文档介绍：南京航空航天大学
硕士学位论文
直升机单台发动机停车后的飞行轨迹优化
姓名:席华彬
申请学位级别:硕士
专业:飞行器设计
指导教师:高正
20060301
南京航空航天大学硕士学位论文

摘要
双发及多发直升机单发失效后,直升机飞行所需要的功率由剩余发动机提供,而
在某些需要大功率的飞行状态时,如起飞状态、着陆状态等,剩余发动机提供的功率
可能满足不了,这就需要对剩余发动机的可用功率进行合理利用。本文提出了直升机
单发失效后的最优操纵策略及飞行轨迹优化计算。
首先,建立带偏航运动的直升机点质量模型,然后对状态变量和控制变量进行无
量纲处理,因为状态变量和控制变量量值相差较大,这使得优化算法收敛效果变差,
所以需要选择适当的缩放因子,最后把直升机单台发动机停车后的飞行轨迹表示成一
个最优控制问题,即在考虑直升机性能限制和 FAR 规范后,指定一个优化性能指标,
选择合适的路径约束,然后再解最优控制问题。本文采用直接搜索法和节点配置,将
连续动态最优控制问题转换为静态离散的数值优化问题,并对状态和控制变量的约束
进行转化。
其次,研究了节点配置法中节点数量和分布对最优轨迹的影响;然后考虑不同初
始条件下,如不同初始速度、初始高度、初始航迹角、初始总重下,分别计算直升机
垂直起飞和短距起飞的最优轨迹,分析不同初始条件对最优轨迹和操纵的影响;同时
也研究了直升机垂直起飞和短距起飞决策点确定及直升机重量和惯量对决策点的影
响;在基于最小化回避区面积的性能指标下进行了单发失效的低速飞行回避区的确
定。
最后,由于直升机数学模型的复杂性,这给实时优化计算带来很大困难,本文研
究了地面计算机计算的最优轨迹如何在机载计算机上实时显示,对飞行员的操纵提供
参考,即把不同初始条件得到的最优轨迹曲线进行傅立叶部分级数化,得到傅立叶系
数,选取合适初始条件作为变量,对这些最优轨迹曲线进行拟和,建立 BP 神经网络
预测模型。这样机载计算机只要存储所得到的预测模型,就可以实时计算出在某初始
条件下的最优策略和最优轨迹。

关键词:单发失效、飞行轨迹优化、起飞决策点、最优控制、节点配置

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直升机单台发动机停车后的飞行轨迹优化
Abstract
This paper studies optimal helicopter flight operations in the event one-engine failure.
A three-dimensional point mass with a yawing motion of UH-60A has been used to study
RTO and CTO from an elevated heliport or from a heliport, A first order dynamic of the
OEI contingency power is considered.
Flight after engine failure are formulated as nonlinear optimal control problems. The
performance index is selected in a way that reflects the main parameters to be optimized.
Subject to helicopter equations, path constraints, FAA regulations. These optimal control
problems are solved numerically using a direct approach. States, controls, and helicopter
constant parameters are parameterized, and a collocation method is employed. The
problem is then fed to a nonlinear programming routine to solve for all parameters.
The flight dynamics model with yawing motion of UH-60A is given, Scale factors of
state variables and control variables are applied based on the consideration of