滚转轴操纵灵敏度与动稳定性分析

林轶群，方自力，董亚鹏

(1.中国飞行试验研究院 飞机所，陕西 西安710089;2.中国飞行试验研究院 试飞员学院，陕西 西安710089)

0 引言

随着现代电传飞机的快速发展，高增益的控制系统导致飞机模态趋于复杂化。高增益电传飞机滚转轴操纵特性和动态稳定性在飞行品质鉴定试飞中占有重要地位。国内外的飞行品质规范指出:飞机横向滚转特性采用等效滚转模态时间常数来表征，它描述了飞机的滚转阻尼特性［1-2］。滚转阻尼可以用一阶滚转模态时间常数τR表示。国军标中对τR的最大值作出了明确规定［3］。利用试飞数据，采用低阶等效系统方法可以计算得到飞机的滚转模态时间常数。但是仅仅使用最大值限制来评定滚转模态飞行品质等级的方法是不完备的。国内关于τR值过低对飞行品质的影响并没有进行深入的研究。本文针对某型电传飞机横向飞行品质，深入剖析了τR值过小对于飞机滚转轴飞行品质的影响以及导致飞行员评分降低的原因，并且提出了改进方案和建议，为提高电传飞机飞行品质试飞效率和飞机操纵性提供了有力的技术支持。

1 滚转模态飞行品质指标

对于飞机滚转模态的评价，采用的是τR，GJB-185-1986和GJB-2874-97中明确规定了τR各个标准等级的上限值，见表1。

表1 滚转模态时间常数规范要求Table 1 Required value of roll mode time constant(s)

标准中关于滚转模态时间常数的评价规定:只要飞机的τR没有超过各等级上限值，则认为飞机滚转模态时间常数符合国军标标准，这与飞行员评分是一致的，在飞行试验中也得到了很好的应用。

从表1中可以看出，只要飞机的τR＜1.0 s或1.4 s，飞机品质均可以评定为满足1级标准，并没有下限规定。但是当τR过低时，驾驶员评分就会发生普遍降低，认为飞机滚转品质下降。针对这一现象，进行分析和研究后发现:当τR低于1/3 s后，驾驶员集中反映横向响应过分剧烈，有锯齿状滚转现象。图1具体给出了过小的τR与驾驶员评分之间的关系。图2则给出了MIL-HDBK-1797中某飞机的τR过低时，横向操纵出现锯齿状滚转现象的典型例子［4-5］，图中，实线为有锯齿状，虚线为无锯齿状。

图1 驾驶员评分随τR的变化Fig.1 Pilot evaluation with τR

图2 有无锯齿状滚转时间历程对比Fig.2 Time history plots of roll with ratcheting and without ratcheting

从图2中可以看出，锯齿状滚转的特点是出现介于频率2～3 Hz之间类似于极限环的振荡，其频率值远远高于滚转轴驾驶员的操纵频率。

2 原因及解决方法

滚转角速率对横向杆力的传递函数如下所示:

增益为:

由公式可以看出，如果τR较小，则会产生较大的G(ω)，因此在驾驶员做横向小幅值高频(＞10 rad/s)操纵时，经过传递函数增益的作用，有可能产生超出预期的滚转角速率响应。

分析τR过低造成飞行品质评价降低的原因为:(1)飞机在高频区域具有很大的操纵增益，即过大的驾驶杆操纵灵敏度;(2)驾驶员由于感受到横向加速度的急剧变化，会产生“配重”反馈作用给飞机，造成驾驶员操纵超前或滞后，从而导致飞机闭环不稳定，这与驾驶员诱发振荡类似。

解决问题的方法有以下三种:(1)减小中立位置附近的滚转操纵灵敏度;(2)调整控制律中的相关系数，减小飞机的1/τR;(3)增加一个截止频率至少为10 rad/s的低通杆前置滤波器。

其中，方法(2)，改变控制律系数，虽然可以直接增大τR，但有可能同时改变飞机其他品质指标，相对比较复杂;方法(3)，增加杆前置滤波器可以减少锯齿现象，其效果是平滑了驾驶员的输入，减少了飞机横向响应中的高频分量。但是这并不能实际解决飞机灵敏度的问题，而且前置滤波器有可能会增加一个可观的横向操纵等效时间延迟。因此，在实际工程应用中，采用方法(1)比较简单有效，只是稍微减小操纵灵敏度，却能够使得飞行员评分提高很多，也适当增大了τR。

下面具体介绍方法(1):滚转操纵灵敏度是飞机横向阶跃操纵响应达到稳态时滚转角速率p和横向杆力Fa的比值:p/Fa。图3给出了MIL-HDBK-1797中评价滚转操纵灵敏度的标准。

该方法采用的是非线性杆力成形网络，而不再是GJB-185-1986中的线性标准。对应不同的输入幅值，滚转灵敏度的要求值是非线性变化的，即对滚转灵敏度有了更细致的区域划分和适合度要求。依据图3可以进行飞机滚转操纵灵敏度调整，使其落在满足驾驶员评价满意的区域。

图3 建议的非线性滚转操纵灵敏度杆力成形网络Fig.3 Stick force shaping networks for recommended nonlinear roll control sensitivity

3 飞行试验

在某型电传飞机(II类)实际试飞中，驾驶员采用横向小杆量操纵激发飞机的滚转模态时，出现了锯齿滚转现象，通过理论分析并与设计方讨论，选取上述方法(1)来解决，试飞结果如下。

利用低阶等效系统辨识得到飞机未调整之前的滚转模态常数，结果如表2所示。

表2 滚转模态时间常数值Table 2 Values of roll mode time constant

从表2中可以看出，τR＜1.4 s，满足表1规范中国军标的1级标准，但是多个飞行员试飞后给出的评述却认为:在空中进行横侧小杆量操纵时，感觉有过强的横向突变性，在执行精确跟踪等任务时，飞机滚转品质有所降低。

选取横向阶跃操纵的试验数据进行检验发现:小杆量操纵时，杆力灵敏度(p，Fa)落于图3中的“过于灵敏、锯齿”区域。

根据试飞员评述和表2结果，调整了滚转杆力梯度，主要减小了飞控系统小杆量()输入时的稳态滚转角速率，如图4所示。

图4 杆力梯度曲线对比Fig.4 Comparison of stick force gradient curves

调整前后的滚转操纵灵敏度对比如图5所示。滚转飞行时间历程曲线对比如图6和图7所示。飞行状态为V=550 km/h，H=5 km。

由图5可看出，在杆力小于23 N时，(p，Fa)位置由原来的过灵敏区变化为适中区。由图6和图7可看出，调整后飞机锯齿滚转现象消失。进一步计算调整后的等效系统滚转模态时间常数，可以得到τR值提高到了0.4～0.5 s，飞行员评述变为:横向响应适中，跟随性好。

因此，飞行试验证明:减小中立位置附近的滚转操纵灵敏度可以有效提高飞行品质，解决飞机锯齿滚转现象。

图5 调整前后的滚转操纵灵敏度对比Fig.5 Roll axis control sensitivity values of improved and unimproved stick force gradien

图6 调整前飞机滚转时间历程Fig.6 Time history plots of airplane roll mode with unimproved sensitivity

图7 调整后的飞机滚转时间历程Fig.7 Time history plots of airplane roll mode with improved sensitivity

4 结论

本文从国军标出发，深入研究了滚转模态和滚转操纵灵敏度在飞行品质评价中的作用。根据理论分析和飞行验证得到以下结论:

(1)滚转模态时间常数过小对滚转轴飞行品质有不利影响;

(2)通过调整滚转操纵灵敏度来提高滚转模态时间常数，可以避免锯齿状滚转现象的产生，提高了飞行品质。

［1］ 高金源，李陆豫，冯亚昌.飞机飞行品质［M］.北京:国防工业出版社，2003:98-103.

［2］ 方振平，陈万春，张曙光.航空飞行器飞行动力学［M］.北京:北京航空航天大学出版社，2005:324-346.

［3］ 中国人民解放军空军，航空工业部.GJB-185-1986有人驾驶飞机(固定翼)飞行品质［S］.北京:国防科学技术工业委员会，1987.

［4］ 中国航空工业总公司.GJB-2874-97 电传操纵系统飞机的飞行品质［S］.北京:国防科学技术工业委员会，1997.

［5］ Department of Defense.MIL-HDBK-1797A Handbook flying qualities of piloted aircraft［S］.USA:Department of Defense，1997.