直升機(jī)單臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)失效后飛行軌跡優(yōu)化研究與應(yīng)用.pdf

1、發(fā)動(dòng)機(jī)失效是引發(fā)直升機(jī)飛行事故的最主要原因之一。據(jù)國外權(quán)威部門統(tǒng)計(jì)，每一萬飛行小時(shí)中約有一次發(fā)動(dòng)機(jī)失效出現(xiàn)。發(fā)動(dòng)機(jī)失效后如何保證直升機(jī)的飛行安全一直是直升機(jī)飛行安全性研究的關(guān)鍵。為了保證航空器的飛行安全性，世界各國相繼制定了民用航空器適航管理?xiàng)l例。針對(duì)單臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)失效后直升機(jī)的安全飛行問題，本文開展了基于最優(yōu)控制理論的飛行軌跡優(yōu)化與操縱策略研究，建立了直升機(jī)起飛決斷點(diǎn)和低速高度－速度曲線以及非平靜大氣條件下直升機(jī)城區(qū)起降安全性的軌跡優(yōu)化分

2、析方法，為確保直升機(jī)飛行安全提供理論依據(jù)。
　　目前二維點(diǎn)質(zhì)量模型和縱向三自由度剛體模型被廣泛用于研究直升機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)失效后的飛行軌跡優(yōu)化問題。本文建立了兩種不同復(fù)雜程度旋翼氣動(dòng)力的六自由度三維剛體飛行動(dòng)力學(xué)模型以提高直升機(jī)單臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)失效后飛行軌跡和操縱的預(yù)測(cè)精度。其中模型I采用準(zhǔn)定常均勻入流模型和準(zhǔn)定常揮舞運(yùn)動(dòng)模型、非定常揮舞運(yùn)動(dòng)模型，模型II采用單片槳葉揮舞動(dòng)力學(xué)模型和動(dòng)態(tài)入流模型。兩種模型都計(jì)及渦環(huán)邊界條件和地面效應(yīng)，并采用發(fā)動(dòng)

3、機(jī)輸出功率的一階響應(yīng)動(dòng)力學(xué)方程，形成了分析直升機(jī)單臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)失效后飛行過程的動(dòng)力學(xué)顯式微分方程，為準(zhǔn)確預(yù)測(cè)直升機(jī)安全飛行軌跡和操縱策略奠定基礎(chǔ)。
　　針對(duì)兩種不同的飛行動(dòng)力學(xué)模型，分別采用直接轉(zhuǎn)換法和直接多重打靶法、直接混合打靶法進(jìn)行直升機(jī)單臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)失效后飛行軌跡優(yōu)化問題的研究。通過選擇合理的性能指標(biāo)、路徑約束和邊界條件，并考慮操縱延遲效應(yīng)，構(gòu)建飛行軌跡優(yōu)化對(duì)應(yīng)的非線性最優(yōu)控制問題。為了獲得良好的計(jì)算效率和收斂速度，對(duì)最優(yōu)控制問題及

4、其狀態(tài)變量和控制變量進(jìn)行適當(dāng)?shù)責(zé)o量綱化與縮放處理。在此基礎(chǔ)上，利用非線性規(guī)劃方法計(jì)算最優(yōu)控制問題得到最優(yōu)飛行軌跡和操縱。
　　基于上述模型和算法，建立了直升機(jī)單臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)失效后的自轉(zhuǎn)著陸最優(yōu)控制問題數(shù)學(xué)模型。以UH-60A直升機(jī)為例，計(jì)算得到了自轉(zhuǎn)著陸過程的最優(yōu)飛行軌跡及操縱，并將懸停和前飛狀態(tài)下單臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)失效后的最優(yōu)自轉(zhuǎn)著陸過程與飛行試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，驗(yàn)證了本文分析方法的有效性與正確性。與二維點(diǎn)質(zhì)量模型和縱向三自由度剛體模型相比，

5、研究結(jié)果表明本文模型能夠得到更真實(shí)的最優(yōu)飛行軌跡和操縱策略。
　　利用已驗(yàn)證的自轉(zhuǎn)著陸分析方法，根據(jù)最小化回避區(qū)面積的思想預(yù)測(cè)了不同總重的直升機(jī)單臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)失效的低速高度－速度曲線，分別給出了高懸停點(diǎn)、拐點(diǎn)和低懸停點(diǎn)處的最優(yōu)自轉(zhuǎn)著陸過程中的空間位置和姿態(tài)、三維速度和角速度、旋翼轉(zhuǎn)速以及操縱輸入的變化歷程，為低空低速飛行中直升機(jī)單臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)失效后安全著陸提供了理論分析手段。
　　在自轉(zhuǎn)著陸軌跡優(yōu)化的基礎(chǔ)上，發(fā)展了直升機(jī)單臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)失

6、效后的取消起飛和繼續(xù)起飛最優(yōu)控制問題數(shù)學(xué)模型。根據(jù)場(chǎng)地平衡標(biāo)準(zhǔn)和能量最小標(biāo)準(zhǔn)確定了直升機(jī)短距起飛決斷點(diǎn)，根據(jù)重量平衡標(biāo)準(zhǔn)和能量最小標(biāo)準(zhǔn)確定了直升機(jī)垂直起飛決斷點(diǎn)。通過大量的數(shù)值仿真試驗(yàn)研究了不同初始飛行條件和直升機(jī)參數(shù)對(duì)取消起飛和繼續(xù)起飛的最優(yōu)飛行軌跡及操縱策略的影響，為直升機(jī)在不同起飛過程中出現(xiàn)單臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)失效的安全飛行提供了處置依據(jù)。
　　基于城區(qū)平均風(fēng)場(chǎng)數(shù)據(jù)和Dryden大氣紊流模型，發(fā)展了城區(qū)風(fēng)場(chǎng)中的直升機(jī)飛行動(dòng)力學(xué)模型，建