一種考慮飛行品質(zhì)的直升機(jī)總體設(shè)計方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種考慮飛行品質(zhì)的直升機(jī)總體設(shè)計方法，屬于直升機(jī)設(shè)計【技術(shù)領(lǐng)域】。所述設(shè)計方法將任務(wù)科目基元對直升機(jī)位置和姿態(tài)的限制處理為其狀態(tài)量的路徑約束，以完成任務(wù)科目基元所需時間和操縱速率的時間歷程積分為目標(biāo)函數(shù)，建立了直升機(jī)機(jī)動飛行仿真的軌跡優(yōu)化模型；以完成任務(wù)科目基元所需時間作為直升機(jī)飛行品質(zhì)評估的量化值指標(biāo)，并將其作為飛行品質(zhì)約束加入到直升機(jī)總體設(shè)計框架中。應(yīng)用本發(fā)明提供的設(shè)計方法可以在直升機(jī)研制初始階段進(jìn)行總體布局和確定設(shè)計參數(shù)時就考慮飛行品質(zhì)，使之達(dá)到規(guī)范的要求；適用范圍廣，軌跡優(yōu)化模型的目標(biāo)函數(shù)充分體現(xiàn)了飛行品質(zhì)的內(nèi)在含義。
【專利說明】一種考慮飛行品質(zhì)的直升機(jī)總體設(shè)計方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于直升機(jī)設(shè)計【技術(shù)領(lǐng)域】，具體涉及一種考慮飛行品質(zhì)約束的直升機(jī)總體設(shè)計方法，在直升機(jī)研制初始階段進(jìn)行總體布局和確定設(shè)計參數(shù)時可用于改善飛行品質(zhì)。
【背景技術(shù)】
[0002]直升機(jī)以其獨特的垂直起降和空中懸停能力在國土防御和經(jīng)濟(jì)建設(shè)領(lǐng)域得到了日益廣泛的應(yīng)用。不同的任務(wù)需求對直升機(jī)的飛行品質(zhì)有著不同的要求，例如武裝直升機(jī)在執(zhí)行空戰(zhàn)格斗、貼地隱蔽飛行時對機(jī)動性要求較高，而通用直升機(jī)在搶險救人、外吊掛飛行時則要求有較好的穩(wěn)定性。相比于固定翼飛機(jī)，直升機(jī)的飛行品質(zhì)較差，但使用任務(wù)又要求其具有較好的飛行品質(zhì)。因此，飛行品質(zhì)已經(jīng)成為現(xiàn)代直升機(jī)設(shè)計的主要性能指標(biāo)之一。
[0003]為了判定直升機(jī)的飛行品質(zhì)等級，美國陸軍制定了較為完善的航空設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)“ADS-33E-PRF軍用旋翼飛行器駕駛品質(zhì)要求”。該規(guī)范根據(jù)直升機(jī)的預(yù)定使命，從需要執(zhí)行的任務(wù)中提煉出了 23種有待試飛的任務(wù)科目基元(MTE，Mission Task Element)，涵蓋了從有限機(jī)動性到迅猛機(jī)動性的全部飛行科目，并對每種MTE都給出了性能指標(biāo)要求和詳細(xì)說明。ADS33E-PRF規(guī)定每一種任務(wù)科目基元至少由三名駕駛員分別完成試飛，并根據(jù)Cooper-Harper評級規(guī)定各自給出主觀評定值，然后取其平均值作為該任務(wù)科目基元的評級結(jié)果。傳統(tǒng)的直升機(jī)飛行品質(zhì)評估方法普遍采用逆仿真方法，該方法的基本原理是根據(jù)飛行品質(zhì)規(guī)范中定義的任務(wù)科目基元預(yù)先設(shè)定飛行軌跡，結(jié)合直升機(jī)飛行動力學(xué)方程，利用逆仿真算法來反求操縱輸入量。但是逆仿真技術(shù)在飛行品質(zhì)評估應(yīng)用中尚存在以下不足:(I)逆解算法的收斂性嚴(yán)重依賴于預(yù)先設(shè)定的飛行軌跡，不合理的預(yù)定軌跡直接導(dǎo)致求解過程發(fā)散；(2)對于精確的任務(wù)科目基元的品質(zhì)準(zhǔn)則來說，預(yù)定軌跡就是衡量飛行品質(zhì)的指標(biāo)，無法體現(xiàn)直升機(jī)設(shè)計參數(shù)對飛行品質(zhì)的影響；(3)飛行品質(zhì)規(guī)范中規(guī)定的許多任務(wù)科目基元是無法給出具體的數(shù)學(xué)描述的，而且逆解法也難以考慮不同環(huán)境感知度等級對飛行品質(zhì)的影響。采用逆仿真技術(shù)進(jìn)行飛行品質(zhì)評估研究難度較大，對于ADS-33E-PRF中的主觀評定，目前還是主要依靠駕駛員在地面模擬器上進(jìn)行仿真及試飛工作來評估。此夕卜，傳統(tǒng)的直升機(jī)總體設(shè)計并未考慮飛行品質(zhì)的要求，一般只能在原型機(jī)生產(chǎn)出來之后進(jìn)行評估，得到的評價是對全機(jī)的結(jié)論，難以找出同直升機(jī)總體參數(shù)的對應(yīng)關(guān)系，也就無法用來事先指導(dǎo)設(shè)計。因此，為了使直升機(jī)具有較好的飛行品質(zhì)，發(fā)展一種新的飛行品質(zhì)評估方法，并按照飛行品質(zhì)規(guī)范要求進(jìn)行直升機(jī)總體設(shè)計是十分必要的。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]針對傳統(tǒng)的飛行品質(zhì)評估方法和直升機(jī)總體設(shè)計方法的不足，本發(fā)明提出了一種考慮飛行品質(zhì)的直升機(jī)總體設(shè)計方法，將任務(wù)科目基元對直升機(jī)位置和姿態(tài)的限制處理為其狀態(tài)量的路徑約束，以完成任務(wù)科目基元所需時間和操縱速率的時間歷程積分為目標(biāo)函數(shù)，建立了直升機(jī)機(jī)動飛行仿真的軌跡優(yōu)化模型，該模型從本質(zhì)上講是一個最優(yōu)控制問題，求解此問題即可實現(xiàn)對任務(wù)科目基元的數(shù)值仿真。以完成任務(wù)科目基元所需時間作為直升機(jī)飛行品質(zhì)評估的量化值指標(biāo)，并將其作為飛行品質(zhì)約束加入到直升機(jī)總體設(shè)計框架中。應(yīng)用本發(fā)明提供的設(shè)計方法可以在直升機(jī)研制初始階段進(jìn)行總體布局和確定設(shè)計參數(shù)時就考慮飛行品質(zhì)，使之達(dá)到規(guī)范的要求。
[0005]本發(fā)明的技術(shù)解決方案:一種考慮飛行品質(zhì)的直升機(jī)總體設(shè)計方法，通過如下步驟實現(xiàn):
[0006]( I)根據(jù)任務(wù)需求，結(jié)合現(xiàn)有直升機(jī)數(shù)據(jù)庫采用統(tǒng)計分析方法得到初步設(shè)計方案，選擇直升機(jī)總體布局和結(jié)構(gòu)參數(shù)作為設(shè)計變量，在初步設(shè)計方案基礎(chǔ)之上選擇±50%作為設(shè)計變量的上限和下限。
[0007]( 2 )建立直升機(jī)總體優(yōu)化設(shè)計模型。
[0008]以重量效率、需用功率等指標(biāo)作為目標(biāo)函數(shù)，并在飛行性能、重量要求等約束的基礎(chǔ)上增加以完成任務(wù)科目基元所需時間作為飛行品質(zhì)約束，建立改善飛行品質(zhì)的直升機(jī)總體優(yōu)化設(shè)計模型。其中完成任務(wù)科目基元所需時間是由本發(fā)明提出的基于軌跡優(yōu)化策略仿真方法得到的；
[0009](3)對得到的直升機(jī)總體優(yōu)化設(shè)計模型進(jìn)行求解，輸出直升機(jī)最優(yōu)的總體設(shè)計方案。
[0010]本發(fā)明采用基于軌跡優(yōu)化策略仿真方法建立了直升機(jī)機(jī)動飛行仿真的最優(yōu)控制問題框架。將任務(wù)科目基元對直升機(jī)位置和姿態(tài)的限制處理為對其狀態(tài)量的路徑約束，簡化了任務(wù)科目基元的數(shù)學(xué)描述工作。所述基于軌跡優(yōu)化策略仿真方法中，以完成任務(wù)科目基元所需時間和操縱速率的時間歷程積分作為軌跡優(yōu)化模型的目標(biāo)函數(shù)，充分體現(xiàn)了飛行品質(zhì)所包含的兩方面的含義:完成預(yù)定任務(wù)科目基元的時間大小反映了直升機(jī)能夠完成任務(wù)科目基元的質(zhì)量，它與直升機(jī)的基本操穩(wěn)特性有關(guān)；飛行過程中操縱速率的時間歷程積分表征著操縱動作的量值和頻繁程度，反映了駕駛員負(fù)荷的大小。此外，由于飛行品質(zhì)規(guī)范中對完成任務(wù)科目基元所需時間做出了明確要求，以此為飛行品質(zhì)約束加入到直升機(jī)總體優(yōu)化設(shè)計模型中，提出了一種改善飛行品質(zhì)的直升機(jī)總體設(shè)計方法，應(yīng)用此方法可以在直升機(jī)研制初始階段進(jìn)行總體布局和確定設(shè)計參數(shù)時就考慮飛行品質(zhì)約束，使之達(dá)到規(guī)范的要求。
[0011]本發(fā)明的優(yōu)點在于:
[0012](I)本發(fā)明提出的基于軌跡優(yōu)化策略的機(jī)動飛行仿真方法無需預(yù)先設(shè)定軌跡，只需根據(jù)任務(wù)科目基元設(shè)定路徑約束，適用范圍廣，軌跡優(yōu)化模型的目標(biāo)函數(shù)充分體現(xiàn)了飛行品質(zhì)的內(nèi)在含義。
[0013](2)本發(fā)明提出的考慮飛行品質(zhì)的直升機(jī)總體設(shè)計方法在現(xiàn)有的直升機(jī)總體優(yōu)化設(shè)計模型基礎(chǔ)上，首次提出以完成任務(wù)科目基元所需時間作為飛行品質(zhì)約束，在直升機(jī)研制初期階段考慮飛行品質(zhì)，使之達(dá)到飛行品質(zhì)規(guī)范要求。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0014]圖1是本發(fā)明提供的考慮飛行品質(zhì)約束的直升機(jī)總體設(shè)計方法流程圖；
[0015]圖2是本發(fā)明中任務(wù)科目基元仿真流程圖。
【具體實施方式】[0016]下面結(jié)合附圖和實施例對本發(fā)明提供的設(shè)計方法進(jìn)行詳細(xì)說明。
[0017]如圖1所示為本發(fā)明的考慮飛行品質(zhì)的直升機(jī)總體設(shè)計方法流程圖，所述總體設(shè)計方法的具體設(shè)計步驟如下:
[0018]第一步，根據(jù)任務(wù)需求，結(jié)合現(xiàn)有直升機(jī)數(shù)據(jù)庫采用統(tǒng)計分析方法得到初步設(shè)計方案，選擇直升機(jī)總體布局和結(jié)構(gòu)參數(shù)作為設(shè)計變量，在初步方案基礎(chǔ)之上選擇±50%作為設(shè)計變量的上限和下限。
[0019]第二步，建立直升機(jī)總體優(yōu)化設(shè)計模型。
[0020]以重量效率、需用功率等指標(biāo)作為目標(biāo)函數(shù)，并在飛行性能、重量要求等約束的基礎(chǔ)上增加完成任務(wù)科目基元所需時間作為飛行品質(zhì)的約束函數(shù)，建立改善飛行品質(zhì)的直升機(jī)總體優(yōu)化設(shè)計模型。
[0021]本發(fā)明在考慮飛行品質(zhì)的直升機(jī)總體設(shè)計方法中，首次建立了基于軌跡優(yōu)化策略的直升機(jī)機(jī)動飛行仿真方法，提出了針對ADS-33E-PRF中任務(wù)科目基元的量化指標(biāo)，以此作為飛行品質(zhì)約束函數(shù)建立了一套新的考慮飛行品質(zhì)的直升機(jī)總體設(shè)計方法。下面對本發(fā)明提出的基于軌跡優(yōu)化策略的直升機(jī)機(jī)動飛行仿真方法進(jìn)行詳細(xì)說明。
[0022]本發(fā)明采用數(shù)值仿真的方法得到直升機(jī)完成任務(wù)科目基元所需時間，并以此作為總體優(yōu)化設(shè)計中的飛行品質(zhì)約束。如圖2所示，首先根據(jù)直升機(jī)的預(yù)定使命選定需要試飛的任務(wù)科目基元，然后根據(jù)飛行品質(zhì)規(guī)范中的定義設(shè)置路徑約束，結(jié)合直升機(jī)高置信度飛行動力學(xué)模型以及由直升機(jī)性能轉(zhuǎn)化得到的邊界約束建立任務(wù)科目基元仿真的軌跡優(yōu)化模型，最后采用現(xiàn)有的多重打靶、偽譜法或配點法等方法求解該軌跡優(yōu)化模型，得到完成任務(wù)科目基元的實際飛行時間，作為飛行品質(zhì)量化指標(biāo)。直升機(jī)機(jī)動飛行仿真的軌跡優(yōu)化模型如下所示:
[0023]目標(biāo)函數(shù):
【權(quán)利要求】
1.一種考慮飛行品質(zhì)的直升機(jī)總體設(shè)計方法，其特征在于:所述方法包括如下步驟: 第一步，根據(jù)任務(wù)需求，結(jié)合現(xiàn)有直升機(jī)數(shù)據(jù)庫采用統(tǒng)計分析方法得到初步設(shè)計方案，選擇直升機(jī)總體布局和結(jié)構(gòu)參數(shù)作為設(shè)計變量，在初步設(shè)計方案基礎(chǔ)之上選擇±50%作為設(shè)計變量的上限和下限； 第二步，建立直升機(jī)總體優(yōu)化設(shè)計模型； 以重量效率、需用功率指標(biāo)作為目標(biāo)函數(shù)，并在初步設(shè)計方案基礎(chǔ)上增加以完成任務(wù)科目基元所需時間作為飛行品質(zhì)約束，建立改善飛行品質(zhì)的直升機(jī)總體優(yōu)化設(shè)計模型；第三步，對得到的直升機(jī)總體優(yōu)化設(shè)計模型進(jìn)行求解，輸出直升機(jī)最優(yōu)的總體設(shè)計方案。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種考慮飛行品質(zhì)的直升機(jī)總體設(shè)計方法，其特征在于:所述的完成任務(wù)科目基元所需時間通過如下方法得到: 首先根據(jù)直升機(jī)的預(yù)定使命選定需要試飛的任務(wù)科目基元，然后根據(jù)飛行品質(zhì)規(guī)范中的定義設(shè)置路徑約束，結(jié)合直升機(jī)高置信度飛行動力學(xué)模型以及由直升機(jī)性能轉(zhuǎn)化得到的邊界約束建立任務(wù)科目基元仿真的軌跡優(yōu)化模型，最后采用現(xiàn)有的多重打靶、偽譜法或配點法求解該軌跡優(yōu)化模型，得到完成任務(wù)科目基元的實際飛行時間，作為飛行品質(zhì)量化指標(biāo)，所以完成任務(wù)科目基元所需時間滿足下式:
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種考慮飛行品質(zhì)的直升機(jī)總體設(shè)計方法，其特征在于:所述的軌跡優(yōu)化模型如下所示: 目標(biāo)函數(shù):
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種考慮飛行品質(zhì)的直升機(jī)總體設(shè)計方法，其特征在于:所述的直升機(jī)總體優(yōu)化設(shè)計模型的數(shù)學(xué)模型如下所示: 設(shè)計變量:X = (X1, χ2,…，χn)t
【文檔編號】G05B13/04GK103823380SQ201410094057
【公開日】2014年5月28日 申請日期:2014年3月14日 優(yōu)先權(quán)日:2014年3月14日
【發(fā)明者】向錦武, 孟少華, 任毅如, 羅漳平, 莊南劍 申請人:北京航空航天大學(xué)