XV_15倾转旋翼飞机飞行控制系统概述

倾转旋翼飞行器的论证与研究1倾转旋翼飞行器概述1.1历史沿革；倾转旋翼飞行器是一种介于固定翼飞机与普通直升机之间的一种新型飞行器。

是由直升机发展而来，是为解决直升机速度较慢问题而衍生出的一种新型结构飞行器，是未来直升机发展的必然趋势。

1.2典型应用；倾转旋翼机能完成直升机所能完成的一切任务，由于其速度快、航程远、有效载荷较大等优点，因此它特别适合执行兵员/装备突击运输、战斗搜索和救援、特种作战、后勤支援、医疗后撤、反潜等方面的任务。

除此之外，在民用运输方面，由于常规直升机经济性差、速度较小、振动大，因而作为一种运输工具受到了很大限制。

而倾转旋翼机的飞行速度与支线客机相近，可在没有机场的任何地区执行运输任务，特别适用于经济不发达地区的开发和建设，可以局部替代支线客机成为现代化空中运输网的一个重要组成部分，在商业上具有极高的价值，它不仅解决部分空港和跑道拥挤问题及边远地区的运输问题，而且其运输成本要比常规直升机和固定翼飞机低得多。

1.3倾转旋翼机定义；倾转旋翼飞行器是在机翼两端各安装一可变向的旋翼推进装置，整个推进装置可以绕机翼轴由朝上与朝前之间转动变向，并能固定在所需方向，因此能产生向上的升力或向前的推力。

倾转旋翼飞行器兼顾了固定翼飞机和直升机的优点，可以如普通直升机一样垂直起降和在空中悬停，又可以像固定翼飞机一样以较高的速度进行巡航飞行。

当旋翼飞行器推进装置垂直向上时，旋翼轴垂直于地面，呈横列式直升机飞行状态，并可在空中悬停、前后飞行和侧飞；需要平飞时，其操作系统可改变旋翼上升力的大小和旋翼升力的倾转方向，以使飞机保持或改变飞行状态。

在起飞之后，推进装置可转90度到水平位置，呈水平状态，旋翼当作拉力螺旋桨使用，像固定翼飞机一样依靠机翼产生升力飞行倾转旋翼机是一种性能独特的旋翼飞行器。

它既具有普通直升机垂直起降和空中悬停的能力，又具有涡轮螺旋桨飞机的高速巡航飞行的能力。

因为倾转旋翼飞机具有技术复杂，研制周期长，耗资巨大等特点。

飞机飞行控制系统飞行控制系统(简称飞控系统)的作用是保证飞机的稳定性和操纵性，提高飞机飞行性能和完成任务的能力，增强飞行的安全性和减轻驾驶员的工作负担。

3.4.1. 飞行控制系统概述飞控系统分类飞控系统分为人工飞行控制系统和自动飞行控制系统两大类。

由驾驶员通过对驾驶杆和脚蹬的操纵实现控制任务的系统，称为人工飞行控制系统。

最简单的人工飞行控制系统就是机械操纵系统。

不依赖于驾驶员操纵驾驶杆和脚蹬指令而自动完成控制任务的飞控系统，称为自动飞行控制系统。

自动驾驶仪是最基本的自动飞行控制系统。

飞控系统构成飞控系统由控制与显示装置、传感器、飞控计算机、作动器、自测试装置、信息传输链及接口装置组成。

控制及显示装置是驾驶员输入飞行控制指令和获取飞控系统状态信息的设备，包括驾驶杆、脚蹬、油门杆、控制面板、专用指示灯盘和电子显示器(多功能显示器、平视显示器等)。

传感器为飞控系统提供飞机运动参数(航向角、姿态角、角速度、位置、速度、加速度等)、大气数据以及相关机载分系统(如起落架、机轮、液压源、电源、燃油系统等)状态的信息，用于控制、导引和模态转换。

飞控计算机是飞控系统的“大脑”，用来完成控制逻辑判断、控制和导引计算、系统管理并输出控制指令和系统状态显示信息。

作动器是飞控系统的执行机构，用来按飞控计算机指令驱动飞机的各种舵面、油门杆、喷管、机轮等，以产生控制飞机运动的力和力矩。

自测试装置用于飞行前、飞行中、飞行后和地面维护时对系统进行自动监测，以确定系统工作是否正常并判断出现故障的位置。

信息传输链用于系统各部件之间传输信息。

常用的传输链有电缆、光缆和数据总线。

接口装置用于飞控系统和其他机载系统之间的连接，不同的连接情况可以有多种不同的接口形式。

图3.4.1 飞行控制系统基本原理飞控系统基本工作原理除个别的开环操纵系统(如机械操纵系统)外，所有的飞控系统都采用了闭环反馈控制的工作原理。

图3.4.1是通用的飞控系统基本工作原理框图。

倾转旋翼飞行器是一种同时具备直升机和固定翼飞机特点的新型飞行器。

其构型主要包括机翼和旋翼系统。

机翼负责提供飞行器在旋翼模式和固定翼模式下的升力，而旋翼系统则负责提供飞行器在旋翼模式下的飞行控制和悬停能力。

旋翼系统是倾转旋翼飞行器的核心部分，它可以在垂直位置和水平位置之间转动。

在直升机模式下，旋翼系统呈垂直状态，提供飞行器的升力并实现垂直起降、悬停、侧飞和后飞等飞行操作。

而在固定翼飞机模式下，旋翼系统呈水平状态，提供飞行器的推进力，使飞行器能够进行高速远程飞行。

倾转旋翼飞行器的构型可以根据实际需求进行优化和调整，例如通过改变机翼和旋翼系统的设计、材料和制造工艺等，来提高飞行器的性能、稳定性和安全性。

以上内容仅供参考，如需更专业全面的信息，建议查阅航空航天类书籍或咨询航空专家。

第二十四届（2008）全国直升机年会论文小型无人倾转旋翼机飞行操纵控制系统研究郭剑东 宋彦国 夏品奇（南京航空航天大学 直升机旋翼动力学重点实验室，南京 210016）摘 要: 本文通过研究倾转旋翼机的飞行动力学模型，建立了小型无人倾转旋翼机在直升机、倾转及飞机飞行模式的飞行力学模型。

仿真计算得出配平工作点处各通道的操纵量和飞行器的飞行姿态，并提取了工作点处的线性模型。

采用特征结构配置理论实现了小型倾转旋翼机的角速率解耦控制（RCAH ），在各通道解耦的基础上利用经典控制理论完成了姿态保持控制（ACAH ）。

通过仿真结果表明设计的控制系统具有良好的指令跟踪性能。

关键词：倾转旋翼机；非线性方程；特征结构配置；引 言倾转旋翼机属于垂直起降飞行器（VTOL ：Vertical Take-Off and Landing ）的一个重要分支，兼有直升机和飞机的优点，具有直升机垂直起降和空中悬停，固定翼飞机高速前飞的特点[1、2]。

飞行模式多样，具有直升机飞行模式、过渡飞行模式和飞机飞行模式，过渡飞行模式的操纵与控制技术是亟待解决的关键技术。

近年来我国十分重视倾转旋翼机相关技术的发展和理论知识的积累。

本文针对小型无人倾转旋翼机建立了全量非线性飞行动力学数学模型，并在Matlab 的Simulink 的仿真环境中建立飞行力学仿真模型，展开该飞行器飞行性能与操纵控制策略的仿真。

1 小型无人倾转旋翼机飞行动力学模型 1.1 数学模型分析该飞行器飞行操纵控制策略的基础是系统的飞行动力学数学模型。

在分析时假定小型倾转旋翼机为刚体，在空中的运动有6个自由度，即质心的3个移动自由度和绕质心的3个转动自由度。

其机体坐标系如图1所示。

分别建立倾转旋翼机的旋翼、机翼、发动机短舱、机身、平尾、垂尾的风轴坐标系，在各自坐标系中计算气动力及力矩，最后将力及力矩通过坐标转换至重心，各部件的计算方法参考[3、4]，合外力及外力矩分别为：),,(,,z y x i M F i i =即),,(z y x i = (1)其中，下标ir 表示右旋翼，il 表示左旋翼，iw 表示机翼（包括副翼），ip 表示发动机短舱，if 表示机身，ih 表示平尾（包括升降舵），iv 表示垂尾（包括方向舵）。

小型无人倾转旋翼机全模式飞行操纵控制文章根据飞行特点和相关知识建立了倾转旋翼机飞行的数学方程，通过模型确定了小型无人倾转旋翼机在直升、倾转和飞行模式下的通道操纵量和飞行姿态，得出了小型无人机各种状态下的飞行策略。

标签：倾转旋翼机；配平；解耦控制2.2 倾转模式飞行在对小型无人倾转旋翼机在倾转模式下进行配平时，倾角In 從0°变化到90°，前飞速度为16～25m/s，为了抵消桨叶有效迎角减小引起的推力足足问题，应增大桨叶的安装角即增加总距的操纵。

前飞速度增大升降舵偏角也会随着增大，在飞机进入倾转后期时，纵向周期变距明显减弱。

根据实验结果计算得机翼安装倾角为3°～5°时，倾转过渡模式可以较为顺利的过渡。

2.3 飞机模式飞行在对小型无人倾转旋翼机在倾转模式下对应图3中25～35m/s。

随着前飞速度增大，无人机的机身重力与升力互相平衡飞机平稳向前飞行。

飞行的动力由旋翼提供，由于速度不断增加所以总距操纵也相应增加。

图3中俯仰角随随飞速度增加而逐渐减小情况对应，与实际飞机固定翼飞机的飞行特性相吻合，均具有固定翼飞机的飞行特性。

2.4 全模式飞行对试验所用小型无人机进行各个飞行模式的试飞试验，同时对倾转旋翼机的转换走廊进行研究。

小型倾转旋翼机在直升机模式下垂直起飞，协调操纵总距和纵向周期变距是飞机模型进入倾转模式，通过旋翼和水平安定面相互协调操纵保持模型的平衡；主要由旋翼和水平安定面相互协调操纵，同时根据前飞速度对短舱的倾角进行调整；倾角In=90°时模型进入飞机模式飞行，此时模型机翼提供的升力与其重力相互平衡，前进速度由旋翼提供。

3 实际模型设计最终的实际模型在经历数次试验后经由Solidworks软件进行建模并转换为平面切割图纸后终于制作完成。

由于两轴模式对重心的要求极高，为了适应多种机型重心不同的情况，可选择在尾部安置类似直升机锁尾的变距结构，配套的动力应较主动力小一级别，这样即使重心出现偏差，也可以最大程度上修正平衡。

面向倾转旋翼机的TRC响应类型控制律设计作者：徐绍峰常绍平金鑫石鹏飞樊峪来源：《航空科学技术》2023年第09期摘要：倾转旋翼机操纵的复杂性对其任务能力提出了较高要求，而设计响应类型可以大幅提高其任务执行能力，减轻飞行员操纵负担。

本文设计了倾转旋翼机在直升机模式下的平移速率指令（TRC）响应类型控制律并进行了飞行品质的仿真验证。

首先，建立了基于机理法的倾转旋翼机非线性飞行动力学模型，并进行了线性化处理；其次，根据有人直升机飞行品质要求，设计了直升机模式下的TRC响应类型控制律；最后，进行了飞行品质的仿真验证。

仿真结果表明，设计的TRC响应类型满足相关品质规范要求，飞行品质达到等级1。

通过本文研究，能够显著改善倾转旋翼机在悬停/低速飞行状态下的操纵品质和精确机动能力，减轻飞行员操纵负荷，提升任务执行能力，满足倾转旋翼机近地低速机动飞行需求。

关键词：倾转旋翼机；响应类型；平移速率指令； ADS-33E；飞行品质中图分类号：V249.122+.2 文献标识码：A DOI：10.19452/j.issn1007-5453.2023.09.010基金项目：航空科学基金（20180718004）倾转旋翼机是一种兼具固定翼和直升机优势的新型高速飞行器，其既具有固定翼飞行器的高速巡航性能，又兼备垂直起降和空中悬停的能力，能够满足多种飞行任务需求，具有广阔的发展前景[1]。

倾转旋翼有人机分为直升机模式、过渡模式及固定翼模式三种飞行模式，飞行员的操纵十分复杂，尤其是在低速或悬停时，操纵负荷十分繁重，在执行舰面着舰、搜救跟进、海面悬停反潜、低空突防等任务科目时，需精确控制俯仰角和纵横向平移速度，进一步增大了操纵负荷，给飞行安全带来了隐患。

常用的响应类型包括角速率响应类型（RC）和姿态响应类型（AC）。

同直升机一样[2]，倾转旋翼机采用上述响应类型在低速或悬停状态下，需要频繁动杆操纵才能准确地判断倾转旋翼机的速度变化趋势，在不良目视条件下尤其增加了飞行员的操纵负荷。

飞机飞行控制系统飞行控制系统(简称飞控系统)的作用是保证飞机的稳定性和操纵性，提高飞机飞行性能和完成任务的能力，增强飞行的安全性和减轻驾驶员的工作负担。

3.4.1. 飞行控制系统概述飞控系统分类飞控系统分为人工飞行控制系统和自动飞行控制系统两大类。

由驾驶员通过对驾驶杆和脚蹬的操纵实现控制任务的系统，称为人工飞行控制系统。

最简单的人工飞行控制系统就是机械操纵系统。

不依赖于驾驶员操纵驾驶杆和脚蹬指令而自动完成控制任务的飞控系统，称为自动飞行控制系统。

自动驾驶仪是最基本的自动飞行控制系统。

飞控系统构成飞控系统由控制与显示装置、传感器、飞控计算机、作动器、自测试装置、信息传输链及接口装置组成。

控制及显示装置是驾驶员输入飞行控制指令和获取飞控系统状态信息的设备，包括驾驶杆、脚蹬、油门杆、控制面板、专用指示灯盘和电子显示器(多功能显示器、平视显示器等)。

传感器为飞控系统提供飞机运动参数(航向角、姿态角、角速度、位置、速度、加速度等)、大气数据以及相关机载分系统(如起落架、机轮、液压源、电源、燃油系统等)状态的信息，用于控制、导引和模态转换。

飞控计算机是飞控系统的“大脑”，用来完成控制逻辑判断、控制和导引计算、系统管理并输出控制指令和系统状态显示信息。

作动器是飞控系统的执行机构，用来按飞控计算机指令驱动飞机的各种舵面、油门杆、喷管、机轮等，以产生控制飞机运动的力和力矩。

自测试装置用于飞行前、飞行中、飞行后和地面维护时对系统进行自动监测，以确定系统工作是否正常并判断出现故障的位置。

信息传输链用于系统各部件之间传输信息。

常用的传输链有电缆、光缆和数据总线。

接口装置用于飞控系统和其他机载系统之间的连接，不同的连接情况可以有多种不同的接口形式。

图3.4.1 飞行控制系统基本原理飞控系统基本工作原理除个别的开环操纵系统(如机械操纵系统)外，所有的飞控系统都采用了闭环反馈控制的工作原理。

图3.4.1是通用的飞控系统基本工作原理框图。

鱼鹰前传，贝尔XV-15倾转旋翼机发展简史上世纪50-60年代开始，美国进⾏了⼤量垂直起降（VTOL）飞机的验证⼯作，仗着财⼤⽓粗打造了40多种不同机型。

不过数量多并不代表质量好，再加上这个时代的飞控系统还是难以满⾜复杂的现实需要，最后⼤部分都没有获得成功。

早在⼆战期间，航空⼤国就对“倾转旋翼”及“倾转机翼”垂直起降飞机展开研究。

这两种设计都相当独特，垂直起降时将螺旋桨或机翼倾转到垂直⽅向，正常飞⾏时将螺旋桨或机翼倾转到⽔平⽅向。

在V-22“鱼鹰”正式出现以前，最成熟、最具代表性的就是美国XV-15“倾转旋翼”以及XC-142“倾转机翼”两款机型。

XV-15“倾转旋翼”机通过发动机吊舱⾓度调整，来实现垂直起降和⽔平飞⾏，它是本⽂的主⾓，也是后来V-22“鱼鹰”的理论实践奠基者。

XV-15“倾转旋翼“机XC-142"倾转机翼"运输机，通过整体机翼变换⾓度（可达到90度）来实现垂直和⽔平飞⾏需要，相对来说更复杂。

XC-142"倾转机翼"运输机早期理论实践作为美国直升机界的领军企业，贝尔直升机公司在倾转旋翼机的研发路上起步更早，上世纪50年代，贝尔直升机公司为美国陆军率先研制了⼀款垂直起降试验机XV-3，制造了两架试验机，于1958年12⽉⾸飞随后顺利完成飞⾏状态转换试验。

XV-3可以在10秒内完成90度旋翼飞⾏状态转换，XV-3总共进⾏了110次状态转换飞⾏，超过250架次飞⾏试验。

由于XV-3是倾转旋翼机的原理验证机，设计⽅⾯⼤量采⽤现有技术和零部件，采⽤⼀台普·惠450马⼒R985-AN-1涡轴发动机以驱动两副旋翼。

XV-3试验机XV-3驾驶舱和机舱采⽤⼤尺⼨玻璃窗（视野良好），滑橇式起落架，驾驶员有向下弹射的救⽣座椅。

包括飞⾏员在内可以乘坐4⼈，并携带100公⽄物资，最⼤飞⾏速度291千⽶/⼩时，最⼤航程可达890公⾥。

XV-3试验机XV-3设计较为简陋也没有达到所期望的⾼速，但却验证了旋翼的垂直⽔平转换能⼒，证实了倾转旋翼原理⽤于垂直起落运输飞机是可⾏的，同时也奠定了贝尔倾转旋翼机的基本布局。

1.升降舵载荷感觉定中机构的特点？P246升降舵一般采用动压载荷感觉装置，该装置除了具有弹簧式感觉定中机构的特性外，还可以将空速的信号引进感觉定中机构中，即随着飞行速度的增加，驾驶员的感觉力也会增加，这样就更加真实地模拟舵面的铰链力矩，使驾驶员在不同的空速情况下，准确控制飞机。

2.为什么采用非线性传动机构操纵系统？P230操纵系统中，如果没有特殊的机构来改变传动系数，舵偏角随杆行程的变化近似成直线关系，即线性关系。

飞行速度的不同要求操纵系统的传动系数也不同，同一架飞机上不可能安装多套传动系数各异的操作系统，因此在操作系统中设置了专门的非线性传动机构，即杆行程与舵面偏角之间成曲线关系。

3.什么是马赫配平？P247马赫配平装置是一套自动控制装置，当飞行马赫数达到产生下俯现象的数值时，马赫配平装置自动操纵升降舵向上偏转一个角度，从而避免自动下俯。

4.水平安定面操作方式以及它们的权限？人工操作（安定面配平手轮）电动配平（安定面配平电门）自动驾驶操纵优先权：手动操纵的优先权最大，自动驾驶仪的优先权最小。

5.升降舵压差感觉电门如何工作？压差电门监控两路升降舵动压感觉机构提供的与空速成正比的计量液压压力，当两个计量压力相差超过25％时，压差电门工作，压差指示灯亮。

6.四余度系统的组成和功能，3个要求及特点？P231 ？表决和监控、故障隔离、双故障保护表决和监控：判断输入信号中有无故障信号，选择器选择正确的无故障信号故障隔离：如果任何一个信号被检查出是故障信号后，监控器自动隔离这个故障信号，不使它再输入到后面的舵回路中双故障保护：如果某一输入信号出现故障，切换器自动切除与助力器的联系，将正确信号接入系统。

7.电传系统优缺点？（P232）优点：（1）减轻了操纵系统的重量、体积，节省操纵系统设计和安装时间。

（2）消除了机械操纵系统中的摩擦、间隙、非线性因素以及飞机结构变形的影响。

（3）简化了主操纵系统与自动驾驶仪的组合（4）可采用小侧杆操纵机构。