cahtНаучный вестник МГТУ ГАCivil Aviation High Technologies2079-06192542-0119Moscow State Technical University of Civil Aviation (MSTU CA)10.26467/2079-0619-2024-27-5-70-89caht-2434Research ArticleМАШИНОСТРОЕНИЕMECHANICAL ENGINEERINGОсновные принципы построения структуры и алгоритмов систем управления конвертоплановBasic principals of the tiltrotors flight control system architecture and algorithmsМясниковМ. И.MyasnikovM. I.

Мясников Максим Игоревич, кандидат физико-математических наук, доцент кафедры 102 проектирования вертолетов,

г. Москва.

Maxim I. Myasnikov, Candidate of Physical and Mathematical Sciences, Associate Professor, Chair 102 Helicopter Design, 

Moscow.

miasnikovmi@mail.ruИльинИ. Р.IlyinI. R.

Ильин Игорь Римович, главный специалист отдела координации и комплексного анализа НИР и НТЗ,

Томилино.

Igor R. Ilyin, Chief Specialist, Research and Development Projects Analysis Department,

Tomilino.

irilyin@mi-helicopter.ruМосковский авиационный институт (национальный исследовательский университет)РоссияMoscow Aviation Institute (National Research University)Russian FederationНациональный центр вертолетостроения им. М.Л. Миля и Н.И. КамоваРоссияMil&Kamov National Helicopter CenterRussian Federation2024021120242757089Copyright © Мясников М.И., Ильин И.Р., 20242024Мясников М.И., Ильин И.Р.Myasnikov M.I., Ilyin I.R.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://avia.mstuca.ru/jour/article/view/2434

Настоящая работа посвящена рассмотрению основных принципов построения структуры и алгоритмов систем управления полетом конвертопланов на примере винтокрылых летательных аппаратов V-22 Osprey и AW609. Приводится краткий обзор летно-технических характеристик конвертопланов. Приведены характерные коридоры конвертации на примере конвертопланов XV-15 и AW609. Рассмотрены принципы построения систем управления конвертопланов V-22 и AW609. Перечислены цели проектирования автоматической системы управления конвертируемого летательного аппарата. Подробно рассмотрена структура системы управления. Рассмотрены принципы построения законов управления для нормального (Normal Mode) и прямого (Direct Mode) режимов работы. Рассмотрены схемы гидравлических систем для привода исполнительных органов управления. Даны примеры построения структур основных систем управления конвертопланов V-22 и AW609 с тройным резервированием. Приведены основные характеристики законов управления конвертопланов. Рассмотрены основные функции автоматических систем управления конвертопланов. Рассмотрены методы обеспечения высокой надежности системы управления полетом, способы снижения нагрузки на экипаж с целью обеспечения соответствия нормативным требованиям пилотажных характеристик конвертоплана V-22. Рассмотрены особенности построения системы управления полетом и требования к законам управления конвертоплана AW609, которые позволяют улучшить пилотажные характеристики, снизить нагрузку на экипаж и повысить надежность системы управления. В качестве примера приведен вариант синтеза алгоритмов автоматической системы управления (автопилота) легкого конвертоплана для всех режимов полета (вертолетного, самолетного и переходного). Показана возможность использования относительно простых алгоритмов и структуры системы автоматического управления в процессе полета и при переходе между режимами вертолетный – самолетный – вертолетный.

This study describes the main structure and algorithm development principles of flight control systems for tiltrotor aircraft using the example of rotary-wing aircraft V-22 Osprey and AW609. A brief overview of convertiplane performance is provided. Typical conversion corridors are given using the example of convertiplanes XV-15 and AW609. The principles of V-22 and AW609 tiltrotor control system development are described. The design objectives of the automatic control system of the convertible aircraft are listed. The structure of the control system is discussed in detail. The development principles of control laws for Normal and Direct operational modes are described. Hydraulic power supply systems for control actuators are considered. Examples of the main control system architecture with triple redundancy for V-22 and AW609 convertiplanes are given. Main characteristics of tiltrotor control laws are given. Main functions of tiltrotor automatic control systems are described. Methods for ensuring high reliability of the flight control system, ways to reduce crew workload in order to ensure compliance with the regulatory requirements of V-22 tiltrotor handling qualities are considered. Features of AW609 tiltrotor flight control system development, requirements for control laws which make it possible to reduce crew workload, improve handling qualities and increase the reliability of the control system are considered. As an example, the automatic flight control system (autopilot) algorithm synthesis of a light tiltrotor for all flight modes (helicopter, aircraft and conversion) is given. The possibility of using a relatively simple algorithms and structure of automatic control system during the flight and conversion between the helicopter – aircraft – helicopter modes is shown.

конвертопланзаконы управленияЭДСУалгоритмысистема управления полетомсистема автоматического управленияматематическая модель динамики полетагородская аэромобильностьtiltrotorcontrol lawsfly-by-wire controlalgorithmsflight control systemautomatic control systemmathematical model of flight dynamicsurban air mobilityReferencesМясников М.И., Есаулов С.Ю., Ивчин В.А. Возможность создания конвертоплана с электрической и гибридной силовыми установками // Полет. Общероссийский научно-технический журнал. 2018. № 2. C. 29–36.Myasnikov, M.I., Esaulov, S.Yu., Ivchin, V.A. (2018). The possibility of the tilt rotor design with electric and hybrid power plant. All-Russian Scientific-Technical Journal "Polyot" ("Flight"), no. 2, pp. 29–36. (in Russian)Бюшгенс А.Г. Синтез алгоритмов системы управления беспилотного летательного аппарата типа конвертоплан / А.Г. Бюшгенс, А.Ю. Воронин, В.М. Кувшинов, В.А. Леонтьев // Ученые записки ЦАГИ. 2018. Т. 49, № 2. С. 39–61.Byushgens, A.G., Voronin, A.Yu., Kuvshinov, V.M., Leontiev, V.A. (2018). Synthesis of control system algorithms for a Tiltrotor-Type unmanned aerial vehicle. Uchenye Zapiski TsAGI, vol. 49, no. 2, pp. 149–174. (in Russian)Артамонов Б.Л., Шайдаков В.И. Алгоритм выполнения конвертопланом переходных режимов полета // Вестник Московского авиационного института. 2019. Т. 26, № 1. С. 27–40.Artamonov, B.L., Shaidakov, V.I. (2019). Algorithm of transient flight modes performance by convertiplane. Aerospace MAI Journal, vol. 26, no. 1, pp. 27–40. (in Russian)Мясников М.И., Ильин И.Р. Математическая модель динамики полета конвертируемого винтокрылого летательного аппарата с системой автоматического управления // Вестник Московского авиационного института. 2023. Т. 30, № 3. С. 187–200.Myasnikov, M.I., Il’in, I.R. (2023). Flight dynamics model of convertible rotary-winged aircraft with automatic control system. Aerospace MAI Journal, vol. 30, no. 3, pp. 187–200. (in Russian)Juhasz O., Celi R., Tischler M.B. Flight dynamics simulation modeling of a large flexible tiltrotor aircraft // Journal of American Helicopter Society. 2022. Vol. 67, no. 2. Pp. 1–16. DOI: 10.4050/JAHS.67.022003Juhasz, O., Celi, R., Tischler, M.B. (2022). Flight dynamics simulation modeling of a large flexible tiltrotor aircraft. Journal of American Helicopter Society, vol. 67, no. 2, pp. 1–16. DOI: 10.4050/JAHS.67.022003Berger T. Tiltrotor flight control design and high-speed handling qualities assessment / T. Berger, C.L. Blanken, J.A. Lusardi, M.B. Tischler, J.F. Horn // Journal of American Helicopter Society. 2022. Vol. 67, no. 3. Pp. 114–128. DOI: 10.4050/JAHS.67.032009Berger, T., Blanken, C.L., Lusardi, J.A., Tischler, M.B., Horn, J.F. (2022). Tiltrotor flight control design and high-speed handling qualities assessment. Journal of American Helicopter Society, vol. 67, no. 3, pp. 114–128. DOI: 10.4050/JAHS.67.032009Saetti U., Bugday B. Tiltrotor simuations with coupled flight dynamics, state-space aeromechanics, and aeroacoustics // Journal of American Helicopter Society. 2024. Vol. 69, no. 1. Pp. 1–18. DOI: 10.4050/JAHS.69.012003Saetti, U., Bugday, B. (2024). Tiltrotor simulations with coupled flight dynamics, state-space aeromechanics, and aeroacoustics. Journal of American Helicopter Society, vol. 69, no. 1, pp. 1–18. DOI: 10.4050/JAHS.69.012003Yeo H., Saberi H. Tiltrotor conversion maneuver analysis with RCAS // Journal of American Helicopter Society. 2021. Vol. 66, no. 4. Pp. 1–14. DOI: 10.4050/JAHS.66.042010Yeo, H., Saberi, H. (2021). Tiltrotor conversion maneuver analysis with RCAS. Journal of American Helicopter Society, vol. 66, no. 4, pp. 1–14. DOI: 10.4050/JAHS.66.042010Appleton W., Filippone A., Bojdo N. Interaction effects on the conversion corridor of tiltrotor aircraft // The Aeronautical Journal. 2021. Vol. 125, no. 1294. Pp. 2065–2086. DOI: 10.1017/aer.2021.33Appleton, W., Filippone, A., Bojdo, N. (2021). Interaction effects on the conversion corridor of tiltrotor aircraft. The Aeronautical Journal, vol. 125, no. 1294, pp. 2065–2086. DOI: 10.1017/aer.2021.33Wen J. Hybrid adaptive control for tiltrotor aircraft flight control law reconfiguration / J. Wen, Y. Song, H. Wang, D. Han, C. Yang [Электронный ресурс] // Aerospace. 2023. Vol. 10, iss. 12. ID: 1001. DOI: 10.3390/aerospace10121001 (дата обращения: 03.02.2024).Wen, J., Song, Y., Wang, H., Han, D., Yang, C. (2023). Hybrid adaptive control for tiltrotor aircraft flight control law reconfiguration. Aerospace, vol. 10, iss. 12. ID: 1001. DOI: 10.3390/aerospace10121001 (accessed: 03.02.2024).Strauss M.P., Scott M.W. 50 years of progress in rotorcraft design: a retrospective from the vertical flight society’s aircraft design technical committee // Proceedings of the Vertical Flight Society’s 6th Decennial Aeromechanics Specialists’ Conference. USA, California: Santa Clara, 6–8 February 2024. P. 34.Strauss, M.P., Scott, M.W. (2024). 50 years of progress in rotorcraft design: a retrospective from the vertical flight society’s aircraft design technical committee. In: Proceedings of the Vertical Flight Society’s 6th Decennial Aeromechanics Specialists’ Conference, USA, California, Santa Clara, February 6–8, p. 34.Mehra R.K. XV-15 tiltrotor flight control system design using model predictive control / R.K. Mehra, K. Ravi, P. Gopalaswamy, S. Gopalaswamy // 1998 IEEE Aerospace Conference Proceedings (Cat. No.98TH8339), 1998. Vol. 2. Pp. 139–148. DOI: 10.1109/AERO.1998.687905Mehra, R.K., Ravi, K., Gopalaswamy, P., Gopalaswamy, S. (1998). XV-15 tiltrotor flight control system design using model predictive control. In: 1998 IEEE Aerospace Conference Proceedings (Cat. No.98TH8339), vol. 2, pp. 139–148. DOI: 10.1109/AERO.1998.687905Maisel M.D., Giulianetti D.J., Dugan D.C. XV-15 tilt rotor research aircraft: from concept to flight [Электронный ресурс] // NASA SP-2000-4517, 2000. 222 p. URL: https://www.nasa.gov/wp-content/uploads/2023/04/sp-4517.pdf (дата обращения: 03.02.2024).Maisel, M.D., Giulianetti, D.J., Dugan, D.C. (2000). XV-15 tiltrotor research aircraft: from concept to flight. NASA SP-2000-4517, 222 p. Available at: https://www.nasa.gov/wp-content/uploads/2023/04/sp-4517.pdf (accessed: 03.02.2024).Goldstein K.W., Dooley L.W. V-22 control law development // Proceedings of the 42nd Annual Forum of the American Helicopter Society. Washington, 2–4 June 1986. Pp. 1093–1101.Goldstein, K.W., Dooley, L.W. (1986). V-22 control law development. In: Proceedings of the 42nd Annual Forum of the American Helicopter Society, Washington, June 2–4, pp. 1093–1101.Ballauer W.L., Leet J.R., Mitchell J. et al. Testing of the V-22 flight control system // Proceedings of the 46th Annual Forum of the American Helicopter Society. Washington, 1990. Pp. 1147–1161.Ballauer, W.L., Leet, J.R., Mitchell, J. et al. (1990). Testing of the V-22 flight control system. In: Proceedings of the 46th Annual Forum of the American Helicopter Society. Washington, pp. 1147–1161.King D.W., Dabundo C., Kisor R.L. et al. V-22 load limiting control law development // Proceedings of the American Helicopter Society 49th Annual Forum. Washington, 19–21 May 1993. Pp. 211–225.King, D.W., Dabundo, C., Kisor, R.L. et al. (1993). V-22 load limiting control law development. In: Proceedings of the American Helicopter Society 49th Annual Forum. Washington, May 19–21, pp. 211–225.Maré J.-C. Aerospace actuators 3. European commercial aircraft and tiltrotor aircraft. John Wiley & Sons, 2018. 216 p. DOI: 10.1002/9781119505433Maré, J.-C. (2018). Aerospace actuators 3. European commercial aircraft and tiltrotor aircraft. John Wiley & Sons, 216 p. DOI: 10.1002/9781119505433Venanzi P., Wells D. AW609 tilt rotor flight test program overview [Электронный ресурс] // Leonardo. 2013. URL: https://helicopters.leonardo.com/en/products/aw609 (дата обращения: 03.02.2024).Venanzi, P., Wells, D. (2013). AW609 tiltrotor flight test program overview. Leonardo. Available at: https://helicopters.leonardo.com/en/products/aw609 (accessed: 03.02.2024).Goldstein K.W., Dooley L.W. V-22 control law development // Proceedings of the 42nd Annual Forum of the American Helicopter Society. Washington, 2–4 June 1986. Pp. 673–685.Goldstein, K.W., Dooley, L.W. (1986). V-22 control law development. In: Proceedings of the 42nd Annual Forum of the American Helicopter Society, Washington, June 2–4, pp. 673–685.Tischler M. Advances in aircraft flight control. London: Routledge, 1996. 442 p.Tischler, M. (1996). Advances in aircraft flight control. London: Routledge, 442 p.McManus B.L. V-22 tiltrotor fly-by-wire flight control system // Proceedings of the 11th European Rotorcraft Forum. England, London, England, 10–13 September 1985. 22 p.McManus, B.L. (1985). V-22 tiltrotor fly-by-wire flight control system. In: Proceedings of the 11th European Rotorcraft Forum. London, England, September 10–13, 22 p.Höfinger M. ADS-33E-PRF – Aeronautical design standard, performance specification, handling qualities requirements for military rotorcraft [Электронный ресурс] // DLR, 2005. 148 p. URL: https://www.researchgate.net/publication/224989801_ADS-33E-PRF_-_Aeronautical_Design_Standard_Performance_Specification_Handling_Qualities_Requirements_for_Military_Rotorcraft (дата обращения: 03.02.2024).Höfinger, M. (2005). ADS-33E-PRF – Aeronautical design standard, performance specification, handling qualities requirements for military rotorcraft. DLR, 148 p. Available at: https://www.researchgate.net/publication/224989801_ADS-33E-PRF_-_Aeronautical_Design_Standard_Performance_Specification_Handling_Qualities_Requirements_for_Military_Rotorcraft (accessed: 03.02.2024).Bianco-Mengotti R. Technological challenges for the future of rotary wing. the agustawestland path to the new generation tilt-rotor [Электронный ресурс] // Centro Alti Studi per la Difesa Rome, 2012. 36 p. URL: https://www.aofs.org/wp-content/uploads/2012/11/121122.11-AW-path-to-new-generation-tiltrotor1.pdf (дата обращения: 03.02.2024).Bianco-Mengotti, R. (2012). Technological challenges for the future of rotary wing. the agustawestland path to the new generation tiltrotor. Centro Alti Studi per la Difesa Rome, 36 p. Available at: https://www.aofs.org/wp-content/uploads/2012/11/121122.11-AW-path-to-new-generation-tiltrotor1.pdf (accessed: 03.02.2024).Fortenbaugh R.L. Flight control features of the Bell-Agusta (BA) 609 tiltrotor: a handling qualities perspective / R.L. Fortenbaugh, D.W. King, M.A. Peryea, T. Busi [Электронный ресурс] // Proceedings of the 25th European Rotorcraft Forum, Rome, Italy, 14–16 September 1999. URL: http://hdl.handle.net/20.500.11881/1399 (дата обращения: 03.02.2024).Fortenbaugh, R.L. King, D.W., Peryea, M.A., Busi, T. (1999). Flight control features of the Bell-Agusta (BA) 609 tiltrotor: a handling qualities perspective. In: Proceedings of the 25th European Rotorcraft Forum, Rome, Italy, September 14–16. Available at: http://hdl.handle.net/20.500.11881/1399 (accessed: 03.02.2024).

The authors declare that there are no conflicts of interest present.