ＤＯＩ：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．１００１－８９７２．２０１ ３．０ｇ．０２１ 浅谈直升机自动飞行控制原理 刘凡北顾钬杰 交通运输部东海第一救助飞行队２００１ ５７ 摘要 无论从外观上还是飞行原理上看，直升机与 普通飞机都有着极大的差别。普通飞机是通 过调节各部位机翼和尾翼的状态使飞机周围 而使得直升机头的水平方向得以调整。踏板 也就是模型直升机的方向通道ＲＵＤ。 ２．２周期变距杆 升力且往上抬，转速越夫，升力越大。当升 力大于直升机的重力时，直升机便离地起 飞，升力等于重力，直升机呈悬停状态，若 升力不及重力，直升机就会降落。然而，改 的气压形成压强从而进行飞行活动的，直升 机由于没有机翼与尾翼，因此气动力是由主 旋翼尾旋翼生成，从而来完成机身的上升、 前进、悬停以及方向的控制。本文接下来将 对直升机自动飞行原理以及操作系统进行一 个简单的分析，首先对直升机的垂直起飞要 求进行概述从而使自动飞行原理得以探索研 究，其次讲述了直升机旋翼的工作原理以及 操作。 关键词 直升机；自动飞行；操作系统；控制原理 直升机具有很多普通飞机不具备的特 点，如垂直升降，对升降场地没有很高的要 求，呵以半空悬停，慢速前进或后退，能往 任何方向飞行等等，它是一种特殊的飞行 器，主要靠水平旋转的旋翼产生升力和推进 力来进行飞行活动，因此，在很多特殊场 合，直升机就能派上很大的用场。相较于普 通飞机，直升机虽然运行灵活，但也存在着 小问题，如速度慢、耗油高、航程短、近地 不稳定以及较强的非线性特性等等，因此直 升机对飞行控制要求很严格，人工操纵则对 操纵者有较高的要求，并且无法保证安全， 因此实现直升机自动飞行控制至关重要。 １垂直起飞的要求 起飞时，由于直升机机身离地面较近， 很容易发生触地现象而造成危险，并且飞行 操纵稍有变化就可能会导致各个通道的耦 合，这些耦合现象能够在速率回路及姿态回 路解耦的基础上被解除。基于姿态回路的解 耦，自动起飞控制的垂直起飞要求主要有 以下几点： （１）无人直升机在起飞离地的 瞬问，俯仰力矩与滚动力矩必须要相互平 衡，整个起飞过程中，俯仰角与滚转角必 须浮动在要求的范围内，不能过大或者过 小； （２）侧滑的最高速度不能超过０．５ｍ／ ｓ； （３）侧滑距离不能超过２米； （４）俯仰 角速率和滚转角速率最大不能超过４。／ｓ； （５）没有到达限制高度时，直升机的升降 速率不可以超过０．５ｍ／ｓ，达到或超过限制 高度后，最大升降速率限制在２ｍ／ｓ。 ２直升机的操作系统 直升机的操作系统主要由踏板、周期边 距杆和总距杆三个部分组成。 ２．１方向舵踏板 直升机有两块方向舵踏板，一般位于驾 驶席的下面，尾螺旋桨的输出功率和桨叶的 倾角就是通过对踏板的操作进行调节的，从 在直升机驾驶席的中前方有一个手柄， 变旋翼的转速只是实现直升机升降悬停的方 它就是周期变距杆，周期变距杆的主要工作 法之一，但是一味的加快旋翼的转速有可能 就是对主螺旋桨下面的自动倾斜器的不动环 会对直升机整个机身的符合造成影响，因 进行控制，从而起到调整整个主螺旋桨的旋 此，目前普遍的方式则是在旋翼转速达到一 转倾角的作用，是飞行方向的决定者。在模 定值后保持稳定，然后通过改变桨叶的倾角 型直升机中相当于升降通道ＡＩＬ＊ＮＮ￣翼通道 来改变升力，从而达到直升机升降的目的。 ＥＩ Ｅ 旋翼的桨叶在旋转运作时产生的拉力一部分 会被阻力力矩抵消，因此除了旋翼的转速， ２．３总距杆 桨叶的桨距也是一个重要因素，这两者都能 总距杆是驾驶席左边的一个手柄，主要 决定拉力的大小，然而，旋翼的转速是由发 工作是对主螺旋桨下面的自动倾斜器的动环 动机主轴的转速决定，发动机的转速达到某 进行控制，而动环的工作则是通过调节主螺 一个特定值（即最有利值）时，其工作效率 旋桨的桨叶倾角的手段来控制动力的大小。 最高，且对发动机的损害率最低，所以此时 如果该直升机是贝尔公司旗下生产的系列直 就应该靠桨叶桨距的变化来改变拉力的大 升机的话，那它的总距杆就会有一个可以根 小。 据主螺旋桨桨叶的旋转倾角自动调整主发动 直升机的平飞是根据改变旋翼旋转的倾 机输出功率的主发动机功率控制器。这相当 角完成，倾角的改变会造成其升力在水平方 于模型直升机中的螺距通道ＰＩＴ，因为和油 向上分力的变化，自动倾斜器变化后给各个 门分享同一根遥控杆，因此不能在遥控器操 桨叶的桨距带来周期性变化，同时也使旋翼 控面板上对它进行独立的控制，而是从遥控 的拉力在方向上得到改变，旋翼得到向前的 器的直升机控制程序中进行设计，即螺距曲 拉力后便向前倾斜，使得整个直升机也向前 线。适当的螺距曲线和油门曲线对直升机的 飞行。 稳定飞行起着重要的作用。 通过操纵直升机的尾桨可以改变直升机 飞行的方向，尾桨的桨距发生变化会导致尾 ２．４直升机的自动飞行原理及飞行操作 桨拉力大小的改变，从而使平衡力矩的值发 １）直升机旋翼的工作原理 生变化，最后决定机头的指向，完成直升机 当旋翼运转时，旋翼的叶片的工作相当 的方向控制。 于机翼，且旋翼的截面图就是翼型的形状。 总而言之，直升机在离地起飞时一定要 翼型弦线和桨毂旋转平面之间有个夹角叫做 注意其侧滑的速度以及侧滑的距离是否部在 桨叶的安装角也叫桨距，各个桨距的平均值 要求规定的范围内，并且在离地起飞的过程 即为旋翼的总距。改变直升机旋翼的总距或 中，不能有微小的姿态变化以致发生触地的 桨叶的桨距即可改变直升机的飞行状态，总 危险，各个力矩也必须在平衡的范围内。然 距的变动范围一般在２。至１４。。 而力矩配平方面还存在较多的弱点，如智能 翼型弦线与气流之间也存在一个夹角 性较差、抗干扰性低下以及系统的健壮性不 ａ，每段桨叶产生的空气动力有两个分力， 强等等。因此，直升机自动飞行控制还需引 即桨轴方向上的分力Ａ与旋转平面上的分力 入更加先进的控制方法，如模糊控制，这样 Ｂ，当直升机处于悬停状态时所需的力便是 才能提高直升机自动飞行控制的效果，使其 分力Ａ提供的，发动机提供的功率可抵消分 可靠性以及安全性更强。 力Ｂ所产生的阻力。另外，旋翼运转时会产 生反作用力矩，这个反作用力矩是需要其他 力来平衡的。一般的直升机是单桨式，平衡 反作用力矩的力是由尾桨产生的，改变尾桨 拉力的大小就能改变平衡力矩的大小，从而 控制直升机的方向。 ２）直升机旋翼的操纵 参考文献 不同于飞机的自动飞行控制，直升机 ［１］冷冰．Ｂｏｍｂａｒｄｉｅｒ ＣｇＪ ２Ｏ０型飞机自动飞行控 的自动飞行控制是通过控制旋翼的倾斜度来 制系统的原理与应用浅析［Ｊ］．内蒙古科技与经 进行的。直升机的飞行控制分为很多类型， 济，２０１１年１ ６期 包括垂直控制、方向控制、横向纵向控制等 ［２］刘培强．小型无人直升机飞行控制软件及仿 等，但不管属于哪种类型的控制，其都是由 真系统的开发．南京航空航天大学，２０１ Ｏ年１月 １日 旋翼实现的。当旋翼桨毂向某个方向倾斜， 直升机便会朝那个方向飞行，其原理是桨毂 ［５】吴建德．基于频域辨识的微小型无人直升机 的倾斜使其在倾斜的方向上产生了一个升 的建模与控制研究．浙江大学，２００７年７月７日 【４】张德发，叶胜利，等，飞行控制系统的地面 力，将升力进行分解，其水平方向Ｌ的分力 与飞行测验【Ｍ］．国防工业出版社，２００５年 导致了直升机飞行方向的改变。 【５】胡向东，史卫城，等．直升机非线性数学模 直升机的旋翼在为发动前是自由下垂 型和飞行品质［Ｃ］．第１ ８届全国直升机年会学术 的，发动机启动后开始旋转，桨叶上产生了 论文集，２００２，５ｇ５－４００