关于eVTOL简化飞行操纵的两种控制理念

 

 

 

eVTOL飞行器面临的众多挑战之一是在不同的飞行状态下执行复杂的飞行控制任务，如悬停、前向飞行以及两者之间的过渡，重点是要保证低工作量和最低限度的飞行员培训。

 

基于矢量战斗机和复合旋翼机发展而来的两种不同控制策略是重要的讨论方向，这两种策略旨在简化飞机操纵，使操作员能够依赖直观的控制界面，从而最大限度地减少培训需求并降低操纵工作量。两种控制概念都建立在先前发展的思想之上。一个建立在“统一”控制概念基础上，该控制理念最初是由英国皇家飞机公司（RAE）在20世纪70年代和80年代专门为垂直起降战机而开发。该控制理念首先在AV-8B“鹞式”的矢量推力飞机先进控制系统（VAAC）上进行了测试；最近又在F-35B“闪电II”中得到了进一步发展和实施。另一个概念是基于20世纪90年代NASA兰利开发的所谓“E-Z飞行”控制概念。这一概念使通用航空飞机的飞行控制解耦，这种解耦使飞机“易于飞行”。为应对eVTOL全新构型，两种控制概念都得到了进一步的发展，并专门适用于UAM运行背景下的eVTOL整机。

 

统一控制理念


 

统一控制概念的动机是与垂直起降飞行固有复杂性相关。核心问题在于，翼载和喷气式飞行状态之间至关重要的过渡过程，“鹞式”战机飞行员必须同时操作三个独立的推进器，即右手操纵杆、左手操纵油门和左手操纵喷嘴杆。这增加了飞行员的工作量，需要高度的灵活性，更不用说精准的时间安排和顺序了。这也带来了明显更高的认知失败风险。即使是最好的飞行员也可能混淆油门和喷嘴的感受器，从而产生潜在的灾难性后果。

 

 

 

统一控制的起源通常可以追溯到皇家飞机公司（RAE）的技术备忘录FS312，该文件于1980年3月编制，概述了一种新的控制策略的初步建议，该策略可以在所有飞行状态下以单一模式运行。NASA Ames研究中心也努力开发了用于动力升降STOL和VTOL飞机的多模式、可变权限自动飞行控制系统的统一控制设计技术。NASA通过技术报告描述了此类系统的结构，该系统旨在处理STOL和VTOL飞机飞机固有的强非线性，允许与需要精确执行复杂轨迹的先进空中交通控制自动耦合，并允许执行各种主动控制任务。这里考虑的具体案例是增强型喷气STOL飞机。从1979年10月开始，RAE使用NASA Ames垂直运动模拟器参与了V/STOL悬停和着陆过渡的一系列研究。NASA通过技术备忘录总结了NASA Ames研究中心和贝德福德皇家空军研究中心在飞行控制系统和驾驶舱显示权衡方面合作从1979年到1992年所进行的活动，以应对未来V/STOL飞机的低速和悬停操作。

 

 

 

近年来，NASA团队参与了模拟实验，以评估控制和显示概念，并确定研究飞机的设计要求。所研究的控制系统将姿态和速度的控制解耦。因此，在“鹞式”中，在进近的早期选择了俯仰姿态保持，使飞行员的右手在俯仰平面上没有进一步的功能。在整个进近和悬停过程中，左手操纵杆前后操作以控制解耦的垂直速度，而左手拇指操纵器用于控制过渡时的减速和悬停时的纵向速度。右手全程控制倾转角，在向前飞行时提供转弯率，在悬停时提供横向加速度。飞行员发现解耦产生的功能分离很有吸引力，同时，模拟器中飞行的inceptor安排是次优的，因为它导致左手和右手之间的任务划很差。随后开发了一种解耦的飞行控制概念，该概念利用主动控制技术，通过最少数量的驾驶舱控制器来操纵飞行和推进。这导致了单一的统一控制功能想法，该功能“适用于所有飞行状态，并允许飞行员仅使用主要的右侧和左侧控制手柄飞行，而无需改变模式。

 

并假设了一种基于四个面的控制策略：

 

1）inceptor通常控制飞机和inceptor运动相同的方向上运动；

 

2）每只手操作的inceptor数量应尽量减少；

 

3）驾驶舱的工作量应平均分配在左手和右手之间；


 

4）在飞行的最关键阶段，没有必要将任何一只手移开，包括起飞和降落。

 




 

大量地面模拟实验的结果表明，通过集成飞机飞行和推进控制，飞行员可以在恶劣条件下（低能见度和强风）以可接受的培训实现高度精确的操作。数字电传控制的可用性使实施统一控制设计成为可能。

 

 

 

 

过去用于评估统一控制概念的不同VSTOL（研究）飞机

 

 

统一控制器模式，从命令到目标的映射

 

E-ZFly控制概念


 

20世纪90年代，在NASA兰利的一个有人驾驶模拟器上开发并评估了一种解耦的线控飞行控制系统，称为“E-Z fly”，并结合了平视显示器。控制律由四条主要的控制路径组成，每条路径都涉及比例和积分（PI）控制动作。纵向转轮控制着垂直速度，油门操纵杆控制空速。这些控制法则优先考虑垂直速度而非空速，空速始终保持在失速速度以上值。横向转轮控制侧倾角，从而控制转弯率，方向舵踏板控制着下倾角度。所有控制律都包含对指令参数可能范围的限制，以防止不合理和/或危险的指令，例如指令空速低于失速速度。这些解耦使飞机“易于飞行”。评估中使用的测试对象主要是非飞行员，他们在数据运行前没有接受任何训练或实践，尽管缺乏经验和训练，但所有测试对象在第一次运行时都能完成复杂的驾驶任务。驾驶任务是在能见度较低的条件下进行的，包括从起飞到着陆的一系列常见机动。还研究了控制系统的变化、图形显示格式以及风和湍流条件的影响。定量和定性数据说明了先进的控制装置和显示器相对于传统控制装置和仪器的巨大优势。E-Z Fly控制系统明显优于传统的机械控制系统。所有受试者都更喜欢E-Z-Fly控制系统，并且实际上，E-Z-Fly控制系统对受试者的性能和控制活动的每一个定量测量都更好。如果没有E-Z飞行控制系统，新手测试对象会失去控制。然而，需要注意的是，尽管E-Z-Fly是新手飞行员的优秀控制概念，但最初并不是为垂直起降整机而开发的。

 

EZ-Fly控制器模式，从命令到目标的映射