直升机舰面起降风限图与驾驶员操纵负荷研究

摘要

直升机舰面起降风限图的计算和驾驶员操纵负荷是影响直升机舰面起降飞行安全的关键技术，一直是直升机飞行动力学与控制研究的热点和难点。本文开展了直升机在舰面起降环境中的飞行动力学建模与驾驶员操纵负荷分析研究，建立了一种直升机舰面起降的数值模拟方法，在此基础上发展了起降风限图的理论计算方法，提出了一种缓和驾驶员操纵负荷的飞行控制系统。主要工作包括以下几个方面： 针对舰面尾流的时间和空间变化特点，基于舰船尾流的非定常计算流体动力学(Computational Fluid Dynamics,CFD)数值模拟方法，发展了一种基于本征正交分解理论(Proper Orthogonal Decomposition,POD)的舰船尾流降阶与重构方法，在此基础上建立了一种精确高效的舰船尾流模型，并验证了POD重构舰船尾流的空间分布特征和频谱分布特征。结果表明：本文建立的POD重构舰船尾流模型能够在保留舰船尾流时空变化特征的基础上解决非稳态舰船尾流数据量过大的问题。 以舰船尾流的POD重构模型为基础，建立了随时间和空间变化的舰船尾流与直升机飞行动力学的高效动态耦合模型，形成了一种直升机舰面起降的飞行动力学模型。基于该模型，分析了不同风速、风向情况下受舰船上层建筑作用的舰船尾流的空间变化对直升机配平特性的影响，并用静止大气环境的飞行试验结果验证了模型的正确性。结果表明：本文发展的直升机舰面起降飞行动力学模型能够准确捕捉均匀和非均匀舰船尾流对直升机平衡特性的影响。 基于直升机舰面起降飞行动力学模型，发展了与舰面起降环境相适应的驾驶员操纵模型以及反映舰船流场时空变化的起降轨迹数学描述和生成方法，形成了一种直升机舰面起降的数值模拟方法，并通过与飞行试验数据的对比验证了该方法的正确性。在此基础上，提出了一种直升机舰面起降风限图的计算方法，并利用该方法分析了舰船尾流的时空变化对起降风限图的影响。结果表明：该方法能够捕捉舰船尾流的时空变化对起降风限图的影响。 在直升机舰面起降数值模拟和风限图计算的基础上，分析了直升机舰面起降过程中的驾驶员操纵负荷影响因素，发展了一种集成旋翼状态反馈的飞行控制系统。该系统通过旋翼和机体状态反馈系数的协同，综合优化旋翼/机体耦合动稳定性和紊流抑制能力，并采用前馈补偿和指令模型优化进一步提升系统的操纵带宽和姿态快捷性。结果表明：与常规的直升机飞行控制系统相比，该系统具有更宽的带宽、更高的姿态快捷性和更强的紊流抑制能力，能有效缓和由中等幅度姿态控制和小幅高频姿态补偿操纵引起的驾驶员操纵负荷。

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