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1、直升机飞行控制技术发展综述1刖言现代战争的规模与复杂程度都较以往有了很大的提高，相应地对 现代军用直升机的飞行品质和任务效能也提出了更高的要求。要在严 酷的战场环境中完成对敌攻击又保存自己的任务，现代军用直升机必 须能实施快速、准确的探测和对敌攻击,同时具有良好的操纵品质与 高的机动性、生存性。为满足这些要求，先进的直升机不断增装各种先 进的技术设备，如先进的数字式飞行控制系统、发动机控制系统、综合 航空电子武器系统等，其中先进的飞行控制系统在改善直升机的飞行 品质、提高直升机的任务效能及生存性等方面起着至关重要的作用。近20多年来，随着对直升机性能要求的日益提高,其飞行控制技 术得到了迅速发
2、展，飞控系统已从传统的模拟式增稳装置、自动驾驶 仪发展到今天的多余度数字式电传/光传操纵系统，并与发动机、火力 控制等系统综合实现一体化控制与管理,大大改善了现代直升机的飞 行品质，提高了现代直升机的性能和战场生存性。先进的电传/光传飞 行控制技术已成为现代直升机综合控制的纽带,是直升机升级换代的 重要标志，是直升机主动控制技术的基础。系统的研究得到西方各国的高度重视，并向电传/光传飞行控制的 方向发展。美国先后进行了 TAGS战术飞机制导系统 (TacticalAircarftGuidanceSys-tem)、 HLH 重 型运输 直升机 (HeavyLiftHelicop-ter)、 AD
3、OCS 先进数字/光传控制系统 (AdvancedDigital/OpticsControlSystem)等项目研究计划。TAGS 计 划进行了使用三轴侧杆控制器的三余度全权限数字系统的研究，其先 进的控制概念包括地速矢量控制、指令模型及传感器补偿滤波等。 1971年到1974年，美国波音伏特尔公司在HLH计划中，开发研制了 一套双故障工作的全权限三余度电传飞行控制系统，并于1975年在 伏特尔347直升机上进行了试飞,347直升机是第一架没有机械操纵 备份的电传操纵直升机，装有4轴侧杆控制器，其可重构的自动飞行控 制系统提供了等级1的飞行品质。20世纪80年代波音公司根据美国 陆军的合同，开
4、发研制了一套先进数字/光传飞行控制系统(ADOCS),并 在改装的UH-60A黑鹰 直升机上进行了 500多小时的试飞验证。 ADOCS计划的目的是满足直升机全天候贴地飞行、抗雷电/电磁干扰 的特殊需要。该计划进行了旨在改善侦察/攻击直升机飞行品质的按 任务剪裁的多模态控制律设计技术和侧杆控制技术的研究及演示验 证。飞行验证结果表明ADOCS的多模态显模型跟踪控制律提供了优 良的直升机任务效能和飞行品质，且采用(3+1)2国外发展现状与趋势从20世纪60年代以来,直升机先进飞行控制2021年第2期李林华:直升机飞行控制技术发展综述63侧杆控制器结构的ADOCS比传统的中央操纵杆结构具有更好的
5、性能。美国的ADOCS等一系列研究计划奠定了 V-22鱼鹰倾转旋翼 机和RAH-66科曼奇直升机先进电传飞行控制系统研制及新的飞行 品质规范(航空设计标准ADS-33C)的基础。RAH-66科曼奇直升机 是美国波音/西科期基公司20世纪90年代研制的先进侦察/攻击直升 机，集许多先进技术于一身,其作战效能及飞行品质均大大超过了现有 的任何一架武装直升机。该机为了同时达到高的使用性能及 ADS- 33D航空设计标准苛刻的飞行品质要求，采用了三余度全权限数字式 电传飞行控制系统，其座舱操纵装置为(3+1)结构,即俯仰、横滚、偏航 轴为小位移的三轴侧杆控制器,总距轴为中等位移的总距杆。系统同 时具有
6、飞行指引、发动机控制、基本飞行控制和自动飞行控制等多种 功能,RAH-66的飞行控制律按ADS-33航空设计标准采用显模型跟跟 踪法设计。由于采用了许多先进的设计技术，不仅保证了直升机优良 的飞行品质与整体性能，也为实现飞行控制、火力控制和发动机控制 的综合控制提供了极为有利的条件。20世纪90年代末,RAH-60科曼 奇实现了直升机综合飞行控制的能力，即将直升机发动机/传动系统、 火控系统以及旋翼转速控制系统等有机地融合进入飞行控制系统功 能中。验证表明,这些技术极大地提高了驾驶员的综合控制能力、军事 生存能力和任务执行能力,并且有效地解决了驾驶员的工作负担。在美国大力发展直升机先进飞行控制
7、系统的同时，西欧各国及日 本也在积极开展直升机先进飞行控制系统的研究工作。法国宇航公司 从1984年开始，用 海豚SA365N进行电传飞行控制系统的研究,1987 年进行了带机械备份的双余度电传飞行控制系统飞行试验,1989年进 行了电传飞行控制系统先进飞行控制律的飞行验证试验。日本直升机 先进技术研究所1989年开始研制三余度数字式电传飞行控制系统，安 装在BK-117验证机上，并于1993年进行了试飞,该电传飞行控制系统 包括三余度主旋翼舵机控制计算机、三余度尾旋翼舵机控制计算机、 三余度DDV舵机及四轴侧杆控制器等。1990年开始由法、德、意、 荷联合研制的NH-90多用途直升机以海豚S
8、A365N电传飞行控制 系统的先期验证技术为基础，采用了四余度四轴电传飞行控制舵机控 制计算机、四余度复合舵机及位移传感器等，座舱操纵装置仍采用传 统的周期杆、总距杆和脚蹬，其飞行控制律采用了模型跟踪控制技术, 并按ADS-33要求进行设计。NH-90的电传飞行控制系统于1998年首 飞,2021年完成了全部飞行验证。尽管电传飞行控制系统具有诸多优点，但仍存在不能防御雷电、 电磁干扰和电磁脉冲的不足。现代直升机的性能要求不断提高，航电 设备日趋复杂，采用余度技术等必然导致电缆用量增加、线路布局复 杂，增加了各线路间的干扰、地环流的相互影响。为此，国外提出了光 传飞行控制系统的方案，光传飞行控制
9、系统具有可有效地防御电磁感 应、电磁干扰、雷电冲击、核爆炸电磁脉冲及减轻传输线重量等优点。 国外特别是美国从20世纪60年代开始就一直致力于光传飞行控制 系统的发展研究，如前述的ADOCS计划。20世纪80年代后期,在美国 国防部及NASA的主持下进行了一系列研究开发其中ADOCS计划 已基本完成,光纤与控制一体化计划已进入电光接口及其规范的开发 研究。进入20世纪90年代后，美国NASA制定的光传计划将强调光 驱动作动器的研究,以逐步过渡到一切电气设备部件均由光学器件替 代的纯光传系统的开发研究。1983年美国NASA以F-18舰载飞机为 试验机进行了光传系统试验。世界其它发达国家对光传系统
10、的研究也 有数十年的历史，如德国宇航院在BO-105直升机上完成了单通道(航 向)光传飞行控制系统的开发研究，欧直也在EC-135上进行了光传飞 行控制系统的装机试飞验证。2021年，按计划美国军方和波音公司在阿帕奇电传直升机(AH- 64D)上，实施了基于综合控制的直升机主动控制技术(HACT)的飞行控 制系统(HFCS)飞行验证，主要对飞行器管理系统(VMS)中的主动飞行 控制技术如无忧操纵、状态识别和任务剪裁控制律等关键技术进行研 究,验证这些技术对旋翼机控制、飞行品质和任务效能带来的进步。并 且未来军方直升机飞控系统的开发计划将依靠HACT技术，升级UH- 60X黑鹰 直升机、长弓阿帕
11、奇、CH-47以及将来的军用运输直升 机。综上所述,国外新一代高性能直升机均已采用了先进的多余度数 字式电/光传飞行控制系统。为了适应现代化战争的需要，直升机的飞 行控制技术正向着扩大飞行功能、提高系统工作的可靠性、生存64直升机技术总第150期最有效的途径是采用以电传/光传飞控技术为基础的综合控制技 术和主动控制技术。其主要技术特点包括：(1) 采用数字化及多余度技术,通过四余度比较监控加自监控或三 余度自监控等结构及先进的余度管理和智能故障检测算法，提高系统 的飞行安全性、可靠性和维修性；(2) 先进的飞行控制律技术，采用显模型跟随、逆动态等方法设计 多模态任务剪裁控制律,可以根据品质规范
12、要求和不同的任务要求，适 当配置不同的控制变量和回路参数，实现轴间解耦，获得期望的直升机 最优响应特性；(3) 采用综合控制技术,通过飞行控制与发动机控制、导航和火力 控制等系统的综合，实现一体化控制与管理，进一步提高直升机的性能 和任务效能；(4) 采用侧杆控制器，以改善座舱仪表板布局,增强坠毁的安全性， 实现精确控制，减轻驾驶员的工作负担；(5) 采用结构简单、可靠性高、维护性好、重量轻、内漏小、动静 态特性优良以及易于实现余度综合和管理的先进伺服作动器，如直接 驱动伺服作动器(DDV舵机)、灵巧伺服作动器(SmartActuator)等；(6) 采用光传技术，提高系统的防御电磁感应、电磁
13、干扰、雷电冲 击、核爆炸电磁脉冲能力。复杂性，一方面直升机的动力与操纵主要依赖主旋翼，使得其飞控 系统和发动机控制系统间存在比固定翼飞机更强的耦合，另一方面直 升机本身不如歼击机机动灵活，各控制轴的耦合程度也远比固定翼飞机高。因此， 对于低空飞行的武装直升机来说，火力/飞行/动力的综合控制是武装 直升机能否大幅度提高作战效能，乃至具备空战能力的关键。任何将 用于21世纪战场的新型号武装直升机,必然要用到综合火力/飞行/动 力综合控制技术。3.2侧杆控制技术随着数字电传、光传飞控技术的发展，直升机传统的操纵方式也 发生着变化,传统的周期杆+总距杆+脚蹬的操纵形式已逐渐被右手四 轴侧杆控制器(俯仰
14、、横滚、航向和总距控制)、右手三轴侧杆控制器 (俯仰、横滚和航向控制)+总距杆、以及接近于传统形式的两轴侧杆控 制器(俯仰和横滚)+脚蹬+总距杆的操纵形式所取代。大量的飞行验证表明，较之传统的操纵形式,侧杆控制方式更容易 实现直升机的精确控制，能更容易地在大机动飞行中准确地控制直升 机的飞行轨迹，极大地减轻了驾驶员的工作负荷,增强其执行任务的注 意力和留空能力，使直升机的操纵性和稳定性得以最大限度发挥和兼 顾,并使武器系统的瞄准、发射以及攻击和格斗具有一个优良的平台。 同时，侧杆控制器的采用还可改善座舱仪表板的布局、改善人机界面、 增强直升机坠毁时的安全性。该项技术在国外目前已基本成熟。由于
15、侧杆控制技术的优点突出，因此可以预见,未来下一代直升机都会采用 此种技术。3.3先进伺服作动器技术目前，直接驱动伺服作动器(DDV)已成为国外固定翼飞机和直升 机先进电传飞行控制系统伺服作动技术的发展方向,并且在EFA、JSF、 V22、NH90等飞机上已经进行了实际型号的应用。它与电液伺服作 动器(EHV)相比具有明显的优越性，由于其采用余度式内回路控制，单 级力马达直接控制液压油进入作动筒，且所有闭环回路(阀回路、作动 筒和电流回路)都由电气实现，相对于二级EHV舵机,具有结构简单、可 靠性高、维护性好、重量轻、内漏小以及易于实现余度综合和管理等 优点。如果把DDV液压舵机用于直升机电传飞
16、控的伺服系统中，整个 系统将被简化，这样会带来较高的可靠性以及部件重3国内发展现状 及目标国内直升机飞行控制系统多为机械操纵系统加模拟式或数字式 的有限权限的自动飞行控制系统，其技术水平基本上是国外20世纪7080年代的水平。而且距国 内固定翼飞机飞行控制系统的发展水平也有较大的差距。在先进技术 研究方面，开展了直升机电传飞行控制设计技术的研究,包括电传飞行 控制系统总体技术、非线性飞行动力学建模、多模态和轴间解耦飞行 控制律设计方法、余度管理技术、电传系统的地面模拟试验等。因此，国内直升机飞行控制系统的发展应重点突破电传飞行控制 系统的演示验证及型号应用，并在此基础上开展如下关键技术研究。3.1火力/飞行/动力综合控制技术直升机火力/飞行/动力的综合控制不仅可以提供快速目标跟踪 解算、改善射击目标和发射武器的精度，而且大大提高了直升机的飞 行性能和作战效能2021年第2期李林华:直升机飞行控制技术发展综述65此外，国外已开展了灵巧伺
