馬庚軍 胡曉慶 楊文風(fēng)

摘要：針對傾斜尾槳直升機的側(cè)滑一俯仰耦合進行了分析研究。首先描述了傾斜尾槳直升機在橫側(cè)靜穩(wěn)定性模擬試飛中出現(xiàn)的側(cè)滑一俯仰耦合現(xiàn)象；進而分析了該耦合產(chǎn)生的機理，給出了該耦合的主要影響因素；最后對該耦合的解耦方法和試飛評估方法進行了研究。研究結(jié)果可為傾斜尾槳直升機側(cè)滑一俯仰耦合的試飛與評估提供重要參考。

關(guān)鍵詞：直升機；傾斜尾槳；側(cè)滑一俯仰耦合；影響因素；解耦方法；試飛與評估

中圖分類號：V217.3

文獻標識碼：A

DOI：10.19452/j.issn1007-5453.2018.01.053

直升機的軸間耦合是指在直升機某一個軸上施加的操縱輸入在它軸上引起響應(yīng)的現(xiàn)象。耦合響應(yīng)是直升機飛行操縱過程中的固有特性，引起這一特性的原因除了操縱系統(tǒng)的機械耦合外，還與氣動設(shè)計、旋翼操縱響應(yīng)的滯后以及旋翼旋轉(zhuǎn)矢量改變引起的進動等因素相關(guān)。

直升機的側(cè)滑飛行是桿舵協(xié)調(diào)操縱的結(jié)果，因而側(cè)滑飛行引起的俯仰響應(yīng)——即側(cè)滑一俯仰耦合是直升機縱向、橫向耦合以及縱向、航向耦合的綜合反映。對于常規(guī)豎直垂尾、尾槳槳盤平面直立的單旋翼帶尾槳直升機，可以認為縱向與橫航向之間是解耦的，進而忽略側(cè)滑一俯仰耦合的影響。而對于采用了可以產(chǎn)生縱向拉力分量的傾斜尾槳的直升機，縱、橫、航向各軸之間均存在耦合效應(yīng)，這不僅增加了這類直升機氣動設(shè)計、操縱系統(tǒng)設(shè)計以及飛控系統(tǒng)設(shè)計的難度，也對其性能、飛行品質(zhì)產(chǎn)生了影響。本文從傾斜尾槳直升機在模擬飛行中出現(xiàn)的側(cè)滑一俯仰耦合現(xiàn)象人手，對該耦合產(chǎn)生的機理進行了分析，并就該耦合的解耦方法及試飛評估方法進行了研究。

1耦合現(xiàn)象

在利用傾斜尾槳直升機模擬器進行橫側(cè)靜穩(wěn)定性的仿真試飛研究中，發(fā)現(xiàn)傾斜尾槳直升機具有較為強烈的側(cè)滑-俯仰耦合現(xiàn)象，需要進行縱向周期變距補償才能保持俯仰姿態(tài)的穩(wěn)定。圖1給出了該傾斜尾槳直升機在氣壓高度lOOOm、表速140km/h的條件下進行穩(wěn)定右側(cè)滑模擬飛行時的時間歷程圖。由圖可知，隨著右側(cè)滑的產(chǎn)生，側(cè)滑角β由3°逐漸增大至13°左右，俯仰角θ隨之增大，雖然飛行員采用緩慢推桿（即增大Wy）來抑制直升機的上仰姿態(tài)，但俯仰角仍增大至5°左右并隨著側(cè)滑角的增大而呈現(xiàn)發(fā)散趨勢。

圖2給出了該傾斜尾槳直升機在氣壓高度lOOOm、表速140km/h的穩(wěn)定側(cè)滑模擬飛行中，側(cè)滑角β與修正俯仰姿態(tài)變化所需的縱向操縱補償量之間的關(guān)系。由圖可知，右側(cè)滑需要推桿補償，左側(cè)滑需要拉桿補償；側(cè)滑角與對應(yīng)所需的縱向操縱補償量之間基本上呈線性關(guān)系，即隨著側(cè)滑角的增大，需要付出更大的縱向補償來保持俯仰姿態(tài)的穩(wěn)定。

圖3給出了UH-60“黑鷹”直升機側(cè)滑時機身俯仰力矩的增量△M/q隨側(cè)滑角的變化關(guān)系。圖中，實線是使用回歸算法推導(dǎo)出的模型方程得出的數(shù)據(jù)，虛線是風(fēng)洞試驗數(shù)據(jù)。由圖可知，隨著側(cè)滑角的增大（無論左側(cè)滑還是右側(cè)滑），俯仰力矩的增量迅速增大，所需的俯仰操縱補償也迅速增大。

側(cè)滑飛行時較大的俯仰力矩或縱向操縱補償增加了協(xié)調(diào)操縱的難度，在要求機頭下指的非協(xié)調(diào)機動中，將會增加飛行員縱向姿態(tài)控制的難度和飛行員的工作負荷，甚至引發(fā)縱向操縱問題；而在尾槳失效的情況下，直升機會進入側(cè)滑飛行狀態(tài)，此時側(cè)滑一俯仰耦合將會加重飛行員的定向障礙，容易引發(fā)飛行安全問題。

因此，對于傾斜尾槳直升機而言，側(cè)滑-俯仰耦合是相當重要的軸間耦合現(xiàn)象，有必要對其開展試飛評估，而不能像常規(guī)尾槳直升機那樣予以忽略。

2耦合產(chǎn)生的機理

由于側(cè)滑飛行是桿舵協(xié)調(diào)操縱的結(jié)果，因而可分別從橫桿和腳蹬操縱輸入時直升機的俯仰姿態(tài)變化來觀察該耦合，即分別考察滾轉(zhuǎn)一俯仰耦合以及偏航-俯仰耦合，其中偏航-俯仰耦合即可反映偏航操縱引起的傾斜尾槳槳距變化對俯仰姿態(tài)的影響。其次，進入側(cè)滑飛行時平尾所受氣動力的變化也可能產(chǎn)生較大的俯仰力矩變化。下面對上述影響側(cè)滑-俯仰耦合的主要因素進行具體分析。

2.1滾轉(zhuǎn)-俯仰耦合的影響

圖4給出了該傾斜尾槳直升機在氣壓高度lOOOm、表速lOOkm/h的模擬條件下進行右壓桿階躍輸入（產(chǎn)生右側(cè)滑）時的縱向響應(yīng)。由圖可知，右壓桿（Wx減?。╇A躍輸入后，滾轉(zhuǎn)角ψ緩慢增加，側(cè)滑角β隨之逐漸增大并在滾轉(zhuǎn)角達到峰值后出現(xiàn)了極值。而俯仰軸在壓桿輸入后立即產(chǎn)生了上仰姿態(tài)并發(fā)散增大，達到20°后飛行員大幅推桿改出。

可見，該傾斜尾槳直升機存在強烈的滾轉(zhuǎn)-俯仰耦合，該耦合加劇了側(cè)滑-俯仰耦合，即產(chǎn)生側(cè)滑所需的橫桿操縱同時產(chǎn)生了較大的俯仰姿態(tài)變化量。具體而言，產(chǎn)生右側(cè)滑所需的右壓桿量產(chǎn)生了抬頭力矩，使姿態(tài)上仰；產(chǎn)生左側(cè)滑所需的左壓桿量產(chǎn)生了低頭力矩，導(dǎo)致低頭姿態(tài)變化。

2.2傾斜尾槳的影響

尾槳軸向上傾斜的尾槳，除了平衡旋翼反扭矩和實現(xiàn)航向操縱外，還擴大了直升機的縱向重心范圍，但同時引入了航向和縱向之間的氣動耦合和操縱耦合，導(dǎo)致側(cè)滑時的航向協(xié)調(diào)操縱還會引起俯仰響應(yīng)。

圖5給出了該傾斜尾槳直升機在氣壓高度lOOOm、表速lOOkm/h的模擬條件下進行左腳蹬階躍輸入時的時間歷程。由圖可知，在腳蹬階躍輸入之后，直升機立即產(chǎn)生了右側(cè)滑且側(cè)滑角β不斷增大，隨之出現(xiàn)了左滾運動且滾轉(zhuǎn)角ψ（負值）快速增大。左腳蹬階躍輸入使傾斜尾槳的槳距增大，產(chǎn)生了一個向上的拉力增量，該增量使直升機低頭；同時左滾轉(zhuǎn)也因滾轉(zhuǎn)-俯仰耦合而產(chǎn)生低頭力矩。而直升機的俯仰姿態(tài)首先緩慢波動，在側(cè)滑角和滾轉(zhuǎn)角均相對較大時快速增大，這一變化過程與該傾斜尾槳直升機的機械解耦設(shè)計、飛控控制律解耦設(shè)計、進入側(cè)滑飛行狀態(tài)平尾氣動力的變化等因素相關(guān)。飛行員大幅推桿改出，這與前述右側(cè)滑需要推桿補償?shù)慕Y(jié)論是一致的。

在機械解耦方面，該型機在縱向周期變距的控制中引入了腳蹬操縱量以補償腳蹬操縱產(chǎn)生的縱向力增量對俯仰姿態(tài)的影響，解耦系統(tǒng)的設(shè)計原理如圖6所示，表1給出了其機械解耦的量值。

由表1可知，當左腳蹬輸入達到最大值15.24cm時，直升機的俯仰軸會產(chǎn)生9.25°的旋翼槳距角增量，該增量使直升機抬頭。因而在圖5的左腳蹬階躍輸入之后，機械解耦設(shè)計為直升機提供了抬頭力矩。

2.3平尾的影響

平尾的作用是為直升機在前飛狀態(tài)下提供迎角穩(wěn)定性，以克服旋翼對迎角的靜不穩(wěn)定力矩。如前所述，該型直升機的傾斜尾槳擴大了直升機的縱向重心范圍，而當重心位置比較靠后時，為了達到較好的縱向靜穩(wěn)定性，必須采用大面積平尾。

在旋翼下洗流的湍流還沒有脫離平尾的速度范圍內(nèi)，直升機從無側(cè)滑飛行狀態(tài)進入側(cè)滑飛行狀態(tài)時，平尾的氣動力變化將對俯仰姿態(tài)產(chǎn)生影響。側(cè)滑產(chǎn)生后，旋翼下洗流偏向了直升機的某一側(cè)，導(dǎo)致部分或全部的平尾暴露在未受旋翼擾動的自由氣流中，因此產(chǎn)生了與無側(cè)滑飛行狀態(tài)不同的俯仰力矩，即出現(xiàn)了側(cè)滑-俯仰耦合。圖7給出了“黑鷹”直升機以222km/h的速度側(cè)滑飛行時各部件對側(cè)滑產(chǎn)生的俯仰力矩M/β的貢獻值。

由圖可知，單位側(cè)滑產(chǎn)生的俯仰力矩的總量超過2710N·m，已經(jīng)與主旋翼周期變距操縱所得俯仰力矩的量值相當，因而需要相當大的飛行員操縱補償。其中傾斜尾槳對該總量貢獻了近50%，而平尾貢獻了近25%，機身和垂尾貢獻了其余的部分。因此，不能忽略進入側(cè)滑飛行狀態(tài)時平尾氣動力變化對俯仰姿態(tài)產(chǎn)生的影響。

3解耦方法及試飛評估方法

安裝角固定的常規(guī)平尾在懸停和小速度飛行時，受旋翼下洗流的影響將產(chǎn)生較大的向下載荷，對俯仰姿態(tài)的穩(wěn)定不利；而在大速度時直升機需要平尾為其提供足夠的抬頭力矩。為了平衡不同速度段對平尾的不同需求以及削弱側(cè)滑-俯仰耦合的考慮，“黑鷹”直升機采用了自動平尾，在平尾控制邏輯中引入空速、總距桿位信號，同時還引入了俯仰角速率和橫向加速度信號作為平尾安裝角變化的控制參數(shù)。之所以引入橫向加速度信號就是為了補償側(cè)滑-俯仰耦合帶來的不利影響，只要尾槳有拉力變化（即有橫向加速度產(chǎn)生），平尾就會產(chǎn)生相應(yīng)的偏轉(zhuǎn)以補償尾槳拉力變化對縱向的耦合影響。這是“黑鷹”直升機在機械解耦、飛控控制律解耦之外消除側(cè)滑-俯仰耦合的又一方法。

前已述及，有必要針對傾斜尾槳直升機的側(cè)滑-俯仰耦合開展試飛評估，而目前，GJB902-90和ADS-33E-PRF均未對側(cè)滑-俯仰耦合提出要求。但ADS-33E-PRF對迅猛機動、目標捕獲與跟蹤中的滾轉(zhuǎn)-俯仰耦合均給出了要求，其中對前者給出了定性的飛行員評述要求：當總距固定、偏航操縱在必要時用以協(xié)調(diào)轉(zhuǎn)彎的條件下，正反側(cè)傾機動所引起的俯仰響應(yīng)不應(yīng)使飛行員感到不適；對后者給出了定量的指標要求，要求滾轉(zhuǎn)引起的俯仰（q/p）耦合不得超過圖8規(guī)定的界限。

圖8中，橫軸q/p均值由俯仰和滾轉(zhuǎn)頻率響應(yīng)的比值得到，定義為俯仰對滾轉(zhuǎn)操縱輸入響應(yīng)（q/δlat）與滾轉(zhuǎn)對滾轉(zhuǎn)操縱輸入響應(yīng)（P/δlat）的比值在俯仰對俯仰操縱輸入響應(yīng)（θ/δlat）的帶寬頻率和中性穩(wěn)定頻率（相角為-180°）之間的平均值，縱軸p/q均值的定義與之類似。當產(chǎn)生頻率響應(yīng)數(shù)據(jù)時，異軸操縱輸入應(yīng)為最小。

如前所述，側(cè)滑-俯仰耦合中包含了滾轉(zhuǎn)-俯仰耦合的影響，因而可在開展側(cè)滑-俯仰耦合評估之前，按ADS-33E-PRF的要求完成滾轉(zhuǎn)-俯仰耦合的定量評估，在此基礎(chǔ)上，再結(jié)合橫側(cè)定位、快速側(cè)移、轉(zhuǎn)向到目標等任務(wù)機動科目開展定性的側(cè)滑-俯仰耦合主觀評述，確保直升機不出現(xiàn)令人生厭的側(cè)滑-俯仰耦合響應(yīng)。

4結(jié)論

通過對傾斜尾槳直升機的側(cè)滑-俯仰耦合現(xiàn)象的研究，可以得出如下結(jié)論：

（1）傾斜尾槳直升機的側(cè)滑-俯仰耦合是相當重要的軸間耦合現(xiàn)象，有必要對其進行試飛評估，而不能像常規(guī)尾槳直升機那樣予以忽略。

（2）傾斜尾槳直升機的側(cè)滑-俯仰耦合主要受滾轉(zhuǎn)-俯仰耦合、傾斜尾槳的氣動耦合與機械操縱耦合、平尾的氣動響應(yīng)等因素的影響。

（3）除了機械解耦和飛控控制律解耦，在自動平尾的偏轉(zhuǎn)角控制邏輯中引入橫向加速度信號反饋是消除側(cè)滑-俯仰耦合的另一種方法。

（4）可以在定量評估滾轉(zhuǎn)-俯仰耦合的基礎(chǔ)上，結(jié)合任務(wù)機動科目對側(cè)滑-俯仰耦合進行定性的評述評價，確保不出現(xiàn)令人生厭的側(cè)滑-俯仰耦合響應(yīng)。