[发明专利]一种考虑飞行品质的直升机总体设计方法

说明书

技术领域

本发明属于直升机设计技术领域，具体涉及一种考虑飞行品质约束的直升机总体设计方法，在直升机研制初始阶段进行总体布局和确定设计参数时可用于改善飞行品质。

背景技术

直升机以其独特的垂直起降和空中悬停能力在国土防御和经济建设领域得到了日益广泛的应用。不同的任务需求对直升机的飞行品质有着不同的要求，例如武装直升机在执行空战格斗、贴地隐蔽飞行时对机动性要求较高，而通用直升机在抢险救人、外吊挂飞行时则要求有较好的稳定性。相比于固定翼飞机，直升机的飞行品质较差，但使用任务又要求其具有较好的飞行品质。因此，飞行品质已经成为现代直升机设计的主要性能指标之一。

为了判定直升机的飞行品质等级，美国陆军制定了较为完善的航空设计标准“ADS-33E-PRF军用旋翼飞行器驾驶品质要求”。该规范根据直升机的预定使命，从需要执行的任务中提炼出了23种有待试飞的任务科目基元（MTE，Mission Task Element），涵盖了从有限机动性到迅猛机动性的全部飞行科目，并对每种MTE都给出了性能指标要求和详细说明。ADS33E-PRF规定每一种任务科目基元至少由三名驾驶员分别完成试飞，并根据Cooper-Harper评级规定各自给出主观评定值，然后取其平均值作为该任务科目基元的评级结果。传统的直升机飞行品质评估方法普遍采用逆仿真方法，该方法的基本原理是根据飞行品质规范中定义的任务科目基元预先设定飞行轨迹，结合直升机飞行动力学方程，利用逆仿真算法来反求操纵输入量。但是逆仿真技术在飞行品质评估应用中尚存在以下不足：（1）逆解算法的收敛性严重依赖于预先设定的飞行轨迹，不合理的预定轨迹直接导致求解过程发散；（2）对于精确的任务科目基元的品质准则来说，预定轨迹就是衡量飞行品质的指标，无法体现直升机设计参数对飞行品质的影响；（3）飞行品质规范中规定的许多任务科目基元是无法给出具体的数学描述的，而且逆解法也难以考虑不同环境感知度等级对飞行品质的影响。采用逆仿真技术进行飞行品质评估研究难度较大，对于ADS-33E-PRF中的主观评定，目前还是主要依靠驾驶员在地面模拟器上进行仿真及试飞工作来评估。此外，传统的直升机总体设计并未考虑飞行品质的要求，一般只能在原型机生产出来之后进行评估，得到的评价是对全机的结论，难以找出同直升机总体参数的对应关系，也就无法用来事先指导设计。因此，为了使直升机具有较好的飞行品质，发展一种新的飞行品质评估方法，并按照飞行品质规范要求进行直升机总体设计是十分必要的。

发明内容

针对传统的飞行品质评估方法和直升机总体设计方法的不足，本发明提出了一种考虑飞行品质的直升机总体设计方法，将任务科目基元对直升机位置和姿态的限制处理为其状态量的路径约束，以完成任务科目基元所需时间和操纵速率的时间历程积分为目标函数，建立了直升机机动飞行仿真的轨迹优化模型，该模型从本质上讲是一个最优控制问题，求解此问题即可实现对任务科目基元的数值仿真。以完成任务科目基元所需时间作为直升机飞行品质评估的量化值指标，并将其作为飞行品质约束加入到直升机总体设计框架中。应用本发明提供的设计方法可以在直升机研制初始阶段进行总体布局和确定设计参数时就考虑飞行品质，使之达到规范的要求。

本发明的技术解决方案：一种考虑飞行品质的直升机总体设计方法，通过如下步骤实现：

（1）根据任务需求，结合现有直升机数据库采用统计分析方法得到初步设计方案，选择直升机总体布局和结构参数作为设计变量，在初步设计方案基础之上选择±50%作为设计变量的上限和下限。

（2）建立直升机总体优化设计模型。

以重量效率、需用功率等指标作为目标函数，并在飞行性能、重量要求等约束的基础上增加以完成任务科目基元所需时间作为飞行品质约束，建立改善飞行品质的直升机总体优化设计模型。其中完成任务科目基元所需时间是由本发明提出的基于轨迹优化策略仿真方法得到的；

（3）对得到的直升机总体优化设计模型进行求解，输出直升机最优的总体设计方案。