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浅谈大迎角-过失速飞行控制技术

访问次数: 1822 次    作者: 远望智库高级研究员 杨军威    发布时间: 2018-11-04

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推力矢量发动机对战斗机有着诸般妙用,可以大幅优化短距起降性能,挖掘战机极限潜能,突破大迎角/过失速这一“飞行禁区”,进而显著提高机动性和敏捷性,这对战斗机快速夺取空中作战优势有着重大意义。

然而,有了推力矢量发动机,就可以冲入“大迎角/过失速区”大杀四方了么?答案是否定的!

A:这无异于一个根本不懂剑法的人上台舞剑,行家一看就是班门弄斧,岂不贻笑大方?

B:这无异于让不懂骑术的人,驾着烈马上阵杀敌,只会自受其害。

俗话说,好马配好鞍,宝剑赠英雄,想要上阵杀敌,还需要与之匹配的“剑法”,可这份“剑法”也绝非易予之物,其设计难度之高、挑战之大,相比于推力矢量发动机的研制,也不遑多让,内里乾坤,容小编细细道来。

 

 

1. “剑法”是什么?

 

 

 

众所周知,数字电传飞行控制系统是现代战斗机最重要的系统之一,该系统的首要作用是使战斗机具有良好的稳定性,并提供优异的操纵性。该系统建立了从飞行员的操纵指令到全机所有控制执行机构的映射关系,基于对飞行感知信息,通过飞行控制律算法的综合计算,形成控制指令,驱动执行机构,形成所需要的操纵力/力矩,使战斗机具有满意的飞行品质,确保系统可靠性和飞行安全性,实现了飞行控制从关注“我得怎么飞”到“我想怎么飞”的跨越,离了它无法进行安全飞行,把它说成是飞行员的半条命,也丝毫不为过。

该系统集余度管理、容错控制、高安全性鲁棒控制律、先进机械/液压/电子等多种跨专业核心关键技术于一身,实实在在是历时数十年花费了科技工作者无数心血书写出的绝世“剑法”。

推力矢量发动机,在数字电传飞行控制系统这篇“剑法”的眼中,是控制执行机构的一种,但却又是远超常规的那一种,致使常规的“剑法”也难以驾驭,想到大迎角/过失速区去遨游,仍面临着“飞行禁区的巨大不确定性”、“对飞行状态/环境的感知异常”、“突变气动特性的认知壁垒”、“与常规控制系统的兼容性”、“巨大的试飞风险”等诸多问题,无一不是影响飞行安全的重要问题。

那么,想要驾驭推力矢量发动机,究竟需要怎样的“剑法”呢?

 

 

 

2. 大迎角/过失速飞行控制的“剑法”要怎样才能炼成?

 

2.1. 剑法总纲,架构先行

 

 

战斗机想要进入大迎角/过失速区遨游,首要考虑的问题包括:

(1)推力矢量发动机要怎样纳入战斗机的整体数字电传飞行控制体系?

(2)在我国尚属新鲜产物的推力矢量发动机,如果在大迎角/过失速这一“飞行禁区”内发生意外,怎样应对?

(3)“飞行禁区”内气动特性情况极为复杂,势必诱发对飞行状态/环境的感知异常,又应以如何的策略来应对?

(4)在“飞行禁区”一旦进入了临界失控的极度危险状态,又需要怎样的策略来退出?

这些都是需要数字电传飞行控制系统的“骨架”技术这一“剑法”之总纲来回答,涉及到飞/推综合控制系统、高安全飞行控制律和自动处置等功能模块框架,协调处理大迎角/过失速机动控制、故障控制、反尾旋、控制增稳在内的多种功能,继而形成浑然一体的有机整体,才好上阵杀敌。

在解决了架构问题的基础上,还有很多具体的“剑招”难题需要突破。

 

 

2.2. 非定常+强耦合,“现控”打破“经典困局”

 

 

想要在大迎角/过失速区遨游,核心问题还是需要克服战斗机本体特性的突变,这主要存在以下两个方面的典型特征:

(1)非定常特性:是指在大迎角/过失速区战斗机受到的气动作用具有明显的时变/滞环现象,从而使得飞行状态的变化和气动控制面效率具有高度的不确定性,难以用数学模型进行精确描述,这些不再仅和飞行状态有关,更和到达该飞行状态的过程密切有关。这就麻烦大了,如同婴儿的一样,稍有影响,开心和哭闹只在瞬间,这就是非定常特性。

(2)三轴强耦合特性:是战斗机不可避免的固有物理特性,导致的现象是单轴的输入不仅会引起本轴响应,还会影响其他轴状态的非指令性运动,就像是“打了小的来了老的”,该现象在常规飞行区还不是很严重,但会随着大迎角/过失速区的深入而愈加明显和剧烈,逐渐演变成“打一个小的,来了一群老的”,意味着飞行控制需要统筹考虑。

面对于此,经典的离线设计方法是无法解决问题的。因为,其本质是建立了一种基于飞行状态点调整控制器参数的、“按图索骥”式的映射关系,一旦飞行状态点不能唯一的表征战斗机的特性,战斗机的响应特性不再具有离线的可预测性,则整个经典设计方法当即失效。

唯一的出路是走向在线的“学习”,通过对外部环境的实时观测跟踪,及时地通过控制进行与之相配的动作,才有可能从根本上解决这种离线的不可预测性,这就要求控制理论设计方法需要完成从“经典”向“现代”的跨代发展,风险巨大。

 

 

2.3. 数据融合,听声亦可辨位

 

 

也是由于大迎角/过失速区的突变气动特性,导致很多对飞行状态/环境的传统感知系统,特别是测量关键控制参数的大气数据系统的感知难度激增,受原理限制,在该区域内如同雾里看花无法得到准确信息,传统方法测量结果可能与真实情况大相径庭。

因此必须基于多源多种类的飞行感知信息,通过复杂的数据融合,推衍出相对准确的完整信息,才能够为实现“飞行禁区”内的“漫步”奠定坚实的基础。

 

 

2.4. 快慢两极,融合之道

 

 

解决了“气动突变的本体特性”和“感知”的外部问题,接下来面临的是一个内因问题。

众所周知,舵面的变化速度高于发动机的推力变化速度,一个快,一个慢,这就使得推力矢量操纵能力和气动操纵能力根本不在一个频道,要怎样才能融合快慢两极,让“急性子”和“慢性子”搓到一起,为了共同的控制目标而使出“合力”来呢?

因此,需要控制分配中,除了考虑传统的静态分配外,还需要将快慢性子各不相同的动态特性加入进去,形成动态协同控制分配方案,才能保证能者多劳、快慢有序。

 

 

2.5. 迷雾缭绕,缩比趟路

 

 

是不是炼成了以上剑招,就可以到战斗机上试飞了呢?以前是,但在大迎角/过失速区这里则不行。

由于大迎角/过失速机动的试飞是高风险科目,为了规避战斗机的试飞风险,一方面需要对飞行控制系统、大迎角控制律以及大气数据系统进行检验,另一方面更需要突破从未涉足的大迎角/过失速“飞行禁区”的认知壁垒,因此在战斗机试飞之前,可以借助高相似性的缩比模型自由飞技术进行“实战练剑”式的飞行试验。这就像是,但凡高手在大功告成之前,都需要用实战来磨砺完善剑法,对剑法进行进一步的推敲和完善,精益求精。

缩比模型自由飞需要基于动力学相似规律,也就是说必须严格地控制模型的尺寸、外形、质量、动力等特性按照相似性准则对真实飞机等比例缩放,甚至采用真实飞行的等效控制算法,通过试飞验证指导设计优化工作,拓展了对“飞行禁区”战斗机响应特性的理解,用实践来检验真理,才能最终形成完善的剑法。

 

 

2.6. 反复打磨,人剑合一

 

 

有了宝剑,有了剑法,可还缺少用宝剑的人呐,这就是至关重要的一环——试飞员。大迎角/过失速区如此危险,试飞员可是要冒着生命危险去的,对于这类高风险科目,试飞员的水平和能力可是备受考验的。

俗话说“台上一分钟,台下十年功”,在研制过程中,需要试飞员提前介入设计。通过传说中的高逼真度的飞行模拟器和地面“铁鸟”试验等手段,为试飞员提供地面模拟飞行训练条件。试飞员试验过程中,不断提高认知,熟悉系统,实现人剑合一,只有到了这时,才敢撒开膀子干呢!同时,试飞员提供的模拟飞行评价建议,也为设计优化提供宝贵意见。

 

 

 

3. 结束语

 

 

 

先进战斗机对突破大迎角/过失速区的急迫性,犹如久旱逢甘霖。在科研工作者们的辛劳奋斗中,诞生了推力矢量发动机这柄绝世宝剑,催生了飞行控制系统这本“剑法”的突破,再加上具备高超技巧和胆识超群的试飞“英雄”,才能促成带推力矢量战斗机的成功。

 

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