民用飛機工程模擬器設(shè)計

涂相征

摘要：飛機工程模擬器是人在回路的飛機半實物仿真平臺，貫穿于飛機系統(tǒng)研制的各個階段。在飛機研制的不同時期，工程模擬器都可以配合飛機研制實現(xiàn)相應(yīng)的試驗和驗證功能。視實際用途的不同，飛機工程模擬器有帶運動系統(tǒng)和不帶運動系統(tǒng)兩種，介紹了具有一定自由度帶運動平臺的工程模擬器方案設(shè)計。

關(guān)鍵詞：飛機工程模擬器；六自由度運動系統(tǒng)；仿真平臺

DOIDOI：10.11907/rjdk.143483

中圖分類號：TP319

文獻標(biāo)識碼：A 文章編號文章編號：16727800（2015）001010302

0 引言

在飛機系統(tǒng)設(shè)計初期，工程模擬器可用于飛行控制律、飛行控制系統(tǒng)功能的初步設(shè)計與驗證；在系統(tǒng)詳細設(shè)計階段，工程模擬器可用于飛行控制律的詳細設(shè)計與驗證、飛行品質(zhì)的評估、飛行控制系統(tǒng)功能的詳細設(shè)計與驗證等；在系統(tǒng)設(shè)計后期，工程模擬器可用于駕駛員在環(huán)試驗、部分適航符合性試驗、系統(tǒng)功能危害性試驗以及機組培訓(xùn)等，視實際用途的不同，飛機工程模擬器有帶運動系系統(tǒng)和不帶運動系統(tǒng)的。具有一定自由度的帶運動平臺模擬器，不僅為飛行員和操縱者提供了飛行控制環(huán)境，還提供了飛機對人員操縱響應(yīng)過程的加速度、速度和位置等運動感覺。因此，更有利于飛行體驗，并提高對飛行品質(zhì)評定結(jié)論的置信度。

本文將著重介紹帶六自由度運動平臺的工程模擬器設(shè)計，其效果見圖1。

1 工程模擬器總體設(shè)計

飛機工程模擬器[1]貫穿于飛機系統(tǒng)研制的各個階段，提供飛機不同階段的工程應(yīng)用環(huán)境，同時為飛行員提供逼真的飛行環(huán)境。

工程模擬器具有人在回路的半實物仿真特點，具備以下功能：①工程試驗的仿真與驗證；②飛行員在環(huán)仿真驗證；③機組初步培訓(xùn)；④支持飛機改型設(shè)計。

工程模擬器目前尚沒有明確的標(biāo)準(zhǔn)，其設(shè)計可參照CCAR60 部的D 級飛行訓(xùn)練模擬器標(biāo)準(zhǔn)，亦可根據(jù)實際需要進行適當(dāng)調(diào)整。

圖1 工程模擬器設(shè)計

2 工程模擬器總體設(shè)計

2.1 整機組成

飛機工程模擬器基本上由以下12個分系統(tǒng)[24]組成：①駕駛艙結(jié)構(gòu)與駕駛艙設(shè)備仿真系統(tǒng)；②主飛行仿真系統(tǒng)；③航電仿真系統(tǒng)；④視景系統(tǒng)；⑤六自由度運動系統(tǒng)；⑥操縱負荷系統(tǒng)；⑦聲音仿真系統(tǒng)；⑧綜合控制臺系統(tǒng)；⑨硬件接口系統(tǒng)；⑩計算機實時仿真及網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)；B11工程師平臺；B12環(huán)境與支持系統(tǒng)。

2.2 分系統(tǒng)設(shè)計

（1）駕駛艙結(jié)構(gòu)與駕駛艙設(shè)備仿真系統(tǒng)。駕駛艙結(jié)構(gòu)主要包括駕駛艙、操縱平臺、模擬器后艙、登機橋等，與飛機真實的駕駛艙大小及布局基本一致，為飛行員提供逼真的駕駛環(huán)境；駕駛艙設(shè)備仿真系統(tǒng)主要包括駕駛艙操縱器件、駕駛艙開關(guān)、駕駛艙內(nèi)顯示設(shè)備等，由于工程模擬器是一個不斷開發(fā)、試驗、再開發(fā)、再完善的過程，初期駕駛艙內(nèi)很多操縱部件可能需要仿真，并不斷地迭代。因此，要考慮駕駛艙仿真部件裝卸的方便性，便于整體拆卸和安裝。

（2）主飛行仿真系統(tǒng)。飛行仿真系統(tǒng)通過建立飛機的氣動模型、運動學(xué)模型以及機上電源、燃油、液壓等系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型來實現(xiàn)飛機的飛行特性、動力特性以及相關(guān)系統(tǒng)邏輯的模擬。飛行仿真系統(tǒng)中的數(shù)學(xué)模型模擬對象的工作過程，包括從發(fā)動機啟動之前直到發(fā)動機停車之后的所有飛機特性。另外，為了提高工程研究效率，飛行仿真系統(tǒng)還可實現(xiàn)凍結(jié)、參數(shù)設(shè)置、參數(shù)鎖定、環(huán)境設(shè)置和故障模擬等功能。

飛行仿真系統(tǒng)運行在仿真計算機上，對飛機的相應(yīng)系統(tǒng)和設(shè)備進行數(shù)學(xué)仿真，并通過實時仿真計算機上的接口軟件、網(wǎng)絡(luò)通訊程序、座艙設(shè)備及其它交聯(lián)系統(tǒng)進行數(shù)據(jù)交互，驅(qū)動座艙內(nèi)的仿真設(shè)備工作。

對于軟件模型，在開發(fā)前應(yīng)充分考慮后續(xù)試驗要求并留有相關(guān)接口，軟件模型要模塊化，以便在開發(fā)故障模型時盡可能減少對已開發(fā)模型的修改程度、減少開發(fā)時間，并使總體軟件更簡潔，具有更高的可讀性，便于維護和二次故障模型的開發(fā)。

（3）仿真系統(tǒng)。航電系統(tǒng)是飛機性能參數(shù)和導(dǎo)航參數(shù)顯示的窗口，十分重要，必須提供在功能上和外觀上與真飛機盡可能逼真的各類儀表，將飛行參數(shù)、導(dǎo)航參數(shù)、發(fā)動機參數(shù)等實時顯示并提供給駕駛員和工程人員，以滿足工程研究和試飛培訓(xùn)的需要。

航電仿真系統(tǒng)主要仿真通信系統(tǒng)、指示和記錄系統(tǒng)、導(dǎo)航/監(jiān)視系統(tǒng)。對于諸如客艙系統(tǒng)、 機載維護系統(tǒng)等可根據(jù)模擬器的實際用途決定是否仿真。

（4）操縱負荷系統(tǒng)。操縱負荷系統(tǒng)是人在回路仿真系統(tǒng)中的負載模擬裝置，實現(xiàn)駕駛桿力和腳蹬力的仿真，同時計算出相應(yīng)控制面的偏轉(zhuǎn)角。目前，操縱負荷系統(tǒng)分為電動和液壓兩種，液壓式操縱負荷系統(tǒng)技術(shù)較成熟，但由于成本較高、油液污染、維護成本高、功耗大等缺點，逐漸被電動式操縱負荷系統(tǒng)所代替。電動式操縱負荷系統(tǒng)經(jīng)過數(shù)年的發(fā)展，技術(shù)成熟。其成本低、無污染、安裝簡便、維護簡單。除此之外，還有對于逼真度要求不高的裝置，比如前輪轉(zhuǎn)彎等亦可用機械彈簧或磁粉離合器等無源或有源裝置來仿真，成本低，方法也簡單。

（5）綜合控制臺。通過良好的人機界面，完成模擬試驗、試飛科目的設(shè)定；整機初始化設(shè)置；某些飛行參數(shù)、機場條件、飛機狀態(tài)的顯示和設(shè)置；飛機故障及特殊情況的設(shè)置；飛行過程監(jiān)控；飛行記錄；模擬器設(shè)備的各種控制（系統(tǒng)工作模式控制、應(yīng)急控制、在線自動測試控制、故障診斷控制）等功能。

（6）六自由度運動系統(tǒng)。平臺式運動系統(tǒng)可分為三自由度、四自由度、五自由度和六自由度4種，平臺式運動系統(tǒng)能較逼真地仿真瞬時過載動感、重力分量的持續(xù)感及部分抖動沖擊信號。目前使用最廣的是六自由度運動系統(tǒng)平臺（升降、縱向、側(cè)向3個線運動及俯仰、偏航、傾斜3個角運動），運動系統(tǒng)向飛行員提供六自由度的運動信號，使飛行員感覺與真實飛行相一致，并適時為飛行員提供操縱暗示。對于帶有運動系統(tǒng)的模擬器，還應(yīng)考慮部件安裝的牢固性，以免影響安全。

（7）視景系統(tǒng)。利用計算機圖像生成技術(shù)，產(chǎn)生逼真的窗外景象，如機場、跑道、田野、河流、道路等地形地貌，云、霧、雪、雨等氣候景象，給飛行員和工程設(shè)計人員提供實時逼真的視覺感受。

（8）聲音仿真系統(tǒng)。利用計算機技術(shù)和語音合成技術(shù)，給飛行員提供實時逼真的聽覺感受，從而增強人的沉浸感，使飛行員能夠根據(jù)音響判斷出飛機的飛行狀態(tài)。

（9）計算機實時仿真及網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。以實時仿真計算機主機作為核心節(jié)點，與其它分系統(tǒng)計算機節(jié)點共同組合成一個分布式實時系統(tǒng)，從而完成模擬器所需的所有控制和仿真計算。實時通訊應(yīng)采用相同的操作系統(tǒng)和語言開發(fā)環(huán)境，若采用不同的操作系統(tǒng)或開發(fā)語言，就需考慮網(wǎng)絡(luò)傳輸時網(wǎng)絡(luò)字節(jié)序的問題。不同的操作系統(tǒng)和開發(fā)語言對數(shù)據(jù)的存儲方式是不一樣的，若不加以重視，傳輸數(shù)據(jù)就有可能出現(xiàn)嚴重錯誤。

（10）硬件接口系統(tǒng)。主要完成模擬駕駛艙輸入的模擬量、數(shù)字量、開關(guān)量的數(shù)據(jù)采集，完成模擬駕駛艙的相關(guān)指示燈、告警燈、導(dǎo)光設(shè)備的驅(qū)動，完成駕駛艙中航電設(shè)備的驅(qū)動。

（11）工程師平臺。工程師平臺包括工程師終端計算機、投影儀、復(fù)現(xiàn)成像系統(tǒng)、視頻轉(zhuǎn)換器，與網(wǎng)絡(luò)相連，可進行模型設(shè)計、程序開發(fā)，并將最終結(jié)果傳輸?shù)焦こ棠M器中進行動態(tài)驗證。

（12）環(huán)境與支持系統(tǒng)。由電源系統(tǒng)、空調(diào)和通風(fēng)系統(tǒng)、機內(nèi)外通話系統(tǒng)等組成，主要提供系統(tǒng)所需的各種電源、電纜、插座等，同時提供記錄設(shè)備、視頻記錄和處理設(shè)備、打印設(shè)備等。

3 結(jié)語

實踐證明，工程模擬器的使用能夠促進飛機的研制進程，為飛機的試飛取證提供重要的試驗手段。

參考文獻：

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

[2] 宋翔貴，張新國.電傳飛行控制系統(tǒng)[M]. 北京：國防工業(yè)出版社，2003.

[3] 王維翰.民用飛機工程模擬器與訓(xùn)練模擬器的區(qū)別[J].民用飛機設(shè)計與研究，2003（1）：7880.

[4] 趙旭東，賈榮珍. ARJ21飛機工程模擬器關(guān)鍵技術(shù)研究[J].系統(tǒng)仿真學(xué)報，2009（21）：5761.