謝 強(qiáng)，黨 維

(中國飛行試驗研究院，陜西 西安 710089)

1 引 言

無論執(zhí)行何種任務(wù)，著艦都是艦載直升機(jī)最基本且最復(fù)雜的任務(wù)科目。載艦的運動及其自身結(jié)構(gòu)使得艦面流場變得極其復(fù)雜，使得直升機(jī)的飛行特性惡化；上層建筑、水霧以及廢氣使得駕駛員的目視感示環(huán)境降級。在這種環(huán)境下，要求駕駛員頻繁、精確地操縱直升機(jī)進(jìn)行著艦，其工作負(fù)荷大，危險程度高。

使用常規(guī)的陸基直升機(jī)評估方法得到的滿意結(jié)果并不能保證艦載直升機(jī)具有良好的著艦飛行特性，而且?guī)扃旯攴椒ㄒ膊贿m用于評估綜合的、多控制軸的著艦科目。由于受試驗內(nèi)容、試驗特點以及試驗環(huán)境等因素的制約，國內(nèi)在艦載直升機(jī)著艦飛行特性評估方面開展的研究較少，導(dǎo)致直升機(jī)起降包線驗證和擴(kuò)展不充分，嚴(yán)重限制了部隊作戰(zhàn)使用的安全和效率。

本文通過分析艦載直升機(jī)起降任務(wù)流程和飛行特性需求，將典型著艦任務(wù)進(jìn)行科目分解，優(yōu)化和改進(jìn)成熟的評估方法，設(shè)計一套適用于艦載直升機(jī)的艦面MTE，基于試驗結(jié)果使用模糊綜合評價法進(jìn)行預(yù)評估，篩選理論包線內(nèi)的關(guān)鍵狀態(tài)點，有針對性地進(jìn)行艦基試驗，使用PRS方法給出駕駛員主觀定性評價。該方法能夠降低試驗風(fēng)險，縮短試驗周期，提高試飛效率，為我國新一代艦載直升機(jī)飛行特性評估提供一定的技術(shù)參考。

2 著艦過程及飛行特性需求分析

根據(jù)艦船甲板的結(jié)構(gòu)布局、直升機(jī)結(jié)構(gòu)、駕駛艙布局和使用要求的不同，艦上起降有不同的飛行軌跡，如圖1所示。無論采取哪種著艦方式，都可以將其分解為下滑進(jìn)近、懸停保持和垂直著艦這3個階段。

(a)對準(zhǔn)艦中心線法 (b) 左、右舷進(jìn)入、起飛法 (c)橫穿甲板進(jìn)入、起飛法圖1 直升機(jī)艦面起降軌跡示意圖

各階段對直升機(jī)的飛行特性需求：

(1)下滑進(jìn)近

直升機(jī)以一定的下滑角消速靠近載艦，為了保證駕駛員在下滑進(jìn)近過程中視野不受限制，一般要求以2°-4°的下滑角飛行，直至決策高度與載艦保持相對懸停。該階段直升機(jī)需具有良好的飛行軌跡控制特性和速度控制能力。

(2)懸停保持

直升機(jī)在著艦過程中，面臨強(qiáng)烈的紊流和風(fēng)向切變，使得飛行特性惡化，操作功效降低，且易發(fā)生顛簸，導(dǎo)致直升機(jī)失控。因此，直升機(jī)需要具有良好的抗側(cè)風(fēng)能力。GJB902-90對艦載直升機(jī)補充要求中規(guī)定，自由起降過程對迎面風(fēng)速的要求不大于30m/s。懸停保持時，駕駛員為了跟蹤載艦運動，頻繁快速進(jìn)行操縱，因此需要直升機(jī)對于小幅中高頻的操作輸入具有良好的響應(yīng)特性，且無不良的軸間耦合。

由于飛行甲板尺寸有限，周圍障礙物多，GJB534B-2009《艦載直升機(jī)艦面系統(tǒng)通用要求》中規(guī)定，直升機(jī)(單機(jī))起降平臺的最小長度為直升機(jī)總長與最小起降安全距離(取0.25～0.35倍的旋翼直徑)的總和，最小寬度為主輪橫向間距與舷邊距(取3.0～3.5m)的總和。水霧和廢氣對駕駛員視野產(chǎn)生不良的影響，易導(dǎo)致直升機(jī)發(fā)生與船體結(jié)構(gòu)碰撞，需要直升機(jī)各軸具有精確的控制特性。為了應(yīng)對可能面臨的特情，直升機(jī)的操縱余量不應(yīng)小于總操縱行程的10%。長時間的相對懸停，駕駛員的工作負(fù)荷應(yīng)可接受。

(3)精確著艦

直升機(jī)在“靜息期”內(nèi)，以合適的下降率在著艦點范圍內(nèi)完成著艦。GJB5771-2006《艦載直升機(jī)通用要求》中，要求艦載直升機(jī)操縱特性應(yīng)滿足艦船橫搖±5°、縱搖±2°(使用助降裝置橫搖±7.5°、縱搖±3°)時的自由起降要求；且起落架系統(tǒng)滿足不小于3.05m/s的相對下沉速度著艦時的沖擊。該階段直升機(jī)應(yīng)具有良好的垂向操縱控制特性，總距與各軸之間操作協(xié)調(diào)，無不良耦合。

3 艦面起降飛行特性評估方法設(shè)計

圖2給出了常用的飛行品質(zhì)規(guī)范的基本構(gòu)架，據(jù)此來設(shè)計艦面起降飛行特性評估方法。上節(jié)內(nèi)容對著艦的任務(wù)內(nèi)容和使用環(huán)境進(jìn)行了分析，根據(jù)任務(wù)關(guān)注的飛行特性要求，有針對性地選擇部分ADS-33E中的MTE進(jìn)行適當(dāng)修改，與實際的著艦任務(wù)和使用環(huán)境建立聯(lián)系，更真實地反映直升機(jī)的飛行特性。設(shè)計的評估方法目前只針對良好目視環(huán)境。

圖2 飛行品質(zhì)規(guī)范與評估基本構(gòu)架圖

3.1 艦面MTE設(shè)計

3.1.1 減速進(jìn)場

選擇該科目來模擬艦載直升機(jī)下滑進(jìn)近過程，一般要求以3°～06°的下滑角飛行，載艦飛行甲板距離水面高度約為10m左右。為了保證艦面安全起降，通常會控制艦速不超過20kn，因此根據(jù)實際的任務(wù)內(nèi)容和ADS-33E中減速進(jìn)場的科目描述，設(shè)計動作如下：直升機(jī)在目標(biāo)點后150m的高度，以4°的下滑角由100km/h空速開始，進(jìn)行減速至目標(biāo)地速40km/h，離地高度15m。

3.1.2 精確懸停

選擇該科目用以模擬直升機(jī)進(jìn)入飛行甲板并懸停保持的過程?？颇績?nèi)容的基本描述與ADS-33E的一致，但是將實際的著艦環(huán)境信息疊加進(jìn)去。直升機(jī)在6m的高度，以11km/h至18.5km/h的地速側(cè)滑平飛開始該機(jī)動科目，機(jī)身始終與載艦縱軸平行，運動方向與著艦點標(biāo)示的45°線平行，直至懸停在著艦點上方。通過艦面的標(biāo)示線可以判斷懸停的位置偏差，圖3給出了該科目的俯視圖。由于減速進(jìn)入艦面懸停不需要很高的迅猛程度，可適當(dāng)放寬其性能指標(biāo)要求，其余的位置誤差與ADS-33E的要求一致。

圖3 艦面精確懸停示意圖

3.1.3 垂直機(jī)動

該科目用于模擬直升機(jī)在艦面高懸停點與低懸停點之間的垂向運動。一般艦載直升機(jī)在高懸停點(距離飛行甲板約3～5m)進(jìn)行懸停觀察等待，靜息期(大約3～10s)內(nèi)過渡至低懸停點(距離飛行甲板約1～1.5m)，調(diào)整后完成著艦。將ADS-33E垂直機(jī)動的高度范圍調(diào)整為從高度4.5m穩(wěn)定懸停垂直下降至高度1.5m。主要的位置參考還是依靠艦上的著艦點標(biāo)示，增加高度參考標(biāo)志點，如圖4所示。ADS-33E中，該科目用于考核武裝型直升機(jī)快速的垂向機(jī)動能力，動作時間對于艦載直升機(jī)過于嚴(yán)格，可適當(dāng)將動作時間放寬，其它指標(biāo)保持一致。

圖4 垂直機(jī)動示意圖

3.2 UCE評估、響應(yīng)類型及其它開環(huán)科目

駕駛員能否安全地執(zhí)行著艦，不僅取決于直升機(jī)平臺自身的飛行特性，還與駕駛員的可用感示環(huán)境(UCE)密切相關(guān)。艦面環(huán)境的復(fù)雜性使得UCE評估時，需要考慮動態(tài)界面附加的環(huán)境信息，即直升機(jī)相對甲板的真實位置。為了保證直升機(jī)的著艦安全和減輕飛行員工作負(fù)荷，對艦載直升機(jī)的響應(yīng)類型提出了較高的要求。著艦過程中，直升機(jī)處于小速度飛行狀態(tài)，且受外部擾流影響嚴(yán)重。因此執(zhí)行著艦時，所需的響應(yīng)類型能夠滿足懸停和低速飛行狀態(tài)下的飛行特性等級1。

除了閉環(huán)MTE外，還需進(jìn)行其它的開環(huán)科目來評估艦載直升機(jī)的飛行特性，其內(nèi)容主要包含：懸停和小速度平衡特性、軸間耦合特性、小幅中高頻的操縱輸入的短周期響應(yīng)特性、突風(fēng)響應(yīng)特性、高度響應(yīng)特性以及垂直軸操縱特性等。

3.3 基于PRS模糊綜合評價的主觀評價方法

依據(jù)前期的試驗結(jié)果，可使用模糊綜合評價法對直升機(jī)著艦操作的安全性進(jìn)行預(yù)評估。具體步驟如下：

(1)建立直升機(jī)安全著艦指標(biāo)集[3]。通過分析，可以將影響直升機(jī)安全著艦的因素分為4個主要方面：直升機(jī)、載艦、環(huán)境以及駕駛員。建立第一層的指標(biāo)集b=[b1,b2,b3,b4]；將第一層指標(biāo)bi(i=1,2,3,4)內(nèi)容進(jìn)一步細(xì)化，建立第二層指標(biāo)bij(1≤j≤ni，ni表示指標(biāo)bi中包含的指標(biāo)個數(shù))。這樣可以得到如圖5所示的直升機(jī)起降評估指標(biāo)體系。

圖5 著艦安全評估指標(biāo)體系

(2)按照評價因素的等級值相應(yīng)地采用評語集合，依據(jù)評價指標(biāo)體系，建立指標(biāo)評語集。模糊綜合評價模型對艦載直升機(jī)安全著艦時選取的評語分為很差、差、一般、較好以及很好5個等級，記為V={V1,V2,V3,V4,V5}，對應(yīng)的評價分值為P(V)={P(V1),P(V2),P(V3),P(V4),P(V5)}={5,4,3,2,1}。

(4)根據(jù)第二層指標(biāo)bij對評語等級Vm(1≤m≤5)的隸屬度rjm，建立第一層指標(biāo)的綜合評價隸屬度矩陣Ri。

(5)計算得出目標(biāo)層指標(biāo)b的綜合評價向量。經(jīng)模糊變換，得到第一層指標(biāo)的單因素評價向量，其計算公式如下：

其中“°”為模糊合成算子，文中選取的是M(·,?)型算子，該型算子是加權(quán)平均型算子，有較強(qiáng)的綜合程度，可以明顯地體現(xiàn)出權(quán)數(shù)的作用，具體運算方法為：

根據(jù)各單因素的評價向量，可以得到目標(biāo)層指標(biāo)b的綜合評價矩陣R。再經(jīng)過模糊變化，得到綜合評價向量B=W°R=[k1,k2,k3,k4,k5]。

(6)結(jié)合指標(biāo)評語集，得到評價對象的評價等級量化值，即為最終評價結(jié)果：

該方法基于實際的試驗結(jié)果，能夠較真實給出理論包線上各個狀態(tài)點的預(yù)評估結(jié)果，篩選出理論包線內(nèi)的關(guān)鍵狀態(tài)點進(jìn)行有針對性的著艦試驗。

基于著艦試驗的特點，美國海軍發(fā)展了PRS方法。該方法可以彌補庫珀哈珀方法在評估綜合的、多控制軸的復(fù)雜任務(wù)科目時的不足。通過這種方法，可以將影響試驗的所有不同的因素，例如操縱負(fù)荷、剩余操縱量、視野、心理負(fù)荷等，綜合到一個單一的數(shù)值。對于艦載直升機(jī)著艦試驗來講，PRS方法是一種簡單、快速、有效的駕駛員評估方法。該方法的判定流程如圖6所示。

圖6 PRS方法判定流程

試驗過程中如果出現(xiàn)了較大的振動、擾流，或遭遇飛行員誘發(fā)振蕩(PIO)等現(xiàn)象，導(dǎo)致PRS評價等級降級，則需要進(jìn)行一些必要的補充等級評價，來明確降級因素的嚴(yán)重程度，以供工程人員進(jìn)行分析。補充的內(nèi)容可能包括：振動等級評價、擾流等級評價、駕駛員誘發(fā)振蕩評價、工作負(fù)荷評價以及視覺助降設(shè)備(夜間)評價等。

根據(jù)PRS等級結(jié)果，并綜合考慮駕駛員主觀評述，以及其它補充的評價結(jié)果，進(jìn)行必要的分析后，判斷該試驗點是否到達(dá)起降風(fēng)險圖使用包線的邊界位置，以確定是否繼續(xù)進(jìn)行本試驗點或繼續(xù)向外擴(kuò)展。

4 試飛應(yīng)用及檢驗

試飛評估對象為某型艦載直升機(jī)，前期陸基試驗得到的試驗結(jié)果均滿足設(shè)計指標(biāo)要求。依據(jù)文中設(shè)計的艦面MTEs方法進(jìn)行了試驗，結(jié)果如表1所示，均滿足等級1要求。載艦上的飛行甲板、起降輔助設(shè)備等均滿足該型直升機(jī)著艦的要求。駕駛員按一般水平進(jìn)行處理。選取風(fēng)限圖上的(0°，40kn)狀態(tài)點進(jìn)行預(yù)評估。

表1 艦面MTE試驗結(jié)果

第一層的指標(biāo)權(quán)重由專家給出，為ω={ω1,ω2,ω3,ω4}={0.2,0.3,0.2,0.3}，第二層指標(biāo)的權(quán)重和隸屬度由表2給出。

表2 第二層指標(biāo)權(quán)重與隸屬度

將各單因素評價向量綜合后得到直升機(jī)綜合評價矩陣為:

綜合評價向量為B=ωi°R=(0.022,0.154,0.338,0.380,0.114)，由公式可以得到T=2.614。結(jié)果在一般、較好的評價之間,且偏于較好。

實際的著艦試驗時，( 0°，40kn)狀態(tài)點起降操作的PRS等級評價結(jié)果為等級3，駕駛員評價工作負(fù)荷較大，但是還可以接受，該狀態(tài)點可以進(jìn)一步向外擴(kuò)展。

使用模糊綜合評估法得到的預(yù)評估結(jié)果與實際的駕駛員PRS等級結(jié)果基本一致。因此可以利用模糊綜合法來對理論風(fēng)限圖中的各個狀態(tài)點進(jìn)行預(yù)評估，合理選擇包線內(nèi)的關(guān)鍵狀態(tài)點，有針對性地進(jìn)行著艦試驗，使用PRS方法給出最終的駕駛員評價等級，以確定直升機(jī)著艦飛行特性是否滿足要求。

5 結(jié) 論

艦面起降是一個連續(xù)的閉環(huán)任務(wù)科目，艦面環(huán)境的特殊性，導(dǎo)致該科目的試驗評估復(fù)雜且極具挑戰(zhàn)性。本文結(jié)合典型的著艦任務(wù)內(nèi)容和艦面環(huán)境特點，分析了與安全著艦相關(guān)的飛行特性需求，基于成熟的ADS-33E中的內(nèi)容，貼近使用，設(shè)計了一套艦面MTEs, 提前暴露出直升機(jī)飛行特性缺陷，基于試驗結(jié)果使用模糊綜合評價方法進(jìn)行預(yù)評估，篩選試驗狀態(tài)點。該方法能夠降低試飛風(fēng)險，減少試驗狀態(tài)點數(shù)量，縮短試飛周期。

采用PRS方法能夠簡單、快速、有效地對艦面著艦試驗進(jìn)行駕駛員等級評價。評價結(jié)果與理論包線趨勢吻合較好。該方法是對整個的試驗過程進(jìn)行等級評估，這樣既不打破整個試驗過程的連續(xù)性，又減少了試驗評估的工作量。

通過本文的研究，希望能為我國后續(xù)的艦載直升機(jī)試飛評估提供一定的技術(shù)參考。