直升机作为一种独特的飞行器，以其垂直起降、悬停操纵的能力而在众多领域展现出了巨大的潜力。在飞行过程中，操纵系统的设计和性能成为决定直升机操纵灵活性和响应性的关键因素。而其中一个至关重要的参数，即操纵系统的动刚度特性，直接影响了飞行员对于飞行器的操控感觉和飞行性能的稳定性。
一、直升机操作系统的相关概念
（一）直升机操纵系统概述
直升机操纵系统是飞行控制的核心组成部分，直接影响飞行器在空中的稳定性和操纵性。该系统由操纵杆、脚蹬、连接杆、液压元件等组成，飞行员通过操纵杆或其他输入设备向直升机传递指令，调整飞行器的姿态和运动。操纵系统的设计和性能关系到直升机的操纵灵活性、稳定性以及适应不同飞行任务的能力。操纵杆连接主旋翼和尾旋翼，飞行员通过操作操纵杆调整直升机的倾斜、俯仰和偏航等姿态。脚蹬用于控制尾旋翼，实现飞行器的方向控制。连接杆和液压元件传递和放大操纵输入，使飞行员能够轻松操纵飞行器。
（二）动刚度的基本理论
动刚度是指操纵系统对操纵输入的速度和幅度响应的特性，是直升机操纵系统动态响应的关键参数。在飞行中，操纵系统需快速准确地响应操纵员指令，以确保飞行器的姿态和运动符合预期。动刚度反映了操纵系统输出（飞行器姿态变化）与输入（操纵员指令）的关系，即系统对操纵输入的响应速度。通常，动刚度越高，系统响应越迅速，但可能导致过度灵敏，影响操纵的平稳性[1]。动刚度可分为正动刚度和负动刚度，表示操纵输入引起输出在方向上的增大或减小。正动刚度使操纵系统更灵敏，而负动刚度可能使系统更稳定，减轻操纵员的操纵负担。
二、操纵系统动刚度的影响因素
直升机操纵系统的动刚度特性受多种因素影响，这些因素涉及到飞行器的运动状态、操纵员的输入以及直升机的设计参数。
（1）飞行速度：直升机在不同的飞行速度下，气动力学特性发生变化，导致操纵系统的动刚度也随之变化。高速飞行可能引起气动力的非线性效应，从而影响操纵系统的动态响应。
（2）操纵输入：操纵员通过操纵杆和脚蹬等输入设备向直升机传递指令。操纵输入的大小、方向以及变化率都会对动刚度产生影响，不同的操纵输入可能导致不同的动刚度特性。
（3）直升机机型：不同类型和型号的直升机具有不同的结构和气动布局，因此其操纵系统的设计和性能也会存在差异。直升机的尺寸、旋翼配置和尾桨设计等因素会影响操纵系统的动刚度。
（4）气动参数：气动参数，如气动阻尼和气动弹性，对操纵系统的动刚度具有显著影响。这些参数与直升机的气动外形以及飞行条件密切相关，对操纵系统的动态响应产生直接影响。
三、动刚度特性的变化规律
（一）飞行速度对动刚度的影响
随着飞行速度的增加，直升机的动刚度明显上升，这与高速飞行引发的复杂气动效应密切相关。在这种状态下，非线性效应显著增强，特别是在主旋翼和尾旋翼的气流中。这种非线性效应使得操纵系统对飞行员输入更为敏感，要求飞行员更加细致地操作操纵杆以适应高速飞行的挑战[2]。高速飞行中的惯性效应也是动刚度变化的关键因素。随着飞行速度增加，飞行器的质量快速减小，对操纵系统的响应速度提出更高要求，飞行员需要更敏锐地操作操纵杆，以维持飞行器的稳定性。
（二）操纵输入对动刚度的影响
操纵输入的微妙变化直接塑造了直升机操纵系统的动刚度特性。较大操纵输入引发的动刚度非线性变化是一个充满挑战和复杂性的问题。当操纵员提供较大输入时，系统需快速准确响应，并处理气动和机械系统相互作用的变化。这非线性变化可能导致系统过于灵敏，产生过度反应，影响操纵的平稳性和可控性。反之，小输入或缓慢变化时，动刚度可能表现出迟缓特性。系统对小输入的响应速度较慢，可能导致操纵员感到操纵不流畅，影响飞行器操纵性能[3]。
（三）不同直升机机型的动刚度差异
不同直升机机型的动刚度差异源自它们独特的设计理念和应用领域的要求。机型的结构和气动布局对操纵系统的设计和性能影响深远，呈现出明显的多样性。有些机型注重提高灵活性，采用轻量化材料和复杂结构，以减小飞行器的惯性，实现更灵敏的动刚度。这种设计适用于需要高敏感性操纵、快速变化的任务，如特种任务和紧急救援。另一些机型注重稳定性，采用较低的动刚度，旨在提供平稳、可预测的操纵体验。这类直升机通常用于需要较平稳操纵的任务，如长时间飞行和客运运输，以确保乘客和机组人员的舒适和安全。
（四）气动参数的影响
气动参数在直升机操纵系统设计中扮演关键角色，对动刚度产生广泛而深远的影响。气动阻尼，即飞行中受到的空气阻力，直接决定操纵系统的阻尼效应。通过合理调整气动阻尼参数，可以提升系统的阻尼效果，减小振动和摆动，降低动刚度的非线性变化，实现更平稳和可控的操纵[4]。同时，气动弹性反映了飞行器在空气动力作用下的形变程度，其调整不仅影响动刚度大小，还显著影响动刚度的频率响应。通过精心调整气动弹性，操纵系统在频域上得以优化，实现更精准和可控的操纵响应。
四、结语
通过对直升机操纵系统动刚度特性的深入研究，可以认识到这一参数在直升机飞行性能和操纵体验中的关键作用。飞行速度、操纵输入、不同机型以及气动参数等因素的综合影响形成了直升机动刚度的多样化变化规律，这些规律不仅为操纵员提供了更灵活的操控手感，同时也对直升机在不同任务中的适应性产生了深远的影响。
参考文献
[1]陈霞.无人直升机鲁棒自适应受限控制器设计[D].济南大学,2021.
[2]向建宏.混合动力直升机动力优化调度策略研究[D].电子科技大学,2022.
[3]丁景伟.单输入直升机主减功率分流传动系统的动态特性分析[D].南京航空航天大学,2021.
[4]张京玉.橡胶硅油组合减振环的制备及其刚度和阻尼特性研究[D].南京航空航天大学,2020.
作者简介：
姓名：杨卓桥 性别：男 出生年月：2003.01 民族：汉 籍贯：陕西富平 学历：高中 研究方向：直升机
