛不穩(wěn)定性（旋翼對迎角的不穩(wěn)定性）最為嚴重。為進一步論證這一結(jié)論的正確性，我們對某型機試飛結(jié)果進行處理得到以下結(jié)果。

由圖2可見，該型機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)進行考核。

此外，在直升機飛行品質(zhì)試飛中，經(jīng)常要求對直升機不同飛行重量時的前飛動穩(wěn)定性進行考核，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)定性進行考核，因為同一架直升機在大質(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）進行直升機動穩(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)進行考核也不會對最終結(jié)果造成明顯影響；（2）進行直升機動穩(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)進行考核也不會對最終結(jié)果造成明顯影響；（3）進行直升機動穩(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)進行考核；（4）進行直升機動穩(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)進行考核；（5）進行直升機動穩(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試飛環(huán)節(jié)的一部分，在目前“一機多型、系列發(fā)展”的大趨勢下，充分開展基于成本的直升機試飛科目設(shè)計方法研究不僅可有效解決衍生機型試飛周期短、試飛成本低的困擾，也可有效縮短原型機的試飛周期，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

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