基于规范背景分析的直升机纵向长周期模态试飞方法研究

摘 要：直升机纵向长周期模态是直升机前飞状态下的固有飞行模态，是指直升机受到扰动后呈现出的速度和迎角的周期振荡运动，在相关的飞行品质规范中对该模态有明确的指标要求，是新型直升机调整试飞和设计定型试飞中必须要进行的试飞科目之一。然而有关该模态的相关背景信息却鲜为人知。文章首先给出了该模态的规范要求，然后通过该模态的由来对相关规范要求的背景进行了分析，最后通过这些背景分析，给出了两种不同的试飞方法、数据处理方法和相关的注意事项。

关键词：直升机；纵向长周期模态；试飞方法；规范背景

引言

前飞状态下的直升机纵向长周期模态也称浮沉运动，它是由直升机的速度稳定性和迎角不稳定性决定的，当直升机的速度增大时，速度稳定性使直升机上仰、减速上升，迎角不稳定性使直升机因上升而低头，进而导致加速下冲，再由速度稳定性导致上仰、减速、上升，呈现速度、高度和姿态的周期变化[1]。

对于该模态飞行品质规范GJB902-1990要求如下：

等级1：对于周期大于20s的振荡，必须是稳定的；当周期小于20s时，振荡阻尼比应大于0.1。

等级2：对于周期大于10s的振荡，允许有轻微的不稳定，但倍幅时间不得小于10s；对于周期小于10s的任何振荡，必须是稳定的。

等级3：对于周期大于5s的任何振荡，其发散倍幅时间不应小于3.5s；当周期小于5s时，必须是稳定的。

美军标ADS-33E有关纵向模态的要求如下：纵向中等周期响应特性要求适用低于带宽频率的所有频率。只要座舱操纵机构脉冲输入之后任何振荡模态的有效阻尼比不小于ζ=0.35。

集中注意力飞行：中等周期响应应满足图1的限制要求。

分散注意力飞行：等级1：要求所有频率的响应都应稳定并且有效阻尼比不小于ζ=0.35，其余等级同图1。

1 规范背景研究

前飞状态下的纵向长周期模态是英国人兰切斯特最先发现的，当时他是通过理论计算发现固定翼飞机受扰后飞机得速度和迎角会随着时间周期振荡，于是他将他的计算结果和飞行员进行了沟通，然而，奇怪的是没有一个飞行员遇到过纵向长周期振荡模态这一现象，那么是什么原因导致飞行员们从来没有遇到过这一振荡模态呢。一个很重要的原因就是当时的飞机还比较落后，飞行员在执行任何任务时都需要集中注意力飞行即目视握杆飞行，而纵向长周期模态的振荡周期较长响应较为缓慢，因此，在振荡初期飞行员就已经发现了偏离平衡位置的趋势并进行了干预，阻止了该模态继续发展下去，因此大多数飞行员都没有遇到过长周期振荡模态这一现象。

然而随着飞控系统的发展，飞行器开始有了自动驾驶仪等辅助飞行设备，这就使得飞行员可以进行分散注意力飞行，因此对于需要长时间执行稳定直线平飞任务的直升机需要进行长周期模态的考核，这也就是GJB902-1990当中只有ⅡШ类直升机才需要进行该模态考核的原因。

美军标ADS-33E是目前最先进的直升机飞行品质规范，从图1可以看出在集中注意力飞行时对于大于12s的振荡模态，等级1允许该模态发散，因此相对于GJB902-1990美军标ADS-33E关于直升机前飞状态下的纵向长周期模态的要求是降低了的，而在分散注意力飞行状态下的要求确又高于GJB902-1990，那么为什么会有这样的规定呢？通过查阅ADS-33E试验指导可以知道，有关该模态的计算参数只需要俯仰角速度而没有纵向速度[2]，这实际上是在暗示满足该条规范要求的直升机在真实的飞行中是不会出现纵向长周期振荡模态的。

保证直升机具备这一能力的当然是飞行控制系统，现代直升机的飞行控制率设计大部分采用控制增稳方式，并且都有姿态保持功能，此外随着飞行控制系统的进一步提高尤其是电传飞控系统的出现，直升机的飞控权限得到进一步提高，因此通过飞行控制系统的设计可以解决直升机稳定性的问题，从而在一般的阵风扰动下直升机不会出现纵向长周期模态，这也是该条规范在美军标ADS-33E中被命名为操纵输入的中等周期响应的主要原因。

2 试飞方法

下面首先介绍考核纵向长周期模态相关规范要求的两种试飞方法、数据处理方法，然后介绍基于规范背景分析的相关注意事项。

方法一：首先选择需要考核的试验状态，一般情况下后重心、大重量是最为严苛的考核状态，然后选择所需考核的速度、高度，一般情况下根据该架直升机的典型任务剖面进行选择，如某型直升机的任务典型任务剖面中包含长时间的海高1000米平飞飞行，那么在飞行试验时，就应该选择在该高度进行。

在满足了上述条件之后，直升机进行稳定直线配平飞行，然后试飞员进行一个纵向座舱脉冲操纵输入用于模拟纵向阵风响应，脉冲结束后保持15～20s，如果在保持过程中直升机由于气动耦合导致滚转角或偏航角的变化则可以使用横向或航向操纵抑制该气动耦合响应，最后改出当前状态，进行下一个动作的准备工作，如此重复4-6次上述试飞动作，为该模态的飞行试验提供足够的数据样本量。

图2是纵向座舱操纵脉冲动作的示意图，其中的脉冲幅值和动作时间都可以根据直升机的响应作调整，一般如果响应较小没有激发出理想的效果则可以增加该脉冲的幅值或者脉冲时间，如果响应过大则可以对脉冲的幅值或者脉冲时间进行相应的减少。

试验所需要的测试数据有：速度、高度、重量、座舱纵向操纵位移、横向操纵位移、航向操纵位移、总矩操纵位移、滚转角速度、俯仰角速度、偏航角速度、纵向过载、横向过载、法向过载、滚转角、俯仰角、迎角、侧滑角。

获得试飞数据之后采用时域参数辨识方法对试飞数据进行处理，由于在试飞动作中通过横航向操纵抑制了纵横向的气动耦合现象因此可以采用纵、横向解耦的四阶小扰动方程（1），计算获得A阵中的未知系数，相关的时域参数辨识方法有很两种，最小二乘法、最大似然法[3]，这里就不具体介绍了，最后求取该矩阵A的特征值，其中的长周期振荡特征值就表示纵向长周期模态，根据该特征根的周期和频率就可以对直升机的纵向长周期模态进行等级评定。

方法二：试验条件同方法1，在满足试验条件后试飞员操纵直升机稳定配平直线飞行，然后推杆或拉杆使空速增加或减少10km/h，之后将纵杆带回配平位置固持所有操纵并观察直升机响应，或者在遇到纵横向耦合时，采用纵横向操纵抑制横航向响应并观察直升机的纵向通道响应。最后通过观察空速变化判断该模态是否收敛，如果收敛则采用峰值比法给出周期和阻尼比并对该模态进行等级评定。

图3为某型直升机的长周期模态试验结果，从试验结果可以看出该模态的振荡周期为10～14s，瞬态峰值比为0.5（点1比点2），查图4 可知该模态的阻尼比为0.21。

注意事项：根据规范背景分析可知，针对GJB902-1990进行该模态的考核时应该侧重在分散注意力飞行时的考核，推荐的考核条件是接通相关自动驾驶仪功能时进行考核，如单独接通接通气压高度保持、无线电高度保持、空速保持中其中的任一自驾功能进行飞行试验，并且考核的重点还应该放在考核直升机阵风响应。而针对美军标ADS-33E则不需要进行该模态的考核。

在运用上述两种方法进行飞行试验时，还应该关注两个问题，一是上述方法的试飞动作是否容易激发出长周期模态，二是在长周期模态振荡期间横航向的耦合情况如何。通过收集这两个问题的相关信息，可以预估执行相关任务的试飞员工作负荷。

此外上述两种方法的侧重点不同，方法一从数据处理方式来说侧重求取模型[4]，因此适合于在调整试飞中尤其是飞控调参试飞中运用该方法，而方法二从动作到数据处理都更加简单、方便适合于鉴定试飞。

3 结束语

文章给出了前飞状态下的直升机纵向长周期模态以及相关规范要求的背景分析，并结合这些分析结果给出了进行该模态飞行试验时应当注意的问题，通过这些注意事项首先可以使评价该模态的试飞方法更具有针对性，其次通过该方法获得的试飞数据可以为后续的使用试飞提供更多的数据支持。

参考文献

[1]高正，陈仁良.直升机飞行动力学[M].科学出版社，2003.

[2]刘选民.ADS-33E-PRF试验指南[S].中国飞行试验研究院，2014.

[3]蔡金狮.飞行器系统辨识[M].宇航出版社，1995.

[4]杨松山.直升机机动飞行时的响应特征和评定要求[S].中国飞行试验研究院，2002，3.

作者简介：曹嘉 （1985，7-），男，江西南昌人，研究生，工程师，研究方向：直升机飞行品质试飞。