直升机尾旋翼失效研究

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成果发表

天目山实验室智能飞行管理与机载能量综合中心焦宗夏院士团队在直升机尾桨失效情况下的着陆轨迹和控制优化研究方面取得重大突破！相关研究成果近日在国际知名学术期刊《Aerospace Science and Technology》上发表，天目山实验室为第一完成单位。该技术未来将全面应用于提高直升机在尾桨失效情况下的安全着陆性能。

Elsevier旗下知名学术期刊《Aerospace Science and Technology》今年刊登了天目山实验室的最新研究成果“Landing Trajectory and Control Optimization for Helicopter Encountering Different Tail Rotor Pitch Lockups”。该研究构建了一种精确的直升机非线性飞行动力学模型，专门用于模拟直升机在遭遇尾桨故障时的复杂飞行行为，并在此基础上，提出了创新的着陆轨迹与控制策略优化方案。该研究的结论与实际直升机飞行测试中的安全着陆建议高度吻合，为飞行员在面临尾桨失效的紧急情况下提供了切实可行的安全着陆指导。

天目山实验室副研究员严旭飞为文章第一作者，天目山实验室为论文第一完成单位。该论文联合Swansea University袁野教授团队、南京航空航天大学陈仁良教授团队共同完成。

单旋翼带尾桨直升机依赖尾桨来抵消主旋翼产生的反扭矩，并实现航向的精确控制。因此，尾桨一旦发生完全或部分故障，将对直升机的操作安全构成严重威胁。近年来，尾桨相关的问题已成为直升机事故的主要诱因之一，约占所有此类事件的三分之一。直升机尾桨故障大致可以分为三种类型：气动失效、彻底失效以及卡滞（锁定）。

气动失效通常由涡环状态引起，此时尾桨无法有效产生所需的横向力，导致其效率大幅下降。在这种情况下，飞行员可以通过加速直升机前进速度，利用相对气流来帮助打破尾桨周围的涡环效应，从而恢复尾桨的功能。这种类型的失效往往较为容易识别和处理。当遇到彻底尾桨失效时，意味着尾桨失去了产生任何横向力的能力。这可能导致在中低速飞行状态下，尤其是在大偏航角速度下，机身出现剧烈偏转。面对这种情况，推荐采取紧急措施如执行自转降落以确保安全着陆。尾桨卡滞（锁定），指的是尾桨距调整机构被锁死在一个特定位置上，无法进行正常调节。这种冻结状态下的控制难题在于，无论怎样改变发动机功率、飞行速度或是侧滑角度，都有可能引发方向控制上的失衡。据统计，尾桨卡滞是上述三类故障中最常见的，大约占到了总案例数的三分之二。

为了应对这些问题，科研人员已经开展了多项研究工作，包括开发健康监测与预测系统、深入分析疲劳损伤机制、优化控制算法并通过仿真测试等方法。然而值得注意的是，在如何为遭遇尾桨卡滞情况下的飞行员提供最佳着陆轨迹指导及控制策略方面，目前仍缺乏专门的研究成果。因此，本文旨在研究直升机的最优着陆轨迹和飞行员控制策略，为飞行员在面临尾桨失效的紧急情况下提供切实可行的安全着陆指导。该研究不仅在理论上具有创新性，而且在实际应用中具有重要的工程价值。

(a) UH-60A黑鹰直升机	(b) 直升机旋翼气动建模框图
(c) 飞行动力学模型配平状态验证	(d) 飞行动力学模型动态响应验证

图1. UH-60A黑鹰直升机动力学建模与验证

该研究首先利用UH-60A直升机作为原型，建立了飞行动力学模型和驾驶员模型。主旋翼气动力计算使用叶素理论，并考虑分离流动和跨音速压缩性效应。诱导速度采用Pitt-Peters动态入流模型描述，并考虑地面效应与涡环状态。研究将安全着陆和控制优化问题表述为非线性最优控制问题，并使用直接多重打靶法和序列二次规划算法进行数值求解。通过与UH-60A直升机的飞行测试数据对比，验证了飞行动力学模型的准确性和最优控制算法的有效性。

图2. 直升机最优控制模型框图

图3. 直升机尾桨失效情况下的控制策略数值优化过程

图4. 直升机自转着陆最优解与试飞数据的比较

通过与实际飞行测试数据的比较，证明了所提出的最优控制方法的有效性。最后，文章分别对直升机高尾桨距锁定与低尾桨距锁定情况下的最优着陆轨迹及控制策略进行了计算分析。

研究揭示，在直升机尾桨处于高桨距锁定状态时，建议飞行员采取高功率状态下的着陆策略，即维持发动机在高功率输出，同时减少前进速度与下降速率。相较之下，当尾桨处于低桨距锁定状态，虽然保持经济飞行速度（即低功率状态）较为适宜，但这并不利于随后的安全着陆。若飞行员在此情形下尝试进行标准着陆，着陆瞬间的偏航角速度可能会异常高，带来极大的安全隐患。与此相对，采取自转着陆的方式将显著提升着陆的安全性，同时大幅降低着陆时的偏航角速度，确保飞行员与乘客的安全。