直升机机动飞行科目数学建模及机动特性研究-李建波.docx
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1、硕士学位论文 直升机机动飞行科目数学建模及机动特性研究 姓名:李建波 申请学位级别:硕士 专业:飞行器设计 指导教师:高正;陈仁良 20000301 摘要 乘方求极值的原理,建立了控制方程的逆解方法。结合直升机任务科目基元描述方法 的研究,在实际模拟过程中验证了方法的可行性,同时在模拟过程中积累了进一步 研究直升机机动科目数学建模方法及机动特性分析方法所必需的飞行模拟计算经 验 /其次根据美国 军 P旋翼飞行器驾驶品质要求 (ADS-33D) 当中所提供的 17种 机动飞行试验科目出了直升机飞行科目的数学建模方法。同时对有些机动科目 进行了较详细的描 最后结合实际机种 (UH-60A)和具体的
2、机动科目算例以及 ADS-33D中相应的品质 要求,对该机飞行品质的某些方面做出了评定。 本文的工作为进一步进行直升机的仿真研究积累了经验,提供了机动科目数学 模型库。同时对利用直升机飞行逆模拟进行基于 ADS-33D的直升机机动特性研究工 作及品质评定工作有一定的借鉴意义。 关键词:直升机,飞行逆模拟, ADS-33D, 机动性,灵活性,飞行品质等级评定。 ABSTRACT Based on the nonlinear flight dynamics model of helicopter, the nonlinear inverse solution technique of goveri
3、ng equation was established according to the mathematical principle of calssical finite-difference method for evaluating the extrem values of function. Through practical usage, the technique was proved to be stable and reliable. Aiming at modeling the MTEs (mission task element) provide in ADS-33D,
4、a general method was provided for modeling them by piecewise smooth function. Most of the MTEs were described well by the method. In order to validating the inverse simulation technique and the method for modeling the MTE, a sample helicopter, UH-60A, was taken as the object in this paper. Besides d
5、riving the UH-60A to fly the MTE defined beforehand successfully and getting the smooth “pUotlikeM control time history, a prelimimary result of assessing the handling quality of helicopter was given accordint to the calculation results of inverse simuation* This paper provides a model library of MT
6、Es in the ADS-33D and will be beneficial to those who do research work in the field of assessing the helicopter handling quality associated with ADS-33 by inverse simulation of helicopter flight. Key Words: helicopter, maneuverability, agility, inverse simulation, ADS-33D, Mission Task Elements, han
7、dling quality. 基本符号表 p, q, r 机体运动角速度 B, V 机体运动欧拉角 9 旋翼总矩 G is, 9 1。 旋翼纵横向周期变矩 尾桨总矩 Xe, Ye, Ze 直升机空间运动大地坐标系 Xb, Yb, Zb 直升机体轴系 U| V, w. 直升机体轴系线速度 Vx, Vy, Vz 直升机飞行速度 X 状态矢量 XD 预定的状态矢量 u 控制矢量 Up 由预定的状态矢量逆解出的控制矢量 Y 响应矢量 YD 预定的响应矢量 hhh 直升机状态方程积分求解送代时间步长 NRESP 直升机逆模拟约束时间间隔 Xo 总距杆操纵位移 Xc 驾驶杆横向操纵位移 Xs 驾驶杆纵向操
8、纵位移 Xp 尾桨总距操纵位移 Tmax 完成机动科目所需时间 聲 1二 ) 机动科目分段时间点 Q 快捷性参数 引言 直升机本身所具有的优于固定翼飞机的机动性和灵活性,使其在战区的应用日益 受到重视。世界各国都纷纷开始武装直升机的研制。武装直升机在海湾战争当中的卓 越表现,更使人们对武装直升机的重视达到了空前的髙度。人们己不再满足武装直升 机仅仅在战区执行地面目标攻击的任务,武装直升机在战区的空战能力及战术研究也 己经开始。因此对武装直升机的机动性和灵活性也提出了越来越高的要求。 八十年代中期以前,美国和西欧国家对直升机机动性能进行了大量的研究工作, 以适应武装直升机的发展需要。但是由于直升
9、机本身具有的复杂性 ,以及科技发展水平 的限制,到底什麽是直升机的机动性 (Maneuverability)和灵活性 (Agility)及其适当的评 价指标 ?它们同直升机的飞行品质 ( Flying Quality)和驾驶品质 (Handling Quality)到底 是什麽样的辩证关系?以及如何在设计之初和设计之中不断改进设计 ?对这样一系列问 题还没有一个统一的概念和认识。可以说对直升机机动性的研究议题很多、范围也很 广。其主要特点是,不同的研究人员基于自己的认识,从不同的侧面,寻找改善直升 机的机动性和灵活性的方法。虽然早在六十年代美、英、苏、北约先后颁布了军用直 升机的飞行品质规范或
10、设计标准,其中包括应用较广的美军标 MIL-H-8501A。 但随着 直升机在使用和技术两方面的发展,旧的 规范以不适用。 适应形势发展的需要,美国陆军在八十年代中期制订了航空设计标准 军用旋翼 飞行器驾驶品质要求 ADS-33美、英、力卩、德等国的许多专家参与了本标准的编制。 自该规范之后,直升机设计者对不同的概念终于有了比较统一的认识和评价方法。该 规范在结构框架、要求内容、具体指标和数据等许多方面都有所创新。而且历经近十 年的研究验证工作和不断的改进, 1994年 7月公布了其最新版本 ADS-33D。 该规范 的许多新内容、新指标反映了当代先进直升机的使用要求及技术特色,尤其针对高机
11、动性武装直升机规定了较为详细 的要求。同时也体现了现代旋翼飞行器的重要发展特 点。可以说该规范代表了当代直升机设计的最高水平,对它的研究和应用有利于不断 明确和加溁直升机设计者的认识。该规范己经用于美国下一代武装直升机 RAH-66 柯 曼琦 的研制,因此我们有必要结合 ADS-33D开展武装直升机机动性分析方法的研 究工作。同时我国也正在参考 ADS-33D对我国的 军用直升机飞行品质规范 GJB902-90 进行修订。我们试验室也己经同 602所合作开展直升机机动飞行性能计 算方法的研究工作。这一切都是本文研究工作的来源和依据 v 关于直升机 机动特性的分析研究方法,长期以来直升机设计研究
12、者基于自己的认 识,从不问的侧面提出了不 R的方法。这其中以英国格拉斯哥大学的 XXG,Thomson 和 R.BracUey为代表提出的逆解欧拉方程的研究方法最具吸引力。传统的研究方法大 都给直升机飞行动力学模型以正向操纵输入,通过研究其响应来研究直升机的机动特 性 .其主要缺点在于,面向越来越复杂的任务类型,很难预先给出相应的操纵规律。 即使能够给出操纵规律,也很难保证在计算过程中不发散。所谓 逆解 的方法就是 基于所要完成的机动科目的轨迹,给出相应的直升机完成该机动科目时状态变量的时 间变化历程作为约束条件。在正向求解直升机响应的过程中不断对比直升机状态参 量,同时据此不断修正直升机的操
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