徐合良，黃欽兒

(中國直升機(jī)設(shè)計研究所，江西 景德鎮(zhèn) 333001)

0 引言

隨著直升機(jī)技術(shù)的發(fā)展，直升機(jī)的應(yīng)用范圍也在逐漸擴(kuò)大，直升機(jī)索降可以有效地實(shí)現(xiàn)在固定翼甚至直升機(jī)不便于降落的區(qū)域海軍陸戰(zhàn)隊登陸作戰(zhàn)或是特種部隊的機(jī)動作戰(zhàn)等。目前直升機(jī)索降主要采用“兩點(diǎn)”索降方法，這種方法索降的效率較低，直升機(jī)懸停時間長，縮短了直升機(jī)的作戰(zhàn)半徑，無法滿足日趨緊張的環(huán)境下的使用要求。同時，采用“兩點(diǎn)”索降方法，直升機(jī)重心普遍靠前，危及直升機(jī)安全，并且未設(shè)置機(jī)組人員的溝通交流機(jī)制，不利于直升機(jī)的任務(wù)執(zhí)行。因此，亟需一種更加高效、安全的索降方法來提高直升機(jī)的作戰(zhàn)能力。

近年來，國內(nèi)外對直升機(jī)索降方法的研究較少，并未找到相關(guān)的資料。

針對某型直升機(jī)一架次分批索降的人員較多，導(dǎo)致優(yōu)化設(shè)計的變量多、計算優(yōu)化過程復(fù)雜及結(jié)果準(zhǔn)確性低等問題，本文采用了在優(yōu)化平臺軟件ISIGHT[1]的基礎(chǔ)上結(jié)合遺傳算法[2]，再通過C++編程實(shí)現(xiàn)設(shè)計變量輸入與計算結(jié)果輸出自動讀寫的方法，對直升機(jī)索降進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計。最后將優(yōu)化計算的索降順序、時間與某型機(jī)地面模擬得出的順序、時間進(jìn)行對比分析。

1 總體布置及人員設(shè)置

參考目前在國內(nèi)陸?？杖姶罅糠鄣哪承椭鄙龣C(jī)的總體布局，確定了分別在直升機(jī)滑動艙門電動絞車支架(代號：A)、主減速器外吊掛接頭(代號：B)、尾艙門上接頭左右兩側(cè)(左側(cè)代號：C，右側(cè)代號：D)安裝索降裝置，制定了“四點(diǎn)”索降方案，具體如圖1所示。

圖1 幾何模型

艙內(nèi)布置主要情況是航向左右兩側(cè)壁板安裝兩排座椅，索降人員依次入座，最多可載運(yùn)18名索降隊員，具體情況如圖2所示。圖中注明每個座位的序號，用于遺傳算法中的計算。

“四點(diǎn)”索降方案設(shè)置1名領(lǐng)航員與2名投放員，領(lǐng)航員負(fù)責(zé)與飛行員進(jìn)行溝通交流，傳達(dá)飛行員指令；投放員負(fù)責(zé)投放索降吊具，執(zhí)行已制定的索降順序并回收索降吊具，保證索降過程通暢安全。圖中1號位置為領(lǐng)航員，4號與20號位置分別為1#投放員、2#投放員。

直升機(jī)操作需要遵守一定的設(shè)計要求，保證索降安全，這也是優(yōu)化設(shè)計的前提條件，具體如下：

1) 首先拆除直升機(jī)的外吊掛口蓋以及尾艙門，并做好起飛前的安全工作；

2) 直升機(jī)巡航至指定地點(diǎn)懸停，領(lǐng)航員與飛行員溝通完畢，開始索降準(zhǔn)備工作；

3) 由1#投放員打開上地板口蓋，掛上主減下方的索降吊具，3號位置隊員掛上滑動艙門索降吊具，21號位置掛上尾艙門航向右側(cè)和左側(cè)的索降吊具；

4) 準(zhǔn)備工作就緒，領(lǐng)航員與機(jī)組人員溝通，四個索降點(diǎn)開始索降。

圖2 艙內(nèi)布置圖

2 設(shè)計變量編碼方式

根據(jù)直升機(jī)艙內(nèi)布局特點(diǎn)以及機(jī)上每個座位的離機(jī)驗(yàn)證時間，本文采用了是否離機(jī)和離機(jī)時間聯(lián)合編碼的方法[3]。對于每個索降隊員來說，用兩個整數(shù)狀態(tài)變量來描述：E變量和F變量。其中E變量表示是否離機(jī)，F(xiàn)變量表示離機(jī)時間。E的取值范圍是(0，1)，當(dāng)為0時說明未離機(jī)。機(jī)上每個座位的索降隊員離機(jī)驗(yàn)證時間(從解開安全帶到離機(jī)整個過程所耗時間)如表1所示。

表1 對應(yīng)座位離機(jī)時間

T的取值為座位號加索降點(diǎn)代號，如2號索降隊員從A口索降則T取值為2A。

3 優(yōu)化數(shù)學(xué)模型和優(yōu)化步驟

直升機(jī)分批次索降過程以耗時最小為優(yōu)化目標(biāo)，在優(yōu)化過程中以全機(jī)重量重心滿足設(shè)計要求為準(zhǔn)則,本文采用某型機(jī)典型的縱向重心包線范圍6.2～6.6m，重心計算公式如下：

X全機(jī)=

本文優(yōu)化過程中，每批次索降隊員下降后均進(jìn)行了重心計算，并判斷是否符合包線要求，如不滿足要求則可結(jié)束計算。由此可以建立直升機(jī)索降單目標(biāo)優(yōu)化設(shè)計的數(shù)學(xué)模型：

Min:T(E,F)

S.T:

其中，T表示索降過程所消耗時間，X全機(jī)表示全機(jī)縱向重心，Ei與Fi分別代表索降隊員是否離機(jī)與離機(jī)時間。

本文采用的是ISIGHT軟件自帶的NSGA-Ⅱ遺傳算法[11]，可以保證優(yōu)化結(jié)果最終收斂到全局最優(yōu)解。在ISIGHT中設(shè)置遺傳算法參數(shù)，如表2。

表2 ISIGHT中遺傳算法參數(shù)

圖3是直升機(jī)索降優(yōu)化設(shè)計的流程圖。

圖3 直升機(jī)索降優(yōu)化流程圖

4 優(yōu)化結(jié)果

本文通過編寫優(yōu)化平臺ISIGHT軟件的接口程序?qū)崿F(xiàn)計算數(shù)據(jù)的讀寫、查找、計算以及比較等功能自動化，具體如下：首先將讀入的初始設(shè)計方案提交給優(yōu)化平臺；其次調(diào)用重心計算公式，經(jīng)過計算得到結(jié)果文件；再次在結(jié)果文件中讀取查找重心數(shù)據(jù)與時間，并判斷重心是否在包線以內(nèi)；最后自動將結(jié)果數(shù)據(jù)輸出。每當(dāng)計算完成一次后，將自動生成新的設(shè)計變量。根據(jù)設(shè)置的種群大小與種群代數(shù)，優(yōu)化過程將會循環(huán)相應(yīng)的步數(shù)，最終得到全局最優(yōu)解，ISIGHT軟件優(yōu)化模型圖如圖4。

圖4 ISIGHT優(yōu)化模型圖

初始方案為W=(E、F)=((0、0、0、0、0、0、0、0、0、0、0、0、0、0、0、0、0、0)((2A、3B、5C、6D)、(7A、8B、9C、10D)、(11A、12B、13C、14D)、(15A、16B、17C、18D)、(19A、21B、0C、0D)) ，針對初始索降方案，計算出索降時間是5.1min。通過ISIGHT優(yōu)化后的優(yōu)化結(jié)果方案是W=((1、1、1、1、1、1、1、1、1、1、1、1、1、1、1、1、1、1)((2A、13B、14C、15D)、(3A、10B、16C、17D)、(5A、11B、18C、19D)、(6A、8B、0C、21D)(7A、9B、12C、0D))。最終分5批索降，總耗時不到4.1min。

由于ISIGHT優(yōu)化平臺的遺傳算法種群大小為50，種群代數(shù)是10，所以結(jié)果文件具有500個迭代值。為了更加清晰地分析數(shù)據(jù)的發(fā)展趨勢，以下將選擇100個迭代值。前200步(前4代)是對全局進(jìn)行搜索，找出優(yōu)異子代，一般數(shù)據(jù)會出現(xiàn)較大的跳變，故選擇的100個迭代值將側(cè)重于最后的4代。變化曲線如圖5所示，從圖5可以看出索降時間變化主要集中在幾個離散點(diǎn)的跳動。

隨著種群個體的不斷進(jìn)化，索降時間的變化趨勢在逐漸減小。在90步左右的迭代步數(shù)時間開始收斂，最后的時間收斂到了4.1min。經(jīng)過優(yōu)化前后的比較，時間減少了1min。在優(yōu)化過程中，索降過程中的重量重心數(shù)據(jù)不能顯示，但必定滿足重心包線要求，不然程序會終結(jié)。目前只能顯示最后索降完畢直升機(jī)返航狀態(tài)時的重心數(shù)據(jù)，具體的變化圖如圖6所示。從圖中可以看出，其變化趨勢與時間不同，在50步之后開始收斂，最終收斂到6.45mm。

圖5 時間迭代圖

圖6 重量重心迭代圖

某型機(jī)地面模擬的索降順序最終運(yùn)用到了索降訓(xùn)練飛行，具體索降順序如下表3。

從表3與最終優(yōu)化的結(jié)果對比可知，兩者相差不大，唯一的不同在于實(shí)際訓(xùn)練過程中將12號索降隊員放在了第六批索降，主要原因是實(shí)際索降過程中尾門索降點(diǎn)較理論上的耗時長，從總體上可以看出索降順序的優(yōu)化計算是合理可行的，可以指導(dǎo)實(shí)際訓(xùn)練。

表3 某型機(jī)索降訓(xùn)練順序

5 總結(jié)

經(jīng)過計算分析得出，此次優(yōu)化的結(jié)果合理可行，符合直升機(jī)索降的實(shí)際情況。在優(yōu)化過程中，得出了如下結(jié)論：

1)將ISIGHT優(yōu)化平臺軟件與遺傳算法相結(jié)合的研究方法，能夠有效處理直升機(jī)索降順序的單目標(biāo)優(yōu)化問題，該研究方法可用于解決工程實(shí)際問題；

2) 本文得出了最終的直升機(jī)索降順序，可以為直升機(jī)索降訓(xùn)練提供參考；

3) 本文中未能實(shí)時顯示索降過程中重量重心的變化，只能顯示索降完畢之后的重心狀態(tài)，下一步可以針對此問題提出優(yōu)化方案。