田 磊

（中國飛行試驗研究院飛機所，陜西 西安 710089）

直升機飛行品質(zhì)試飛是直升機飛行試驗的重要部分，良好的飛行品質(zhì)是飛行員安全飛行、順利完成任務(wù)的重要保障。以ADS-33E 和GJB-902B 為依據(jù)的軍用直升機飛行品質(zhì)規(guī)范強調(diào)了針對直升機的作戰(zhàn)和使用能力的考核，其核心思想是直升機的飛行品質(zhì)由直升機完成任務(wù)的能力水平和飛行員的工作負荷來決定[1-2]。通過執(zhí)行規(guī)定的任務(wù)科目，基于飛行員的工作負荷及任務(wù)能力的指標符合性，最終確定直升機的飛行品質(zhì)等級。目前，飛行品質(zhì)任務(wù)科目中飛行員工作負荷評價仍然以庫珀哈珀評價（HQRs）作為主要依據(jù)[3]。但HQRs 作為一項飛行員的主觀評價會受很多因素（如飛行員水平和樣本量等）的影響，會限制這些評價的實際效用[4]。因此，為進一步提升直升機飛行品質(zhì)試飛考核的可靠性，需要建立一種可用于描述飛行員工作負荷的客觀指標，用于量化飛行員的工作負荷。

對飛行員任務(wù)工作負荷的評價是近幾十年來飛行品質(zhì)研究的重點難點內(nèi)容，針對傳統(tǒng)HQRs 方法潛在的缺點，國內(nèi)外都開展了大量的研究。國外Field 等人通過對飛行員操縱動作的時域分析，包括操縱幅值、時間等嘗試對飛行員負荷進行量化[5]。近年來，Padfield 等人開展了基于頻率的飛行員試飛動作的分析，用于進一步描述或量化飛行員操縱和工作負荷之間的聯(lián)系[6]。Gray 等構(gòu)建了一種飛行員工作負荷二維圖像，通過工作周期與迅猛程度描述飛行員的工作負荷[7]。國內(nèi)李琳君等進行了飛行負荷評價技術(shù)與方法的研究，主要從試飛員的角度給出了飛行負荷評價的程序和建議[8]。王黎靜等開展了機組工作負荷評價方法的研究，其主要側(cè)重于生理負荷及綜合評價技術(shù)[9]。本文結(jié)合加拿大變穩(wěn)直升機飛行試驗評估結(jié)果，在國內(nèi)外研究的基礎(chǔ)上，建立“時間-頻域-能量”的三維尺度模型，開展飛行員操縱負荷的評估技術(shù)研究，使試飛員及試飛工程師能夠更加清晰準確地定位直升機任務(wù)科目試飛工作負荷，合理認定直升機飛行品質(zhì)。

1 理論模型

目前，數(shù)據(jù)的頻域分析在許多領(lǐng)域都有應(yīng)用，包括特征信息的識別、目標探測、響應(yīng)特性分析等。Remple和Tischler[10]通過試驗證明通過頻域分析可以很好地估計飛行員任務(wù)中的截止頻率，但無法反映飛行員操縱策略在時間軸上的變化。根據(jù)Gray 提出的飛行員工作負荷二維分析方法[7]，當動作點從原點移開時，駕駛員的工作負荷會增加，工作負荷會在任務(wù)的過程中變化，該描述的駕駛員的工作負荷與ADS-33 任務(wù)科目的飛行品質(zhì)評價要求基本一致，但在小幅高頻操縱時該方法會出現(xiàn)較大的差異。本文在該理論的基礎(chǔ)上，通過時頻分析的數(shù)據(jù)處理方法，對駕駛員的各軸向操縱輸入進行頻域分析，如式（1）所示，建立“時間-頻域-能量”的三維尺度函數(shù)，表征能量在頻率和時間歷程上的分布。通過將三維尺度函數(shù)圖選取合適的窗函數(shù)進行分割，使三維圖分布在整個時間窗口中，從而表征飛行員操縱動作在任務(wù)中從一個時間窗口到下一個時間窗口的變化。通過三維尺度函數(shù)可以為飛行員的操縱動作分析提供重要的信息，但它本身并不能提供一個清晰的指標?；诖耍M一步對不同時間-頻率下操縱輸入信號δ（u）的三維尺度函數(shù)進行加權(quán)，從而建立一套飛行量化評估標準，定義為負荷函數(shù)S，如式（2）所示。

其中T 為動作時間，F(xiàn) 為頻率，P 為功率譜，S 為負荷函數(shù)。

通過式（2）可得到各軸任務(wù)時域、頻域范圍內(nèi)的負荷函數(shù)的量化數(shù)值，由于直升機不同軸向操縱設(shè)計及任務(wù)精度保持需求的差異，飛行員實際飛行中各軸操縱輸入所導致的負荷基準不同，無法通過單一的量化數(shù)值同時界定不同軸的負荷等級。為解決該問題，在函數(shù)中引入各軸負荷函數(shù)基準值（Swx0、Swy0、Swz0、Swf0）的定義，將各軸的負荷結(jié)果歸一化，以增強各軸負荷的橫向?qū)Ρ茸饔?，從而進一步表征直升機任務(wù)的總體負荷。負荷函數(shù)基準值建議通過經(jīng)驗豐富的飛行員的HQR 評價給出，或通過多次試驗給平均值，基于該基準建立飛行員的量化評估結(jié)果。根據(jù)選取的任務(wù)科目，對各軸負荷函數(shù)S 進行加權(quán)，最終得到飛行員任務(wù)負荷的量化函數(shù)曲線。

其中Swx、Swy、Swz、Swf為對應(yīng)軸的負荷數(shù)值結(jié)果，Swx0、Swy0、Swz0、Swf0為對應(yīng)軸的負荷函數(shù)的基準值，SMTE為該完成任務(wù)單元的負荷結(jié)果。

2 試驗過程

本研究試驗機選取加拿大國家研究中心CNRC 飛行試驗研究室Bell-205 變穩(wěn)直升機。Bell-205 變穩(wěn)直升機能夠通過改變控制律及三軸增益，模擬不同飛行品質(zhì)等級的直升機狀態(tài)，為ADS-33 系列直升機飛行品質(zhì)規(guī)范的研究及指標的發(fā)展提供了很好的數(shù)據(jù)支持[11-12]。

試驗通過設(shè)置不同的變穩(wěn)直升機的控制律及增益模式，模擬不同的直升機飛行品質(zhì)等級。飛行員按要求操縱直升機執(zhí)行規(guī)定的任務(wù)科目，獲取不同飛行品質(zhì)等級的試飛數(shù)據(jù)結(jié)果，并根據(jù)任務(wù)完成情況及操縱負荷完成庫珀哈珀評價，得到飛行員負荷評價結(jié)果。通過建立的飛行員負荷三維尺度模型對試飛數(shù)據(jù)進行處理，將得到的負荷函數(shù)結(jié)果與飛行員評價結(jié)果進行對比分析，最終形成可量化的數(shù)值函數(shù)曲線。

試驗科目選取精確懸停任務(wù)，飛行員操縱直升機從45°斜側(cè)方，以地速10～20km/h 側(cè)向漸進至設(shè)置的目標懸停點，轉(zhuǎn)入穩(wěn)定懸停，穩(wěn)定懸停時間不少于30s，懸停過程中要求保持高度、航向及位置穩(wěn)定并以達到任務(wù)要求的滿意性能為目標[2]。精確懸停屬于直升機通用任務(wù)科目使用要求，用于評估直升機精確懸停過程中的多軸協(xié)調(diào)操縱，具備一定的任務(wù)典型性。在精確懸停任務(wù)過程中，評價者通過機上參數(shù)指示對航向控制可形成最為明顯的主觀感受，因此試驗設(shè)計主要通過設(shè)置航向軸控制律及反饋參數(shù)，實現(xiàn)不同飛行品質(zhì)的模擬?？v、橫及總距軸控制律設(shè)置為RC（速率響應(yīng)），控制律及設(shè)置參數(shù)在整個試驗過程中保持不變，航向軸控制律及參數(shù)設(shè)置如表1 所示。

表1 試驗控制律設(shè)置

3 試驗結(jié)果及分析

圖1～圖4 給出了Bell-205 變穩(wěn)直升機在表1 試驗條件下完成精確懸停任務(wù)科目的時間歷程曲線，數(shù)據(jù)曲線給出了直升機任務(wù)過程的三軸操縱位移及高度、速度、航向等參數(shù)信息。對比圖1-圖4 時間歷程曲線，可以看出B 工況下航向保持精度較差，超出5°航向保持精度要求，未達到滿意性能指標，其余試飛結(jié)果性能指標均能達到任務(wù)要求的滿意指標[1]。根據(jù)試飛結(jié)果及飛行工作負荷，飛行員針對四次試驗分別給出了4.0，4.8，3.0，2.0 的HQR 評價，如表2 所示。

表2 基于模型各軸的負荷數(shù)值結(jié)果

圖1 條件A 時間歷程曲線

圖2 條件B 時間歷程曲線

圖3 條件C 時間歷程曲線

圖4 條件D 時間歷程曲線

對比圖1-圖4 的各軸操縱位移的時間歷程曲線，除圖4 因接通RCDH 響應(yīng)航向軸無明顯操縱外，很難直觀從操縱位移的時間歷程響應(yīng)分辨出飛行員操縱負荷及HQR 評價的依據(jù)。采用時頻分析方法對原始操縱響應(yīng)進行頻域處理，得到精確懸停任務(wù)飛行員操縱在各個頻段及時間的分布三維尺度模型結(jié)果。以航向軸操縱響應(yīng)為例，圖5-圖8 給出了不同試驗條件下航向操縱的三維尺度圖。對比分析可以看出，在整個試驗過程中，航向操縱響應(yīng)的頻域覆蓋范圍隨控制律變化無明顯差異，均處在低頻范圍內(nèi)。但通過能量在整個任務(wù)時間尺度上的分布，四次試驗操縱響應(yīng)在能量區(qū)間上存在明顯的差異性。飛行員操縱能量在整個時間軸上并不是一個連續(xù)的函數(shù)，在試驗過程中存在能量集中區(qū)域，而該能量分布與實際任務(wù)過程中實際飛行員的操縱策略及操縱負荷直接相關(guān)，通過該能量分布的現(xiàn)象表征可以體現(xiàn)飛行員在整個過程中的操縱策略。根據(jù)整個飛行過程中飛行員負荷函數(shù)S 對各軸能量進行加權(quán)，給出了各軸的負荷數(shù)值結(jié)果，如表2 所示。其中航向軸四次試驗結(jié)果分別為1286.43、2449.91、973.42、11.63，負荷數(shù)值的差異可以解釋HQR 的評級結(jié)果。本次試驗選取初始條件A 作為負荷函數(shù)基準值，對各軸的負荷函數(shù)進行無量綱化加權(quán)平均，得到飛行員HQR評價與飛行員工作負荷的數(shù)值量化關(guān)系曲線，如圖9所示。根據(jù)試驗條件設(shè)置，B 工況下航向保持最為苛刻，在相同的任務(wù)目標下，由此產(chǎn)生的操縱動作迅猛程度大于其他工況條件，即所需操縱負荷也高于其他試驗條件，與曲線結(jié)果的規(guī)律相一致。通過曲線函數(shù)可直觀量化飛行員操縱負荷的評估結(jié)果，可以為飛行員的負荷評價提供數(shù)據(jù)支撐。

圖5 條件A 航向軸三維頻譜圖

圖6 條件B 航向軸三維頻譜圖

圖7 條件C 航向軸三維頻譜圖

圖8 條件D 航向軸三維頻譜圖

4 結(jié)論

本文通過建立基于頻域的駕駛員操縱負荷的三維尺度模型，通過飛行試驗將三維尺度模型的分析結(jié)果與飛行員評價進行了對比分析，可以得到以下結(jié)論。

（1）通過基于頻域的三維尺度模型方法有效識別飛行員操縱輸入在整個時間軸上的頻率-能量分布，有助于辨識任務(wù)過程中飛行員的操縱策略及操縱負荷。

（2）本文建立的操縱負荷模型可有效對飛行員的操縱負荷進行量化描述，通過無量綱化的函數(shù)曲線進一步對飛行員的操縱負荷及HQR 的評價提供數(shù)據(jù)支撐。