Augmented flight dynamics model for pilot workload evaluation in tilt-rotor aircraft optimal landing procedure after one engine failure

An augmented flight dynamics model is developed to extend the existing flight dynamics model of tilt-rotor aircraft for optimal landing procedure analysis in the event of one engine failure.Compared with the existing flight dynamics model, the augmented model involves with more pilot control information in cockpit and is validated against the flight test data. Based on the augmented flight dynamics model, the optimal landing procedure of XV-15 tilt-rotor aircraft after one engine failure is formulated into a Nonlinear Optimal Control Problem(NOCP), solved by collocation and numerical optimization method. The time histories of pilot controls in cockpit during the optimal landing procedure are obtained for the evaluation of pilot workload. An evaluation method which can synthetically quantify the pilot workload in time and frequency domains is proposed with metrics of aggressiveness and cutoff frequencies of pilot controls. The scale of the pilot workload is compared with those of the shipboard landing procedures, bob-up/bob-down and dash/quickstop maneuvers of UH-60 helicopter. The results show that the aggressiveness of pilot collective and longitudinal controls for the tilt-rotor aircraft optimal landing procedure after one engine failure are higher than those for UH-60 helicopter shipboard landing procedures up to the condition of sea state 4, while the pilot cutoff frequency of collective control is lower than that of the bob-up/bob-down maneuver but the pilot cutoff frequency of longitudinal control is higher than that of the dash/quick-stop maneuver. The evaluated pilot workload level is between Cooper–Harper HQR Level 2 and Level 3.     

直升机单发失效后自转着陆轨迹优化

建立了直升机单发失效后增广的纵向三维刚体飞行动力学模型,通过选择合适的目标函数、路径约束和边界约束,将自转着陆问题表示成非线性最优控制问题,使用非线性规划方法求解得到自转着陆的最优轨迹和操纵.以UH-60直升机为例,首先计算了自转着陆距离最短的最优解,并与二维点质量模型进行对比.结果表明三维刚体模型在旋翼转速、旋翼拉力...     

直升机贴地飞行时人—机响应特性研究

本文分析和研究了驾驶员工作负荷、操纵功效和阻尼等对贴地飞行时直升机飞行品质的影响,导出了简化的驾驶员增益和驾驶员评定等级的工程计算公式,并与飞行试验数据进行了比较.结果表明,本文的方法可用于各种直升机的飞行试验和设计估算.     

辅助驾驶员操纵的预见显示及预测控制

针对人具有预见、预测能力和驾驶员操纵品质要求,提出了辅助驾驶员操纵的预风显示及预测控制方案。应用预见控制技术对驾驶员最优控制模型,显示与控制协调性合成设计的预见加速显示进行了研究,建立了驾驶员跟踪目标信号的最优预见控制模型和基于系统状态的预见加速显示的人机预测控制结构。用非零和协调性动态规划法进行驾驶员－显示器－控制器的最优协调性合成设计。可减轻驾驶员的操纵负担,提高了飞行品质和主观评价。     

基于直升机舰面起降动态仿真的风限图计算

建立了基于直升机舰面起降动态仿真的风限图（WOD）计算方法,综合计入舰船尾流、直升机运动和驾驶员操控等多因素的作用提升风限图计算的准确度。基于耦合舰船非定常尾流的飞行动力学模型,发展了适于直升机多轴协同操控的驾驶员模型,建立了舰面起降轨迹的数学描述和生成方法,形成计入舰船尾流、直升机运动和驾驶员操控等多因素综合作用的直升机舰面起降动态仿真方法。在此基础上,总结风限图计算判据,建立风限图计算方法。计算结果表明,某些风况下直升机在舰面起飞和降落过程中受到舰船尾流的干扰远大于在甲板上方悬停时受到的作用。本文方法能够捕捉到不同起降点和起降方式导致舰船尾流时空变化的干扰,与传统计算方法相比,显著提升了风限图计算的准确度。     

变转速旋翼直升机单发失效低速回避区分析

利用最优控制方法研究变转速旋翼直升机在遭遇单发失效时,旋翼转速对自转着陆低速回避区的影响。首先,以UH-60A直升机为样机,建立三维刚体飞行动力学模型,并分析低速范围内旋翼转速对直升机需用功率的影响。然后,在模型中加入单发失效后自转着陆阶段发动机输出功率以及旋翼转速变化方程,并利用直接多重打靶法将直升机单发失效后的自转着陆过程转换为非线性最优控制问题进行数值求解。最后,基于最小化回避区面积的思想,得到并分析直升机在不同旋翼转速下单发失效后的自转着陆低速回避区,以及回避区高悬停点、拐点和低悬停点对应的最优着陆轨迹和操纵过程。结果表明：随着旋翼转速的降低,直升机单发失效后的低速回避区首先会逐渐缩小,然后迅速增大。最小回避区对应的旋翼转速略高于最小需用功率对应的旋翼转速。适当降低旋翼转速不仅能有效降低直升机的需用功率,还有利于提高直升机单发失效后的自转着陆性能。     

DFBW飞机人-机闭环纵向着陆特性研究

本文根据试飞员的飞行体会和一组试飞曲线,提出驾驶员参数随着着陆过程变化的频率域模型,建立装有DFBW飞机的人-机闭环系统数学模型,编制非线性全量时域仿真程序,对纵向着陆过程动态作了全面的定量分析,其结果与装有MCS飞机的试飞情况吻合,验证了本文建模、程序可信度和精度,从而得出某DFBW飞机着陆特性是可被驾驶员接受的一些有益结论。     

倾转旋翼机动态倾转过渡过程的操纵策略优化

利用最优控制方法研究倾转旋翼机的最优动态倾转过渡过程,并得到最优操纵策略,使得由时间、姿态角变化以及驾驶员工作负荷等组成的性能指标达到最小。首先,在基本纵向刚体飞行动力学模型的基础上引入混合操纵方程,并使用杆量位移的一阶导数作为控制量,形成适用于计算倾转旋翼机动态倾转过渡过程的飞行动力学模型,从而能在动态倾转操纵策略优化过程中考虑到操纵系统特性对操纵量变化速度的限制,以及避免操纵量在优化过程中出现跳跃不连续。然后,将倾转旋翼机的最优动态倾转过渡过程转化为非线性动态最优控制问题,建立合理的性能指标,并采用直接转换法和序列二次规划算法进行求解。最后,以XV-15倾转旋翼机为样机,分别计算正向和逆向最优动态倾转过渡过程,并与驾驶员飞行仿真数据进行对比。结果表明:飞行状态量的时间历程与文献吻合地较好,且俯仰姿态角和杆量位移变化更加柔和。最优控制方法可以用于研究倾转旋翼机的最优动态倾转过渡过程。     

Z11直升机自转着陆试飞

通过对Z11直升机自转特性及自转着陆的试飞，研究了在自转着陆的进场着陆阶段，如何使旋翼能够提供最大的拉力，减小下降率，使直升机以低于起落架设计允许的最大下降率进行自转着陆，从而保证直 同和驾驶员的安全。最后分析探讨了Z11直升机空中停车后处置的驾驶技术及操纵要领。可供有关研究人员和直升机飞行员参考。     

Trajectory optimization of aerial slung load release for piloted helicopters

This study aims to provide the pilot with optimal control time histories for stabilization of a helicopter after releasing the slung load in aerial delivery missions. A model with 21 degrees of freedom (21-DOF) has been developed and validated for a helicopter slung load system. The control history is generated with detailed procedure based on trajectory optimization. Effects of the objective function formulation on the results are discussed and rules are obtained to assist in the objective function determination. We conclude that the pilot should first decrease and then increase the collective control and adjust the longitudinal control to stabilize the helicopter after the in-hover slung load release. The obtained control history is reasonable and helpful for safety and efficiency improvement. Effects of path constraints and the Flight Control System (FCS) are studied. More stringent path constraints will lead to longer time spent and more controls. Stronger stiffness and weaker damping from the FCS will cause milder control histories but sharper on-axis state histories.     

飞行器无动力应急着陆域和着陆轨迹设计

针对飞行器动力故障迫降着陆问题,提出一种应急着陆域（ELR）和着陆轨迹设计方法。首先,提出了无动力应急着陆域的概念,即无动力条件下可实现成功着陆的着陆点范围,并分别应用最优控制方法和hp自适应伪谱法对着陆域进行设计和求解;采用理论分析与仿真验证相结合的方法分析应急着陆域的特点以及影响着陆域大小的主要因素,并据此得到求解应急着陆域的简单近似方法。然后,依据所求得的应急着陆域,选择合适位置作为预定着陆点,并应用最优控制方法设计对应的着陆轨迹。仿真结果表明：应急着陆域的建立、分析对快速选择预定着陆点具有重要参考价值;设计的应急着陆轨迹可引导无动力飞行器实现成功着陆。     

无人驾驶直升机发动机模糊自适应PID控制

针对某型无人驾驶直升机发动机控制的特点,提出恒量供油、恒速控制和总距前馈补偿控制的复合控制策略,在飞行控制计算机内建立发动机模糊自适应PID控制器,利用模糊规则和推理来在线调整PID参数,使发动机安全平滑启动,并在各种功率状态下保持输出轴转速恒定。经含实物仿真试验、地面试车、系留试验以及无人机整机试飞测试,所设计的发动机控制方案动态响应速度快,对总距变化等干扰的抑制作用强,能保证主旋翼在各种飞行状态下获得最佳的气动效率,改进无人直升机的飞行性能。      

Numerical study on flow control of ship airwake and rotor airload during helicopter shipboard landing

A numerical study on flow control of ship airwake during shipboard landing is carried out to address the effect of flow control devices on helicopter rotor airload. The in-house Reynolds Averaged Navier-Stokes (RANS) based solver Rotorcraft AeroDynamics and Aeroacoustics Solver (RADAS), with combination of momentum source approach is employed to conduct the helicopter shipboard landing simulation. The control effects of three aerodynamic modifications of ship superstructure, i.e. ramp, notch and flap, in different Wind-Over-Deck (WOD) conditions are discussed. From the steady simulation results, the effect of spatial variation of ship airwake on rotor airloads is concluded. The aerodynamic modifications reduce the strength of shedding vortex and increase rotor normal force through delaying and relieving flow separation, and therefore are beneficial to alleviate the limitation of control inputs. By contrast, the perturbation of unsteady ship airwake can cause the serious oscillation of rotor forces during shipboard landing. The unsteady simulations show that the turbulence intensity of ship airwake and oscillatory rotor airloading, represented by Root-Mean-Square (RMS) loading, can be remarkably reduced by the ramp and notch modifications, while the flap modification has adverse effect. It means that flow control devices have large potential benefits to alleviate the pilot’s workload and improve the shipboard landing safety, but they should be well designed to avoid the introduction of more vortex, which leads to increase in disturbance of flow field.     

AC311直升机自转下滑性能优化分析与处理

通过对AC311直升机自转着陆模拟试飞,验证其自转下滑性能满足CCAR27适航要求.在试飞过程中,飞行员发现发动机无动力时旋翼转速下降较快,在接地前“瞬时提距”时旋翼转速恢复较慢,较难完成自转着陆.为此,根据国际上比较贴近飞行员的定性意见的当量悬停时间,设计部门分析自转下滑性能偏低的原因,并通过换装参考直升机主桨叶进行对比试飞确认,提出了调整桨叶转动惯量的解决措施.这些措施经装机试飞验证取得了很好的实施效果.     

直升机着舰飞行控制仿真研究初探

本文介绍了直升机的着舰过程和特点,以及舰船运动特性及其对直升机着舰的影响,分析了着舰飞行控制系统在着舰过程各个阶段的不同任务和要求,最后提出一种着舰飞行控制系统的设计方法和一个很好的仿真工具。     

直升机由悬停过渡到前飞的飞行特性研究

研究了直升机由悬停转前飞的过渡飞行中高度和速度变化。首先研究了计算方法,并以 Ｓ Ａ３６５ Ｎ 型直升机为例进行了核算比较,验证了分析方法的可行性和合理性;最后对一般直升机在各种发动机故障状态及操纵输入进行了分析计算, 得出了一些有意义的结论,这些结论将为今后的实际飞行提供有益的指导。     

小型无人直升机发动机控制系统设计

发动机转速控制是无人直升机飞行控制的基础,针对小型无人直升机使用的活塞式发动机,给出了一个发动机转速控制系统.通过对发动机输出功率特性、负载特性和动力学特性的分析,建立了发动机的数学模型.采用前馈与反馈的复合控制策略,并通过半物理实时仿真和发动机开车数据的验证,该控制系统具有较好的效果.      

有侧风时某验证机着陆品质分析

以刚体系动力学理论为基础,建立飞机、起落架六自由度全量非线性方程,根据有侧风时着陆过程中驾驶员的操纵特点,提出比较符合实际情况的操纵逻辑,以及用3个单轴操纵的驾驶员模型,通过采用分时采集、分时处理飞行状态信息和分时操纵的方式,将它们有机地综合成~个同时做三轴操纵时的驾驶员模型。最后,对所建立的人-机闭环系统模型编制了相应的仿真软件,并对某验证机进行了着陆品质分析,其结果与试飞情况比较吻合。