試飛模擬器在適航審定中的應(yīng)用研究

賈春 劉海明

摘 要

面對(duì)高復(fù)雜性、高集成度飛機(jī)試飛的巨大挑戰(zhàn)，利用虛擬試飛技術(shù)支持試驗(yàn)任務(wù)已成為現(xiàn)代民機(jī)試飛的通用手段。利用試飛模擬器進(jìn)行虛擬試飛是保障試飛安全的必要手段、是現(xiàn)代試飛技術(shù)發(fā)展的必經(jīng)過(guò)程。本文通過(guò)對(duì)適航驗(yàn)證計(jì)劃、適航條款、以及咨詢通告的研究，梳理出可利用模擬器完成的試飛科研任務(wù)，對(duì)推進(jìn)型號(hào)適航審定具有一定的借鑒意義。

關(guān)鍵詞

飛行模擬器;適航審定;試飛

中圖分類號(hào)： V267 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457 . 2020 . 17 . 06

0 引言

當(dāng)前，面對(duì)高復(fù)雜性、高集成度飛機(jī)試飛的巨大挑戰(zhàn)，利用虛擬試飛技術(shù)支持試驗(yàn)任務(wù)已成為現(xiàn)代民機(jī)試飛的通用手段。在任務(wù)支持方面，虛擬試飛技術(shù)已全面進(jìn)入工程應(yīng)用階段，NASA率先利用遙測(cè)數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)地面模擬器為飛行試驗(yàn)“伴飛”。另一方面，由于飛行試驗(yàn)日趨復(fù)雜，美國(guó)提出將飛行模擬試驗(yàn)的認(rèn)可度與飛行試驗(yàn)等同起來(lái)，進(jìn)而使得通過(guò)虛擬試飛替代部分真實(shí)試飛[1]。

飛行模擬器經(jīng)歷了機(jī)械式、電子式和數(shù)字式的三個(gè)發(fā)展階段。全任務(wù)飛行模擬器、通用研究飛行模擬器和多機(jī)模擬器聯(lián)網(wǎng)配合的出現(xiàn)，標(biāo)志著地面飛行模擬技術(shù)和設(shè)施進(jìn)入了嶄新的階段。近年來(lái)，具有活動(dòng)座艙、先進(jìn)的生理感受模擬系統(tǒng)和計(jì)算機(jī)成像視景系統(tǒng)的雙基地面飛行模擬器已投入運(yùn)行。

本文對(duì)適航條款、咨詢通告以及科目試飛方法進(jìn)行了研究，梳理出可以利用模擬器或者結(jié)合模擬器來(lái)完成的試飛任務(wù)，并提出了試飛模擬器的性能要求。

1 飛行模擬器

1.1 飛行模擬器的分類

飛行模擬器一般劃分為A、B、C、D四個(gè)等級(jí)，分為工程研究模擬器、訓(xùn)練模擬器以及試飛模擬器[2]。

表1簡(jiǎn)單列出了試飛模擬器和設(shè)計(jì)單位用于工程開發(fā)的工程模擬器和用于飛行員訓(xùn)練的訓(xùn)練模擬器在通常意義上的主要區(qū)別。

1.2 飛行模擬器的作用

根據(jù)飛行試驗(yàn)研究的特點(diǎn)，試飛部門研制的飛行模擬器的作用體現(xiàn)在下列幾個(gè)方面：

（1）提高試飛效率和質(zhì)量，對(duì)飛行科目的演練（特別是風(fēng)險(xiǎn)科目），使試飛員對(duì)飛行方法得以掌握，提高試飛效率和試飛員的心理素質(zhì)。

（2）保證試飛安全，飛行試驗(yàn)本身具有高風(fēng)險(xiǎn)、高故障的特點(diǎn)，通過(guò)飛行模擬試驗(yàn)盡可能排除飛機(jī)各分系統(tǒng)存在的問(wèn)題，以及不正當(dāng)?shù)脑囷w方法引起的人為失誤。

（3）節(jié)約經(jīng)費(fèi)，即使是非常復(fù)雜的地面模擬試驗(yàn)費(fèi)用也不會(huì)提高，一般是飛行試驗(yàn)費(fèi)用的1%左右，并且地面模擬試驗(yàn)不受氣象、時(shí)間等條件限制。

（4）縮短試飛周期，國(guó)外現(xiàn)在新機(jī)試飛周期較短，大量的地面模擬試驗(yàn)或系統(tǒng)級(jí)的模擬試驗(yàn)發(fā)揮著關(guān)鍵作用。

（5）提高航空科研水平，模擬或仿真本身是對(duì)被模擬對(duì)象的理論抽象和認(rèn)識(shí)水平的反映。

2 試飛模擬器應(yīng)用分析

2.1 試飛任務(wù)分析

現(xiàn)代民用飛機(jī)大量采用新技術(shù)和新方法，系統(tǒng)之間交聯(lián)復(fù)雜，在飛行過(guò)程中，各種復(fù)雜氣象、特殊環(huán)境條件的耦合作用以及其他不可預(yù)見因素的影響，增加了開展飛行試驗(yàn)的復(fù)雜程度。飛行試驗(yàn)涉及氣動(dòng)、結(jié)構(gòu)、強(qiáng)度、機(jī)械、電子、計(jì)算機(jī)等多個(gè)學(xué)科，需要有一整套的試驗(yàn)方法、測(cè)試方法及測(cè)試改裝與之相對(duì)應(yīng)，從而形成了一個(gè)非常復(fù)雜的工作體系。

現(xiàn)代民用飛機(jī)飛行試驗(yàn)最為重要的目的之一是驗(yàn)證對(duì)相關(guān)適航條款的符合性。我國(guó)的民機(jī)合格審定基礎(chǔ)為中國(guó)民用航空規(guī)章CCAR-25部R4版，該版本合并了美國(guó)聯(lián)邦航空條例FAR-25部第101條到第125條修正案及第128條修正案，較R3版修訂條款數(shù)量共計(jì)126條，對(duì)燃油箱防爆、結(jié)冰等提出了更高更苛刻的要求。此外，很多25部的適航條款并不適用（例如失速、失配平等），故需要制定了針對(duì)性的專用條件。而如何驗(yàn)證對(duì)這些新增條款和專用條件的符合性，對(duì)試飛工程與測(cè)試技術(shù)提出了更高的標(biāo)準(zhǔn)。

2.2 試飛模擬器性能需求

通過(guò)開發(fā)備高逼真度試飛模型和駕駛艙仿真環(huán)境，試飛模擬器能夠提供高精度的試飛預(yù)測(cè)及仿真結(jié)果，并能夠模擬飛機(jī)包線附近試飛情況。此外，試飛模擬器研制貫穿研發(fā)試飛、表明符合性試飛、合格審定試飛、運(yùn)行及維護(hù)試飛各個(gè)階段，能夠在全試飛周期支持試飛任務(wù)[3]。

現(xiàn)代民機(jī)試飛仿真設(shè)備應(yīng)具備如下性能特點(diǎn)：

（1）能進(jìn)行預(yù)測(cè)性模擬，模型的校驗(yàn)與更新隨試飛計(jì)劃同步進(jìn)行。

（2）能夠與試飛遙測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)接，實(shí)時(shí)接收試飛數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)影子試飛。

（3）能夠與其他簡(jiǎn)易仿真平臺(tái)互聯(lián)，模擬伴飛飛行。

（4）可根據(jù)型號(hào)需要進(jìn)行重構(gòu)（如寬體飛機(jī)、變穩(wěn)飛機(jī)）。

2.3 可模擬科目分析

通過(guò)對(duì)適航條款的分析，最小飛行機(jī)組、最小飛行重量、飛控系統(tǒng)故障和飛行手冊(cè)驗(yàn)證均可采用模擬器試驗(yàn)的驗(yàn)證方法：

（1）最小飛行機(jī)組試飛的目的是驗(yàn)證設(shè)計(jì)的最小機(jī)組人數(shù)能夠保證完成所有飛行過(guò)程中出現(xiàn)的任務(wù)，保證飛行安全。

（2）最小飛行重量的模擬器驗(yàn)證是由于試驗(yàn)飛機(jī)上有加改裝項(xiàng)目與測(cè)試設(shè)備，試飛中不能達(dá)到設(shè)計(jì)定義的最小重量。

（3）飛控系統(tǒng)故障針對(duì)專用條件F003“電子飛行控制系統(tǒng)：通過(guò)操縱品質(zhì)評(píng)定系統(tǒng)的方法來(lái)評(píng)估飛行特性符合性”。

（4）反應(yīng)型風(fēng)切變?cè)谡鎸?shí)條件下進(jìn)行試驗(yàn)一方面試飛風(fēng)險(xiǎn)極高，另一方面氣象條件極難捕捉，因此主要采用模擬試驗(yàn)的方法來(lái)進(jìn)行功能驗(yàn)證。

將試飛模式向“預(yù)測(cè)-試驗(yàn)-比較”轉(zhuǎn)變是民機(jī)試飛適航審定的趨勢(shì)，虛擬試飛技術(shù)是貫徹“預(yù)測(cè)-試驗(yàn)-比較”試驗(yàn)方法的核心，通過(guò)聚合并完善現(xiàn)有建模與仿真資源，打通地面試驗(yàn)設(shè)施與信息系統(tǒng)之間的信息流和數(shù)據(jù)流，實(shí)現(xiàn)與飛行試驗(yàn)的無(wú)縫對(duì)接。依靠利用試飛數(shù)據(jù)校驗(yàn)后的高逼真度模型，改變從試飛大綱編制、機(jī)組準(zhǔn)備到任務(wù)實(shí)施，再到飛后評(píng)價(jià)都依據(jù)經(jīng)驗(yàn)的傳統(tǒng)工作模式，為每一個(gè)試飛環(huán)節(jié)都提供了相應(yīng)的數(shù)值驗(yàn)證和定量分析的試飛工程驗(yàn)證手段，建立民機(jī)試飛適航審定基礎(chǔ)[4]。

3 結(jié)論

通過(guò)對(duì)飛行模擬器在國(guó)內(nèi)型號(hào)中的應(yīng)用調(diào)研，分析了試飛任務(wù)需求及模擬器的應(yīng)用案例，可以看出，虛擬試飛技術(shù)尤其是試飛模擬器可很好地應(yīng)用到大型客機(jī)的型號(hào)試飛適航審定中，可有效提高審定試飛效率，提高試飛安全水平。

參考文獻(xiàn)

[1]王行禮.飛行實(shí)時(shí)仿真系統(tǒng)及技術(shù)[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社，1998.

[2]中國(guó)民用航空總局.CCAR60.飛行模擬設(shè)備的鑒定和使用規(guī)則[S].北京：中國(guó)民用航空總局，2005.

[3]趙旭東，賈榮珍.ARJ21飛機(jī)工程模擬器關(guān)鍵技術(shù)研究[J].系統(tǒng)仿真學(xué)報(bào)，2009，21（21）：56-59.

[4]張建琳.仿真技術(shù)與飛行試驗(yàn)[J].飛行試驗(yàn)，2007，23（4）：29-30.