直升机飞行品质等级数值认定方法研究

田洪源 鲁可 武上景 刘春生 李春华

摘要：针对直升机机动飞行品质评估，ADS-33E-PRF飞行品质规范设立了不同机动性要求的任务—科目—单元，这些任务—科目—单元为驾驶员试飞进行品质评定提供了相应的依据。同时，这种主观评定方法存在成本高、风险大、周期长且无法指导直升机前期设计等问题，采用数值分析的方法是解决这一问题的有效方式。本文在总结直升机机动飞行驾驶员主观评定方法的基础上，通过引入操纵量功率谱分析、驾驶员灵敏度函数以及驾驶员快捷性指标等相关技术手段，探讨直升机机动飞行品质等级数值认定方法。最后，通过数值仿真初步验证了方法的可行性。

关键词：机动飞行；驾驶员操纵负荷；驾驶员灵敏度函数；驾驶员快捷性；操縱量功率谱密度

中图分类号：V211文献标识码：ADOI：10.19452/j.issn1007-5453.2021.03.009

飞行品质和任务效能在现代直升机设计过程中的重要性越来越明显。现代战争快速机动、低空突防任务对直升机的飞行品质特别是机动飞行驾驶品质提出了更高的要求。为确保设计研制的直升机可安全飞行或不会出现因飞行品质的缺陷而影响执行预定任务能力的情况，各国相继颁布了直升机飞行品质规范并根据工程项目经验不断加以改进。其中，ADS-33系列规范是美国直升机工程经验积累的一个体现，集中反映了先进（军用）直升机飞行品质设计的要求，是直升机设计过程中飞行品质设计的指导性规范之一。ADS-33E-PRF是一种以任务为导向的直升机驾驶品质规范[1-2]，它要求承制方在设计过程中就应考虑不同迅猛程度的机动科目，并规定驾驶品质等级的最终确定须经过试飞员对规定的机动科目进行试飞评定。

飞行试验能够获得可靠的飞行数据并能够对飞行品质进行准确的评估，但是存在试飞风险大、成本高并且周期长等问题。采用数值模拟的方法进行直升机机动飞行驾驶品质评估可以减少设计成本，增强飞行安全，对直升机前期总体布局优化设计具有重要意义。该方法需要解决如下问题：（1）直升机执行机动飞行科目任务时状态量和操纵量的求解问题；（2）状态量和操纵量与飞行品质等级之间的映射问题。因此，本文针对机动飞行驾驶品质评估问题开展相关论述。

1直升机驾驶品质主观评定方法

ADS-33E-PRF品质规范将任务—科目—基元（MTE）、响应类型（RT）以及环境可知度（UCE）综合起来，设定品质等级要求。在驾驶品质评估的过程中，驾驶员是整个人-机闭环系统中的重要一环，既是整个闭环系统的感受器又是驱动器，只有通过驾驶员评估才能评价人-机系统性能与执行任务总的工作负荷的相互关系。如图1所示，库珀-哈珀（Cooper-Harper）驾驶品质评估准则从任务性能与驾驶员工作负荷两个方面定义了10个不同的评价尺度，该评估准则被广泛应用于驾驶品质评估中[3]。

ADS-33E-PRF飞行品质规范定义了23种任务—科目—基元，覆盖了从有限机动性到迅猛机动性的全部飞行科目，且每种机动科目都规定了相应的性能指标要求。规定至少由三名试飞员分别完成试飞，以完成任务时的精神需求、体力需求、情绪要求、努力度以及挫折程度等作为依据，按照Cooper-Harper评分标准进行飞行品质评价。

2直升机机动飞行驾驶品质数值评估方法

由驾驶品质主观评定方法中可知，任务性能和驾驶员工作负荷对直升机驾驶品质等级具有决定性的作用。因此，采用数值方法进行驾驶品质评定重点也是对这两部分进行量化，具体技术途径如图2所示。首先依据机动飞行科目定义和指标要求，进行直升机状态量和控制量求解，然后对状态量和控制量进行分析，提取其数据特征并建立数据特征和Cooper-Harper驾驶品质等级之间的映射关系，最后完成直升机机动飞行驾驶品质评估，下面对上述步骤进行论述。

2.1直升机机动飞行数值求解

直升机机动飞行数值求解的主要目的是得到符合驾驶员实际操纵情况的机动飞行状态量和操纵量的时间历程，这是进行驾驶员工作负荷量化的基础。逆仿真方法是直升机机动飞行数值模拟的有效手段[4-6]，从数学意义上来讲，逆仿真算法就是对直升机自由运动方程增加机动飞行科目提供的附加运动方程约束，使之具有唯一解。但是逆仿真这一类的方法很难考虑驾驶员作为感受器和驱动器的作用，也就是人-机闭环特性，所以结果的置信度不高，同样轨迹优化也存在类似的问题[7-8]。因此，从驾驶员操纵飞机的行为特性出发建立驾驶员数学模型，从动力学的角度来理解驾驶员如何完成预定的飞行任务，进一步解算出直升机机动飞行所需的状态量及操纵量显得更为合理，如图3所示，直升机飞行动力学数学模型、驾驶员数学模型以及直升机机动飞行科目导航指令生成算法是符合人机耦合特性的状态量及操纵量求解的三大组成部分。

直升机飞行动力学数学模型是整个直升机机动飞行驾驶品质评估工作的基础，G.D.Padfied将直升机飞行动力学数学模型可以分成三个级别，以供不同的分析任务需要[9]。其中，置信度为等级Ⅱ的飞行动力学模型可用于飞行包线附近飞行品质和性能参数的计算，也适合宽频带/高增益飞行控制系统设计、飞行模拟器和飞行品质评估等任务。因此，在进行直升机机动飞行品质分析中采用的直升机飞行动力学模型应该达到等级Ⅱ的标准。在选择特定的机动任务科目后，一般对其进行数学描述，进而得到直升机完成该任务科目所需要的指令[10-11]，将该指令作为驾驶员的控制目标。因此，驾驶员的建模成为该分析方法的关键。

直升机机动飞行时驾驶员的操纵是一个复杂的人-机系统相互配合和协调的过程。驾驶员的操纵动作通过飞行控制系统作为直升机的输入，驾驶员通过仪表显示等手段获得给定值与实际运动值之差，进一步通过中枢神经系统进行逻辑判断、决策，最后通过神经肌肉系统产生相应的操纵行为，从而构成一个闭环系统，整个流程如图4所示。

2.2驾驶员工作负荷量化

直升机的驾驶品质等级取决于飞行任务科目完成的精确度及驾驶员的工作负荷两个方面，其中飞行科目完成的精确度可以按照ADS-33E-PRF中的规定进行量化评估，但是从数值仿真中得到驾驶员的工作负荷是一个非常具有挑战性的工作。

驾驶员工作负荷是驾驶员在飞行过程中身体和精神方面所付出努力程度的一个度量。在执行某一特定的飞行任务时，驾驶员工作负荷由以下三个方面组成[12-14]。

（1）导航：长周期航线与高度控制

这部分飞行任务由于时间尺度较长，驾驶员不必高频率地进行操纵（操纵周期在100s左右），所以這部分对驾驶员工作负荷的贡献较小。

（2）制导：中等周期速度和位置控制

这部分飞行任务主要是完成地形跟踪和障碍规避等，驾驶员要求进行较高频率的操纵（操纵周期在10s左右），所以这个飞行任务段驾驶员的工作负荷明显增加。

（3）稳定：短周期姿态控制

这部分飞行任务中驾驶员工作负荷主要应用于调整飞行姿态以完成特定的机动动作，这时要求驾驶员注意力高度集中同时进行高频率的操纵（操纵周期在1s左右），所以这个飞行任务段是驾驶员工作负荷的重要组成部分。

在不同的飞行任务阶段，驾驶员会产生不同频率不同幅值的操纵量以控制飞行器按照任务要求进行飞行，由此可见驾驶员的操纵量和工作负荷之间存在一定的映射关系。飞行任务中驾驶员工作负荷分析可以采用操纵量频域分析、驾驶品质灵敏度函数以及操纵量快捷性指标等技术途径进行分析。

（1）操纵量频域分析

驾驶员操纵幅值越大、操纵频率越高则对应的工作负荷越大。如图5所示，图中三条功率谱曲线为三个操纵时间历程对应的功率谱变化曲线，功率谱曲线越往上移，驾驶员的工作负荷越高。由于实际操纵量具有一定的随机性造成不同品质等级操纵量在频谱图上有一定的重叠区域，所以在频谱图上绘出明确的品质等级线是比较困难的。但是，这种分析方法可以很好地定性分析不同操纵量的工作负荷，快速给出判断。

（2）驾驶品质灵敏度函数

通过分析大量飞行试验的驾驶员评级数据，Hess给出了如图6所示的基于驾驶品质灵敏度函数的品质等级边界，该边界限定了不同品质等级所允许的HQSF曲线最大取值，HQSF等级反映了驾驶员工作负荷的大小。

（3）操纵量快捷性指标

3数值仿真

数值仿真以黑鹰直升机为研究对象，如图9所示，通过飞行控制系统设计分别使其达到ADS-33滚转通道带宽指标等级1和等级2的标准。

Padfied团队在进行机动飞行品质研究中建立了类似于ADS-33E中的障碍滑雪任务科目单元，并开展了相应的飞行仿真试验[13]。飞行轨迹的仿真结果如果图10以及图11所示，可以看到，Case 2直升机的任务性能要比Case 1直升机的任务性能要差，并且Case 2直升机已经开始出现驾驶员诱发振荡（PIO）的倾向。

横向杆操纵量如图12所示。显然，在此飞行任务中Case 2直升机的操纵幅值和操纵频率比Case 1直升机要剧烈得多。

针对两个不同等级直升机的操纵时间历程，本文分别从操纵量功率谱密度、操纵量快捷性以及驾驶品质灵敏度函数值三个角度对飞行员在此过程中的驾驶负荷进行了量化分析，结果分别如图13～图15所示。从整体上看，等级2直升机比等级1直升机的频谱幅值要大（见图13），表示驾驶员操纵负荷越重。操纵量快捷性分析显示，等级2直升机总体上快捷性指标要高于等级1直升机（见图14），说明其工作负荷较重。从驾驶敏感性函数分析可以看到，等级2直升机在部分频率段进入了等级2区域（见图15），同样表示其工作负荷较重。由此可见，三种分析方法在评估飞行员驾驶负荷时所得到的结论一致，并且符合飞行员的真实感知。

4结论

直升机进行复杂边缘机动科目和特殊的飞行状态进行试飞是十分危险的，利用机动飞行驾驶品质数值评估方法进行分析，可以判断直升机是否具备完成该机动的能力，同时采用操纵量功率谱密度、操纵量快捷性指标，以及驾驶员灵敏度函数值等技术手段对驾驶员的操纵输入量进行分析，对驾驶员的工作负荷进行评估，以任务效能和驾驶员工作负荷为参考得出直升机机动品质飞行认定等级，对指导直升机前期设计具有重要意义。

參考文献

[1]Anonymous.ADS-33E-PRF Performance specication，handling qualities requirements for military rotorcraft[S]. US Army AMCOM，2000.

[2]张宏林，马庚军.军用直升机飞行品质规范发展与展望[J].航空科学技术，2018，29（8）：7-11. Zhang Honglin， Ma Gengjun. Development and prospect of the military helicopter flying quality specification[J]. Aeronautical Science & Technology，2018，29（8）：7-11.（in Chinese）

[3]Cooper G E，Harper R P，The use of pilot ratings in the evaluation of aircraft handling qualities[R]. NASA TM D-5153，1969.

[4]Thomson D G，Bradley R. The use of inverse simulation for preliminary assessment of helicopter handling qualities[J]. Aeronautical Journal，1997，101（1007）：287-294.

[5]Hess R A，Gao C. A generalized algorithm for inverse simulation applied to helicopter maneuvering flight[J]. Journal of the American Helicopter Society，1993，38（4）：3-15.

[6]Matthew S W. Development and evaluation of an inverse solution technique for studying helicopter maneuverability and agility[R]. NASA-TM-102889，1991.

[7]Roberto C. Optimization-based inverse simulation of a helicopter slalom maneuver[J] Journal of Guidance，Control，and Dynamics，2000，23（2）：289-297.

[8]刘洋，向锦武，孟少华.应用轨迹优化策略的直升机任务科目基元仿真[J].飞行力学，2017，35（3）：41-45. Liu Yang， Xiang Jingwu， Meng Shaohua. Mission task element simulation of helicopter based on trajectory optimization strategy[J].Flight Dynamics，2017，35（3）：41-45.（in Chinese）

[9]Padfield G D. Helicopter flight dynamics：the theory and application of flying qualities and simulation modeling[M]. Oxford：Blackwell Science，2007.

[10]吴伟，陈仁良.直升机机动飞行新分析方法[J].南京航空航天大学学报，2010，42（6）： 680-686. Wu Wei， Chen Renliang. Analytical method for helicopter maneuver flight[J]. Journal of Nanjing University of Aeronautics andAstronautics， 2010， 42（6）：680-686.（in Chinese）

[11]Thomson D G，Bradley R. Mathematical definition of helicopter maneuvers[J]. Journal of the American Helicopter Society，1997，42（4）：307.

[12]Padfield G D，CharltonM T，Jones J P，et al.Where does the workload go when pilots attack manoeuvres？An analysis of results from flying qualities theory and experiment[C]//20th European Rotorcraft Forum.Amsterdam，1994.

[13]Padfield G D，Charlton M T，Kimberley A M，Helicopter flying quality in critical mission task element：initial experience with the DRA large motion simulator[C]// 18th European Rotorcraft Forum，1992.

[14]Bradley R，Thomson D G.Handling qualities and performance aspects of the simulation of helicopters flying mission task elements[C]// 18th European Rotorcraft Forum，1992.

（責任编辑王为）

作者简介

田洪源（1995-）男，硕士，助理工程师。主要研究方向：直升机飞行动力学。

Tel：022-59800502E-mail：tianhy@avic.com

鲁可（1985-）男，博士，高级工程师。主要研究方向：直升机飞行动力学。

Tel：022-59800502

E-mail：luk002@avic.com

Study on Numerical Method of Assigned Levels of Helicopter Handling Qualities

Tian Hongyuan1，Lu Ke1，*，Wu Shangjing1，Liu Chunsheng2，Li Chunhua1

1. Science & Technology on Rotorcraft Aeromechanics Laboratory，CHRDI，Jingdezhen 333001，China

2. Nanjing University of Aeronautics and Astronautics，Nanjing 210016，China

Abstract： ADS-33E-PRF flight quality specification provides the subjective assessment method for mission-taskelement. However，this method has many problems，such as high cost，big risk，long period and so on，which can not guide the early design of helicopter. In this paper，on the basis of the methods of subjective assessment，the techniques，i. e. pilot control power spectral density，handling qualities sensitivity function and pilot attack，are employed to identify the numerical evaluation method for flight handling qualities. Finally，the simulations verifies the evaluation method.

Key Words： maneuver flight； pilot workload； handling qualities sensitivity function； pilot attack； pilot control power spectral density