[發明專利]一種考慮飛行品質的直升機總體設計方法

有效

• 申請號: 201410094057.2
• 申請日: 2014-03-14
• 公開（公告）號: CN103823380B
• 公開（公告）日: 2017-01-18
• 發明（設計）人: 向錦武;孟少華;任毅如;羅漳平;莊南劍
• 申請（專利權）人: 北京航空航天大學
• 主分類號: G05B13/04
• 分類號: G05B13/04
• 代理公司: 北京永創新實專利事務所11121
• 代理人: 姜榮麗

技術領域

本發明屬于直升機設計技術領域，具體涉及一種考慮飛行品質約束的直升機總體設計方法，在直升機研制初始階段進行總體布局和確定設計參數時可用于改善飛行品質。

背景技術

直升機以其獨特的垂直起降和空中懸停能力在國土防御和經濟建設領域得到了日益廣泛的應用。不同的任務需求對直升機的飛行品質有著不同的要求，例如武裝直升機在執行空戰格斗、貼地隱蔽飛行時對機動性要求較高，而通用直升機在搶險救人、外吊掛飛行時則要求有較好的穩定性。相比于固定翼飛機，直升機的飛行品質較差，但使用任務又要求其具有較好的飛行品質。因此，飛行品質已經成為現代直升機設計的主要性能指標之一。

為了判定直升機的飛行品質等級，美國陸軍制定了較為完善的航空設計標準“ADS-33E-PRF軍用旋翼飛行器駕駛品質要求”。該規范根據直升機的預定使命，從需要執行的任務中提煉出了23種有待試飛的任務科目基元（MTE，Mission?Task?Element），涵蓋了從有限機動性到迅猛機動性的全部飛行科目，并對每種MTE都給出了性能指標要求和詳細說明。ADS33E-PRF規定每一種任務科目基元至少由三名駕駛員分別完成試飛，并根據Cooper-Harper評級規定各自給出主觀評定值，然后取其平均值作為該任務科目基元的評級結果。傳統的直升機飛行品質評估方法普遍采用逆仿真方法，該方法的基本原理是根據飛行品質規范中定義的任務科目基元預先設定飛行軌跡，結合直升機飛行動力學方程，利用逆仿真算法來反求操縱輸入量。但是逆仿真技術在飛行品質評估應用中尚存在以下不足：（1）逆解算法的收斂性嚴重依賴于預先設定的飛行軌跡，不合理的預定軌跡直接導致求解過程發散；（2）對于精確的任務科目基元的品質準則來說，預定軌跡就是衡量飛行品質的指標，無法體現直升機設計參數對飛行品質的影響；（3）飛行品質規范中規定的許多任務科目基元是無法給出具體的數學描述的，而且逆解法也難以考慮不同環境感知度等級對飛行品質的影響。采用逆仿真技術進行飛行品質評估研究難度較大，對于ADS-33E-PRF中的主觀評定，目前還是主要依靠駕駛員在地面模擬器上進行仿真及試飛工作來評估。此外，傳統的直升機總體設計并未考慮飛行品質的要求，一般只能在原型機生產出來之后進行評估，得到的評價是對全機的結論，難以找出同直升機總體參數的對應關系，也就無法用來事先指導設計。因此，為了使直升機具有較好的飛行品質，發展一種新的飛行品質評估方法，并按照飛行品質規范要求進行直升機總體設計是十分必要的。

發明內容

針對傳統的飛行品質評估方法和直升機總體設計方法的不足，本發明提出了一種考慮飛行品質的直升機總體設計方法，將任務科目基元對直升機位置和姿態的限制處理為其狀態量的路徑約束，以完成任務科目基元所需時間和操縱速率的時間歷程積分為目標函數，建立了直升機機動飛行仿真的軌跡優化模型，該模型從本質上講是一個最優控制問題，求解此問題即可實現對任務科目基元的數值仿真。以完成任務科目基元所需時間作為直升機飛行品質評估的量化值指標，并將其作為飛行品質約束加入到直升機總體設計框架中。應用本發明提供的設計方法可以在直升機研制初始階段進行總體布局和確定設計參數時就考慮飛行品質，使之達到規范的要求。

本發明的技術解決方案：一種考慮飛行品質的直升機總體設計方法，通過如下步驟實現：

（1）根據任務需求，結合現有直升機數據庫采用統計分析方法得到初步設計方案，選擇直升機總體布局和結構參數作為設計變量，在初步設計方案基礎之上選擇±50%作為設計變量的上限和下限。

（2）建立直升機總體優化設計模型。

以重量效率、需用功率等指標作為目標函數，并在飛行性能、重量要求等約束的基礎上增加以完成任務科目基元所需時間作為飛行品質約束，建立改善飛行品質的直升機總體優化設計模型。其中完成任務科目基元所需時間是由本發明提出的基于軌跡優化策略仿真方法得到的；

（3）對得到的直升機總體優化設計模型進行求解，輸出直升機最優的總體設計方案。