淺談大迎角過失速飛行控制技術

原標題：淺談大迎角過失速飛行控制技術

淺談大迎角/過失速飛行控制技術

遠望智庫高級研究員 楊軍威

推力矢量發動機對戰鬥機有著諸般妙用，可以大幅優化短距起降性能，挖掘戰機極限潛能，突破大迎角/過失速這一「飛行禁區」，進而顯著提高機動性和敏捷性，這對戰鬥機快速奪取空中作戰優勢有著重大意義。

然而，有了推力矢量發動機，就可以沖入「大迎角/過失速區」大殺四方了么？答案是否定的！

A：這無異於一個根本不懂劍法的人上台舞劍，行家一看就是班門弄斧，豈不貽笑大方？

B：這無異於讓不懂騎術的人，駕著烈馬上陣殺敵，只會自受其害。

俗話說，好馬配好鞍，寶劍贈英雄，想要上陣殺敵，還需要與之匹配的「劍法」，可這份「劍法」也絕非易予之物，其設計難度之高、挑戰之大，相比於推力矢量發動機的研製，也不遑多讓，內里乾坤，容小編細細道來。

1. 「劍法」是什麼？

眾所周知，數字電傳飛行控制系統是現代戰鬥機最重要的系統之一，該系統的首要作用是使戰鬥機具有良好的穩定性，並提供優異的操縱性。該系統建立了從飛行員的操縱指令到全機所有控制執行機構的映射關係，基於對飛行感知信息，通過飛行控制律演算法的綜合計算，形成控制指令，驅動執行機構，形成所需要的操縱力/力矩，使戰鬥機具有滿意的飛行品質，確保系統可靠性和飛行安全性，實現了飛行控制從關注「我得怎麼飛」到「我想怎麼飛」的跨越，離了它無法進行安全飛行，把它說成是飛行員的半條命，也絲毫不為過。

該系統集余度管理、容錯控制、高安全性魯棒控制律、先進機械/液壓/電子等多種跨專業核心關鍵技術於一身，實實在在是歷時數十年花費了科技工作者無數心血書寫出的絕世「劍法」。

推力矢量發動機，在數字電傳飛行控制系統這篇「劍法」的眼中，是控制執行機構的一種，但卻又是遠超常規的那一種，致使常規的「劍法」也難以駕馭，想到大迎角/過失速區去遨遊，仍面臨著「飛行禁區的巨大不確定性」、「對飛行狀態/環境的感知異常」、「突變氣動特性的認知壁壘」、「與常規控制系統的兼容性」、「巨大的試飛風險」等諸多問題，無一不是影響飛行安全的重要問題。

那麼，想要駕馭推力矢量發動機，究竟需要怎樣的「劍法」呢？

2. 大迎角/過失速飛行控制的「劍法」要怎樣才能煉成？

2.1. 劍法總綱，架構先行

戰鬥機想要進入大迎角/過失速區遨遊，首要考慮的問題包括：

（1）推力矢量發動機要怎樣納入戰鬥機的整體數字電傳飛行控制體系？

（2）在我國尚屬新鮮產物的推力矢量發動機，如果在大迎角/過失速這一「飛行禁區」內發生意外，怎樣應對？

（3）「飛行禁區」內氣動特性情況極為複雜，勢必誘發對飛行狀態/環境的感知異常，又應以如何的策略來應對？

（4）在「飛行禁區」一旦進入了臨界失控的極度危險狀態，又需要怎樣的策略來退出？

這些都是需要數字電傳飛行控制系統的「骨架」技術這一「劍法」之總綱來回答，涉及到飛/推綜合控制系統、高安全飛行控制律和自動處置等功能模塊框架，協調處理大迎角/過失速機動控制、故障控制、反尾旋、控制增穩在內的多種功能，繼而形成渾然一體的有機整體，才好上陣殺敵。

在解決了架構問題的基礎上，還有很多具體的「劍招」難題需要突破。

2.2. 非定常+強耦合，「現控」打破「經典困局」

想要在大迎角/過失速區遨遊，核心問題還是需要克服戰鬥機本體特性的突變，這主要存在以下兩個方面的典型特徵：

（1）非定常特性：是指在大迎角/過失速區戰鬥機受到的氣動作用具有明顯的時變/滯環現象，從而使得飛行狀態的變化和氣動控制面效率具有高度的不確定性，難以用數學模型進行精確描述，這些不再僅和飛行狀態有關，更和到達該飛行狀態的過程密切有關。這就麻煩大了，如同嬰兒的一樣，稍有影響，開心和哭鬧只在瞬間，這就是非定常特性。

（2）三軸強耦合特性：是戰鬥機不可避免的固有物理特性，導致的現象是單軸的輸入不僅會引起本軸響應，還會影響其他軸狀態的非指令性運動，就像是「打了小的來了老的」，該現象在常規飛行區還不是很嚴重，但會隨著大迎角/過失速區的深入而愈加明顯和劇烈，逐漸演變成「打一個小的，來了一群老的」，意味著飛行控制需要統籌考慮。

面對於此，經典的離線設計方法是無法解決問題的。因為，其本質是建立了一種基於飛行狀態點調整控制器參數的、「按圖索驥」式的映射關係，一旦飛行狀態點不能唯一的表徵戰鬥機的特性，戰鬥機的響應特性不再具有離線的可預測性，則整個經典設計方法當即失效。

唯一的出路是走向在線的「學習」，通過對外部環境的實時觀測跟蹤，及時地通過控制進行與之相配的動作，才有可能從根本上解決這種離線的不可預測性，這就要求控制理論設計方法需要完成從「經典」向「現代」的跨代發展，風險巨大。

2.3. 數據融合，聽聲亦可辨位

也是由於大迎角/過失速區的突變氣動特性，導致很多對飛行狀態/環境的傳統感知系統，特別是測量關鍵控制參數的大氣數據系統的感知難度激增，受原理限制，在該區域內如同霧裡看花無法得到準確信息，傳統方法測量結果可能與真實情況大相徑庭。

因此必須基於多源多種類的飛行感知信息，通過複雜的數據融合，推衍出相對準確的完整信息，才能夠為實現「飛行禁區」內的「漫步」奠定堅實的基礎。

2.4. 快慢兩極，融合之道

解決了「氣動突變的本體特性」和「感知」的外部問題，接下來面臨的是一個內因問題。

眾所周知，舵面的變化速度高於發動機的推力變化速度，一個快，一個慢，這就使得推力矢量操縱能力和氣動操縱能力根本不在一個頻道，要怎樣才能融合快慢兩極，讓「急性子」和「慢性子」搓到一起，為了共同的控制目標而使出「合力」來呢？

因此，需要控制分配中，除了考慮傳統的靜態分配外，還需要將快慢性子各不相同的動態特性加入進去，形成動態協同控制分配方案，才能保證能者多勞、快慢有序。

2.5. 迷霧繚繞，縮比趟路

是不是煉成了以上劍招，就可以到戰鬥機上試飛了呢？以前是，但在大迎角/過失速區這裡則不行。

由於大迎角/過失速機動的試飛是高風險科目，為了規避戰鬥機的試飛風險，一方面需要對飛行控制系統、大迎角控制律以及大氣數據系統進行檢驗，另一方面更需要突破從未涉足的大迎角/過失速「飛行禁區」的認知壁壘，因此在戰鬥機試飛之前，可以藉助高相似性的縮比模型自由飛技術進行「實戰練劍」式的飛行試驗。這就像是，但梵谷手在大功告成之前，都需要用實戰來磨礪完善劍法，對劍法進行進一步的推敲和完善，精益求精。

縮比模型自由飛需要基於動力學相似規律，也就是說必須嚴格地控制模型的尺寸、外形、質量、動力等特性按照相似性準則對真實飛機等比例縮放，甚至採用真實飛行的等效控制演算法，通過試飛驗證指導設計優化工作，拓展了對「飛行禁區」戰鬥機響應特性的理解，用實踐來檢驗真理，才能最終形成完善的劍法。

2.6. 反覆打磨，人劍合一

有了寶劍，有了劍法，可還缺少用寶劍的人吶，這就是至關重要的一環——試飛員。大迎角/過失速區如此危險，試飛員可是要冒著生命危險去的，對於這類高風險科目，試飛員的水平和能力可是備受考驗的。

俗話說「台上一分鐘，台下十年功」，在研製過程中，需要試飛員提前介入設計。通過傳說中的高逼真度的飛行模擬器和地面「鐵鳥」試驗等手段，為試飛員提供地面模擬飛行訓練條件。試飛員試驗過程中，不斷提高認知，熟悉系統，實現人劍合一，只有到了這時，才敢撒開膀子干呢！同時，試飛員提供的模擬飛行評價建議，也為設計優化提供寶貴意見。

3. 結束語

先進戰鬥機對突破大迎角/過失速區的急迫性，猶如久旱逢甘霖。在科研工作者們的辛勞奮鬥中，誕生了推力矢量發動機這柄絕世寶劍，催生了飛行控制系統這本「劍法」的突破，再加上具備高超技巧和膽識超群的試飛「英雄」，才能促成帶推力矢量戰鬥機的成功。

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