Optimal control of helicopters following power failure

最適制御理論を適用してヘリコプタのエンジン故障時に行うべき操縦を解析することにより、従来飛行試験によって定められていた安全限界を解析的に推定することが可能になるとともに、現行の運用限界を拡大する可能性が見出された。本論文では4通りの最適化問題が構成されている。まず1つは、飛行中にエンジンが停止した場合に、着地速度を最小にするような制御則を見出す問題である。得られた最適解と飛行試験においてパイロットが実際に行った操縦とを比較した結果、パイロットは最適解に比べて早い時期にコレクティブフレア操作を行う傾向があることが指摘された。次に、H-V(飛行高度-速度)線図を直接求めるための定式化を考案した。着地速度が脚の許容限界以内であることを終端条件とし、初期高度および初期速度がH-V線図上の危険領域を最小にするように評価関数を定めた。数機種の単発、および双発ヘリコプタについてH-V線図を解析した結果、飛行試験結果と良好な相関関係が得られた。また、解析的手法の利点を活かし、エンジン停止時の飛行経路角、コレクティブピッチ操作の時間遅れと下限位置の設定、着陸地点の位置と広さ、および風などの影響によってH-V線図がどう変化するかを定量的に明らかにした。3つめは、TA級STOL運用での離陸中にエンジンが故障した場合に、離陸中止距離と離陸継続距離を最小にする問題である。臨界決定点を運用条件に応じて最適化することにより、従来規定されている離陸距離を大幅に短縮できることが示された。最後に、TA級VTOL運用時の最大離陸重量を推定する方法を確立した。また、離陸経路の最適化により有効搭載重量を増大できる可能性が示された。
Helicopter control procedures following power failure were theoretically investigated by applying nonlinear optimal control theory to the following four optimization problems: 1) Minimization of the touchdown speed following power failure. Comparisons between the calculated optimal solutions and the empirical flight test results showed that the pilots used nonoptimal controls, especially in the timing and amplitude of the collective flare before touchdown. 2) Prediction of the Height-Velocity (H-V) boundaries. The optimization problems were formulated to minimize the unsafe region under the condition that the touchdown speed is within the landing gear capacity. The calculated H-V boundaries showed good correlation with the flight test results. In addition, parameters such as the flight-path angle at the moment of power failure, collective control delay, collective setting during descent, landing site location and its available field length, and wind speed were found to have significant effects on the success of the emergency landing. 3) Optimization of the takeoff procedure for Category A STOL operation. The results show that the required takeoff distance using the normal takeoff procedure can be significantly reduced if the takeoff path and the critical decision point are specifically optimized for a given set of operating conditions, e.g., gross weight, ambient conditions, and heliport configuration. 4) Evaluation of the take-off performance for Category A VTOL operation. The calculated maximum weight when assuming the normal takeoff procedure showed good agreement with the certificated takeoff weight. Additionally, optimization of the takeoff path was shown to allow the payload to be increased.
資料番号: AA0004205000
レポート番号: NAL TR-1190