发动机失效是引发直升机飞行事故的最主要原因之一。据国外权威部门统计,每一万飞行小时中约有一次发动机失效出现。发动机失效后如何保证直升机的飞行安全一直是直升机飞行安全性研究的关键。为了保证航空器的飞行安全性,世界各国相继制定了民用航空器适航管理条例。针对单台发动机失效后直升机的安全飞行问题,本文开展了基于最优控制理论的飞行轨迹优化与操纵策略研究,建立了直升机起飞决断点和低速高度-速度曲线以及非平静大气条件下直升机城区起降安全性的轨迹优化分析方法,为确保直升机飞行安全提供理论依据。目前二维点质量模型和纵向三自由度刚体模型被广泛用于研究直升机发动机失效后的飞行轨迹优化问题。本文建立了两种不同复杂程度旋翼气动力的六自由度三维刚体飞行动力学模型以提高直升机单台发动机失效后飞行轨迹和操纵的预测精度。其中模型I采用准定常均匀入流模型和准定常挥舞运动模型、非定常挥舞运动模型,模型II采用单片桨叶挥舞动力学模型和动态入流模型。两种模型都计及涡环边界条件和地面效应,并采用发动机输出功率的一阶响应动力学方程,形成了分析直升机单台发动机失效后飞行过程的动力学显式微分方程,为准确预测直升机安全飞行轨迹和操纵策略奠定基础。针对两种不同的飞行动力学模型,分别采用直接转换法和直接多重打靶法、直接混合打靶法进行直升机单台发动机失效后飞行轨迹优化问题的研究。通过选择合理的性能指标、路径约束和边界条件,并考虑操纵延迟效应,构建飞行轨迹优化对应的非线性最优控制问题。为了获得良好的计算效率和收敛速度,对最优控制问题及其状态变量和控制变量进行适当地无量纲化与缩放处理。在此基础上,利用非线性规划方法计算最优控制问题得到最优飞行轨迹和操纵。基于上述模型和算法,建立了直升机单台发动机失效后的自转着陆最优控制问题数学模型。以UH-60A直升机为例,计算得到了自转着陆过程的最优飞行轨迹及操纵,并将悬停和前飞状态下单台发动机失效后的最优自转着陆过程与飞行试验数据进行对比,验证了本文分析方法的有效性与正确性。与二维点质量模型和纵向三自由度刚体模型相比,研究结果表明本文模型能够得到更真实的最优飞行轨迹和操纵策略。利用已验证的自转着陆分析方法,根据最小化回避区面积的思想预测了不同总重的直升机单台发动机失效的低速高度-速度曲线,分别给出了高悬停点、拐点和低悬停点处的最优自转着陆过程中的空间位置和姿态、三维速度和角速度、旋翼转速以及操纵输入的变化历程,为低空低速飞行中直升机单台发动机失效后安全着陆提供了理论分析手段。在自转着陆轨迹优化的基础上,发展了直升机单台发动机失效后的取消起飞和继续起飞最优控制问题数学模型。根据场地平衡标准和能量最小标准确定了直升机短距起飞决断点,根据重量平衡标准和能量最小标准确定了直升机垂直起飞决断点。通过大量的数值仿真试验研究了直升机单台发动机失效后飞行轨迹优化研究与应用II不同初始飞行条件和直升机参数对取消起飞和继续起飞的最优飞行轨迹及操纵策略的影响,为直升机在不同起飞过程中出现单台发动机失效的安全飞行提供了处置依据。基于城区平均风场数据和Dryden大气紊流模型,发展了城区风场中的直升机飞行动力学模型,建立了直升机全发正常工作进场着陆的最优控制问题数学模型,采用直接混合打靶法计算进场着陆过程的最优飞行轨迹及操纵。以Z-9A直升机为例,通过大量的数值仿真试验研究了不同风场条件和直升机机场位置对最优进场着陆轨迹和操纵策略的影响,为进一步研究直升机单台发动机失效的城区起降安全性奠定理论基础。