美国国防部已经制定了未来垂直升降机计划，以开发一系列下一代垂直升降机，这些飞机将比目前的旋翼机队飞得更远、更快、效率更高。为了实现这些目标，必须考虑超越单一主旋翼/尾桨设计的先进旋翼机配置。目前正在技术演示程序中进行飞行测试的两种先进配置是带有推进式螺旋桨和倾转旋翼机的升力偏置同轴旋翼机。美国陆军作战能力发展司令部航空与导弹中心技术发展局开发了这两种配置的通用、高保真飞行动力学模型，为政府提供独立的控制系统设计、操控品质分析和仿真研究能力这些类型的飞机支持未来垂直升降计划。
为了定义先进旋翼机配置的高速操控品质要求，使用多目标优化方法为两种配置设计了全飞行包络内环显式模型跟踪控制系统，以满足一套全面的稳定性、操控品质和性能要求。这些要求是从直升机和固定翼飞机的标准中选择的。在美国宇航局艾姆斯垂直运动模拟器上，通过一系列高速操控性示范动作，对两种飞机的控制法进行了评估。仿真实验的结果显示，这两架飞机的总体分配的1级操控品质与预测的1级操控品质有很好的相关性，因此支持在设计过程中选择的操控品质要求。
此外，还为这两架飞机开发了外环控制法，以努力改善操控品质并减少飞行员的工作量。外环使用了动态反转控制法结构，并再次使用了一套全面的稳定性、操控品质和性能要求来优化控制法的参数。在宾夕法尼亚州立大学飞行模拟器设施中，使用第一次评估中使用的高速操控性示范动作，对两架飞机的外环控制法进行了评估。总的来说，外环控制法为断桥转弯和高速加减速机动提供了1级操控品质，并比内环控制法有了改进。此外，外环控制法在本项目开发的编队飞行任务中提高了性能并减少了工作量。然而，在俯仰姿态捕捉和跟踪任务中，与内环控制法相比，外环控制法降低了操控品质。这是由于外环的俯仰姿态回落行为造成的，尽管它们被调整为满足回落规范。结果表明，高速旋翼机的允许回落量应该减少，外环功能可以作为一种可选择的模式提供。
这里提出的用于优化内环和外环控制系统的一套操控品质标准，被作为调整高速旋翼机控制系统以达到1级操控品质的一套要求。
研究背景与动机
自从垂直升降机问世以来，一直存在着将垂直起飞和降落能力与持续高速巡航能力相结合的作战需求。事实上，努力开发下一代垂直升降飞机，使其比目前的旋翼机队飞得更远、更快、更有效，是目前美国陆军的第三个现代化重点[1]。1986年，在第一架实用直升机飞行近50年后，一架Westland Lynx创造了目前常规单主旋翼直升机的平飞速度记录，达到216千米。传统直升机可达到的最大速度不仅受到其安装的发动机功率的限制，而且还受到诸如旋翼的前进叶片尖端速度和后退叶片动态失速、振动、稳定性和最大传动扭矩等因素的限制[2]。因此，为了走得更快，打破保持了30多年的速度记录，必须考虑超越单一主旋翼和尾旋翼设计的先进旋翼机配置。
在这项工作中，"先进旋翼机配置"被广义地定义为那些采用升力偏置的旋翼（前进的叶片比后退的叶片产生更多的升力）、复合升力（例如，通过使用机翼）、复合推力（例如，通过使用螺旋桨或喷气发动机）和/或倾斜的机翼或机舱来实现任务总重量下超过200千米的速度。
图1.1：Piasecki 16H-1A探路者II，复合旋翼机的早期示例
图1.2：洛克希德AH-56A夏延直升机，早期尝试的高速攻击直升机，存在操控品质问题
目前服役直升机
图1.6：贝尔波音V-22鱼鹰，第一种倾转旋翼飞机
图 1.7：西科斯基飞机 X2 技术演示器，继续开发先进叶片概念 (ABC)。
图 1.8：空中客车直升机（前身为欧洲直升机公司）X3，最快的非喷气增强型复合直升机。
图 1.9：贝尔V-280英勇型倾转旋翼机，两架联合多用途技术验证机之一。
图1.10：西科斯基波音SB>1先进桨叶概念(ABC)旋翼机，两架联合多用途技术演示机之一。
图 1.11：西科斯基 S-97 Raider，基于先进刀片概念 (ABC) 的高速侦察和攻击复合直升机。
未来直升机
图1.12：莱昂纳多AW609，旨在成为第一种用于民用的倾转旋翼机。
图 1.13：AVX-L3 未来攻击侦察机 (FARA) 原型提案，是 FARA 计划正在开发的五个概念之一。
图 1.14：空中客车 RACER（快速且具有成本效益的旋翼机），作为 Clean Sky 2 快速旋翼机创新飞机演示平台的一部分，正在开发的两架飞机之一。
图 1.15：莱昂纳多下一代民用倾转旋翼机，作为 Clean Sky 2 快速旋翼机创新飞机演示平台的一部分，正在开发的两架飞机之一。
图1.16：空中客车瓦哈纳eVTOL飞机，八螺旋桨倾翼演示机。
图1.17：波音NeXt自动eVTOL原型机。
面临的挑战
先进的旋翼机配置，如同轴复合直升机和倾转机，在飞行控制和操控品质方面带来了新的、独特的挑战和机会。例如，在直升机中传统上耦合的响应特性的解耦能力（如独立推力控制），飞行中的重新配置（如移动机舱），以及冗余控制（如旋翼和航空表面）。为这些配置提供良好操控品质的飞行控制系统的设计将取决于三个关键领域：
1.在悬停、过渡和向前飞行时，飞行员更喜欢什么样的反应类型?
2.对评估响应类型和控制系统之间的差异的有用定性操控品质度量指标(即任务任务元素或操控品质演示操作)是什么?
3.控制系统设计时应满足的定量操控品质度量及其相关边界是什么?
研究目标与贡献
已经有大量的研究致力于发展旋翼机的高速操控性能要求和飞行控制系统设计指南。大部分的研究都是基于一种飞机构型（如有翼复合机、倾转旋翼机等），而且一般是在有限的飞行条件或飞机构型下进行的。
操控性能要求和MTE应该是以任务为中心的（而不是以飞机配置为中心）。然而，这是否适用于先进的旋翼机配置（例如，复合式与倾斜式）仍有待观察。这就是为什么这里的研究调查了两种配置。
此外，如上所述，NRTC最近完成了一个开发高速任务要素的项目，以评估先进高速旋翼机在模拟或飞行测试中的操控品质和飞行员的工作量。然而，在这个项目之前，还没有使用新开发的高速MTE对先进的飞行控制法进行过正式的驾驶操控品质评估。
因此，本报告的目标和贡献是：
1.通过将从综合旋翼机仿真代码HeliUM中提取的每架飞机的线性模型和修整数据合并到缝合的仿真模型中，建立通用升力偏移的带推杆螺旋桨的同轴复合直升机（同轴-推杆）和通用倾转机的实时仿真模型。
2.使用加权伪逆来设计内环（力矩需求）控制分配，使用每个配置的冗余控制。
3.使用一个基于操控品质的优化方法，为两种飞机配置的整个飞行包线设计内环（速率指令）显式模型跟随（EMF）控制规律。一个主要的贡献是选择了整个飞行包线的适用标准，并为先进的高速旋翼机飞行控制设计汇编了一套全面的稳定性、操控性和性能规范。
4.扩展Thorsen[64]的工作，为两种构型在整个飞行包线内设计外环（飞行路径和空速指令）控制法。这包括开发一个控制分配方案，将纵向和垂直加速度指令分配给飞机俯仰姿态、整体、螺旋桨俯仰（同轴推力器）或机舱角（倾转器）。与参考文献中的做法一样，使用了加权的伪逆方法。[64]所做的那样，在有限的速度范围内使用，但现在扩展到整个飞行包线。
5.使用新开发的高速任务要素，对两种配置的内环和外环控制法进行正式的操控性能评估。这样的评估在以前还没有对高速旋翼机控制法进行过。
6.最终，这项工作旨在确定在过渡和高速飞行过程中，飞行员更喜欢哪些反应类型，以及哪些旋翼机和固定翼机的操控性能标准适用于不同的反应类型。
报告组织
本报告的结构如下。
第2章概述了综合旋翼机仿真代码HeliUM中开发的通用同轴推力和倾斜飞行器的飞行动力学模型。首先，对HeliUM中使用的飞机物理参数进行了详细描述。随后讨论了从HeliUM中提取的线性模型，包括对修整、关键稳定性和控制导数的描述，线性模型中保留的转子模式，以及线性模型的特征值。随后，讨论了用于实时模拟模型的模型缝合结构。为每架飞机展示了用于向多个控制效应器分配所需时刻的控制分配方法。最后，提供了每架飞机在一系列空速下的主要轴上频率响应。
第3章描述了为同轴推力飞机和倾斜飞机设计和优化的内环飞行控制系统。首先，提供了控制法结构的描述，包括对框图中所有主要元素的讨论。接下来，给出了用于驱动控制系统优化的飞行控制和操控品质规范。在简要讨论了所使用的优化策略后，以预测操控品质的形式提供了两架飞机的控制系统优化结果。
第4章讨论了对两架飞机的内环控制规律进行研究的操控品质模拟实验的结果。在简要描述了模拟实验的设置后，首先提供了同轴推力飞机的实验结果，然后是倾斜飞机的实验结果。本章最后对结果进行了讨论。
第5章描述了为同轴推杆飞机和倾斜飞行器设计的外环控制律。首先，讨论了用于外环的设计方法和结构，包括纵向和垂直加速度指令的外环控制分配给俯仰姿态、集体和螺旋桨俯仰/机舱倾斜角。接下来，提供了用于控制法优化的设计规范。控制法的优化结果是针对同轴推力机和倾转机的，首先是在一个飞行条件下，然后是在跨越各自飞行包线的几个飞行条件下。最后，对外循环进行了讨论。
第6章描述了在宾夕法尼亚州立大学飞行模拟器设施中进行的驾驶操控品质模拟实验的结果，以测试第5章中描述的外环控制法。对实验装置进行了描述，包括对设施和飞行员飞行任务的描述。在讨论之后，提供了同轴推杆和倾转机配置的结果。
第7章描述了驾驶操控性模拟实验的结果，以测试两种飞机的内环俯仰轴指令模型响应类型的不同变化。描述了所测试的俯仰轴指令模型的变化。然后，提供了仿真评估的结果。
第8章描述了对两架飞机的内环和外环控制法进行的鲁棒性分析，该分析采用了无中心变换的方法。首先，提供了一个关于裸机身参数扰动的描述。接下来，简要介绍了无痕变换，然后是一个评估控制系统鲁棒性的简单应用实例。然后显示了同轴推杆和倾斜飞行器内环和外环控制法的结果，接着是讨论。
最后，第9章提供了本研究的结论、先进高速旋翼机的控制系统设计指南以及对未来工作的建议。
原文
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