民用飛機工程模擬器設計研究①

徐奎

了一般民用飛機工程模擬器的頂層結構、網絡架構及軟件頂層設計方法，總結了一般民用飛機工程模擬器研制過程中所涉及的關鍵技術，最后對民用飛機工程模擬器在型號研制中的工程應用進行了闡述，對于民用飛機工程模擬器的研制和在飛機型號研制中的應用具有一定的工程借鑒意義。

關鍵詞：工程模擬器 飛行仿真 控制律 飛行品質

中圖分類號：V249.4 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2013）03（b）-0007-02

工程模擬器是現代先進民用飛機研制必不可少的設計和驗證試驗設備。波音、空客等著名飛機制造商在其飛機研制中都使用了工程模擬器。二戰(zhàn)期間，德國人率先用電器機械部件研制了世界上第一臺工程模擬器進行導彈飛行控制系統(tǒng)的研究[1]?？湛虯320飛機在研制過程中使用了三種構型的工程模擬器，分別用于飛行控制與自動飛行控制系統(tǒng)設計評估、操縱特性與人機接口的研究、PFD試驗、飛行管理系統(tǒng)試驗等任務。通過飛行員在模擬器上參與評估，對飛行控制律的設計與優(yōu)化，飛行品質的改進，相關系統(tǒng)操縱部件特性的改善，大大縮短了飛機相關任務的研制周期，降低了試飛風險。

1 工程模擬器功能

根據對工程模擬器設計需求及要求承擔任務的不同，工程模擬器可具備相應的功能。一般來說，民用飛機工程模擬器可承擔以下飛機研制任務。

（1）飛行控制律設計、驗證與優(yōu)化。

（2）飛機操縱性、穩(wěn)定性和飛行品質的分析與評估。

（3）飛行控制系統(tǒng)風險科目驗證試驗。

（4）飛機相關系統(tǒng)操縱部件特性評估。

（5）飛機各相關系統(tǒng)性能匹配性研究和評估。

（6）首飛試飛機組初步培訓。

（7）支持飛機改型設計等。

2 工程模擬器組成

一般來說，對于固定基座的民用飛機工程模擬器主要由以下分析系統(tǒng)組成。

（1）主飛行仿真系統(tǒng)：主要包括飛機的飛行動力學仿真和運動學仿真，風模擬仿真，發(fā)動機系統(tǒng)仿真，液壓系統(tǒng)仿真，起落架和剎車系統(tǒng)仿真，APU系統(tǒng)仿真，電源和燃油系統(tǒng)仿真等功能。

（2）飛行控制仿真系統(tǒng)：主要模擬主飛行控制系統(tǒng)，高升力系統(tǒng)和自動飛行系統(tǒng)功能。

（3）操縱負荷系統(tǒng)：操縱負荷系統(tǒng)主要為飛行員提供逼真的座艙操縱感覺，在飛行、地面滑行過程中，以及故障狀態(tài)下的操縱特性模型。

（4）座艙結構：主要模擬真實的飛機駕駛艙結構布局以及模擬器試驗所需的平臺。

（5）駕駛艙設備仿真：主要模擬飛機相關系統(tǒng)的操縱部件、各類控制開關和控制板等。

（6）航電仿真系統(tǒng)：主要模擬通信系統(tǒng)、指示和記錄系統(tǒng)、導航/監(jiān)視系統(tǒng)等功能。

（7）視景和音響系統(tǒng)：主要模擬飛機運行的環(huán)境和音響效果。

（8）接口及網絡系統(tǒng)：主要實現駕駛艙操縱部件與主飛行仿真計算機以及其它各模擬系統(tǒng)之間通訊和數據傳輸功能。

（9）仿真控制臺：對整個模擬器系統(tǒng)進行有效的監(jiān)視和控制，可實現模擬器試驗所需的參數設置及數據記錄等功能。

如需要模擬比較真實的過載，還可以增加六自由度運動系統(tǒng)，來模擬飛機的瞬時過載動感、一定范圍內的姿態(tài)角變化動感和部分抖動沖擊信號等引起的飛機響應。

3 工程模擬器總體設計

3.1 工程模擬器頂層結構設計

工程模擬器駕駛艙操縱器件、各類開關手柄信號通過接口系統(tǒng)采集到后，經計算處理后再通過千兆以太網或反射內存網建立內部通訊，實現主飛行仿真系統(tǒng)、飛行控制仿真系統(tǒng)、航電仿真系統(tǒng)、視景仿真系統(tǒng)、仿真控制臺等相關信號相互之間的傳輸，一般民用飛機工程模擬器的頂層結構圖見圖1。

3.2 工程模擬器網絡架構總體設計

民用飛機工程模擬器的網絡構架主要包括實時計算機、網絡設備和計算機軟件。實時計算機是整個工程模擬器的主控計算機，實現主要系統(tǒng)數學模型的實時解算，通過建立分布式實時計算網絡系統(tǒng)，將主飛行仿真系統(tǒng)、飛行控制仿真系統(tǒng)、接口系統(tǒng)、視景系統(tǒng)、聲音仿真系統(tǒng)、操縱負荷系統(tǒng)、航電仿真系統(tǒng)、仿真控制臺等連接起來，實現運行同步控制和數據交互。一般民用飛機工程模擬器的網絡架構見圖2。

3.3 工程模擬器軟件設計

民用飛機工程模擬器軟件設計可采用模塊化的設計思想，各仿真系統(tǒng)的模型都作為獨立的運算模塊，各模塊之間的信號傳輸類型盡量同飛機類似。

工程模擬器軟件涵蓋飛機各系統(tǒng)及應用控制軟件模塊，模塊數量很多，需頂層協(xié)調好各軟件模塊的計算頻率和時序控制，正確實現各軟件模塊之間的數據傳輸。各系統(tǒng)可由初始化軟件模塊和主程序模塊組成，各系統(tǒng)外部接口與其它系統(tǒng)軟件的數據交換通過數據共享區(qū)實現。各系統(tǒng)內部接口功能模塊之間的數據交換通過交聯(lián)變量實現。圖3是以飛行控制仿真系統(tǒng)為例進行的軟件架構及各功能模塊的調用關系。

4 工程模擬器研制所涉及的關鍵技術

4.1 仿真模型及數據包開發(fā)

各系統(tǒng)仿真模型的準確度是反映飛機總體性能、飛行品質的關鍵，準確地建立各系統(tǒng)數學模型及各種飛行數據庫對工程模擬器成功研制至關重要。各仿真系統(tǒng)采用數學模型進行描述，要盡可能準確地模擬，就需要能反映各系統(tǒng)真實特性的大量數據，特別是后期的試飛數據。國外在各種型號飛機飛行仿真、模擬器研制過程中建立了大量的飛行數據庫，同時也積累了豐富的經驗，擁有成熟技術。目前，盡管國內在系統(tǒng)建模上取得了一些成果，在工程模擬器上得到了應用，但系統(tǒng)仿真模型及數據包的開發(fā)，仍是工程模擬器成功研制中的關鍵技術。

4.2 實時仿真技術

實時操作系統(tǒng)能夠在確定的時間內執(zhí)行計算或處理功能，并對外部的異步事件做出響應[2]。在系統(tǒng)的硬件已經確定的條件下，實時系統(tǒng)的性能很大程度上取決于所采用的實時操作系統(tǒng)，因此，對于實時操作系統(tǒng)的選擇對工程模擬器的研制非常重要。在實時仿真、半實物仿真中，QNX、VxWorks、RTX這3種操作系統(tǒng)應用較為廣泛；在嵌入式應用方面，QNX、VxWorks的可靠性很高，而很少采用RTX。在工程模擬器研制方面，這3種操作系統(tǒng)在實時性方面均能滿足模擬器要求。在國內各模擬器應用單位中，都根據各自已有的資源以及工程師對相關實時操作系統(tǒng)技術的掌握情況，選擇了不同的實時操作系統(tǒng)應用到模擬器的實時仿真技術中。

4.3 模擬器綜合集成和調試

工程模擬器是集多種飛機模擬系統(tǒng)為一體的高度綜合化的試驗設備，處理的數據類型很多，包括各類模擬量和數字量；相關接口也很復雜，有模擬離散量接口，有傳輸總線接口，有軟件模塊之間的接口，還有實物與仿真設備之間的接口；仿真計算量也很大，并且計算精度要求高，不僅要求各系統(tǒng)逼真度高，更重要的是要求各仿真系統(tǒng)必須能夠協(xié)調工作，在整體上給人以真實感，由于高度復雜的系統(tǒng)交聯(lián)關系，因此在全系統(tǒng)集成和調試時難度較大。

5 工程模擬器的應用

工程模擬器的應用貫穿于飛機設計的全過程。

在設計初期，可以使用工程模擬器對飛機總體及飛機相關系統(tǒng)技術方案、駕駛艙布局等進行評定。

在研制階段，工程模擬器為飛行員提供了盡可能逼真的飛行環(huán)境，飛行員通過操縱工程模擬器，觀察飛行儀表，感受窗外視景、過載、音響等來評定飛機的飛行控制律、飛行品質和飛機相關系統(tǒng)操縱部件的特性，并給出反饋意見。工程師依據飛行員的意見對飛行軟件、系統(tǒng)操縱部件特性以及再駕駛艙內布局等進行修改后，讓飛行員再到工程模擬器上去飛行，經過多次迭代而設計出滿意的飛機飛行控制律、飛行品質和飛機相關系統(tǒng)操縱部件等。

在設計后期，還可以在工程模擬器上安裝真實的飛機相關系統(tǒng)操縱設備及計算機，進行部分高風險科目驗證試驗和首飛試飛員的初步培訓工作。

6 結語

工程模擬器是現代先進民用飛機研制必不可少的高度綜合化的試驗設備，本文介紹了一般民用飛機工程模擬器的功能和組成，給出了一般民用飛機工程模擬器的頂層結構、網絡架構和軟件的設計方法，對工程模擬器的研制及在型號中的應用具有一定的工程借鑒意義。

參考文獻

[1]向立學.工程模擬器是現代飛機設計必不可少的工具[J].國際航空，1995（7）：41-43.

[2]劉松強.實時計算機系統(tǒng)[M].北京：學苑出版社，1994：24-47.

[3]王精業(yè).仿真器的現狀與發(fā)展[C].第五屆全國仿真器學術會議論文集，2004（8）：2-8.

[4]王行仁.飛行實時仿真系統(tǒng)及技術[M].北京：北京航空航天大學出版社，1998.

[5]U.S Federal Aviation Administration， Helicopter Simulator Qualification， Advisory Circular AC 120-63[Z]. November，1994.

[6]張雅妮，李巖，金鐳.電子飛控飛機的飛行品質適航驗證[J].飛行力學，2012，30（2）：118-119.