基于HQRM的系統(tǒng)故障下的操縱品質(zhì)評定技術

張海妮, 賈曉鵬, 程偉豪

(中國飛行試驗研究院 飛機所, 陜西 西安 710089)

基于HQRM的系統(tǒng)故障下的操縱品質(zhì)評定技術

張海妮, 賈曉鵬, 程偉豪

(中國飛行試驗研究院 飛機所, 陜西 西安 710089)

在某型民用飛機系統(tǒng)故障狀態(tài)下的操縱品質(zhì)適航審定試飛中,首次成功地運用了操縱品質(zhì)等級評定方法(HQRM)。結(jié)合該項試飛,研究總結(jié)了基于HQRM的操縱品質(zhì)評定流程和概率計算方法,探討了基于該方法的試驗手段、試驗任務及舵面卡阻位置的選取原則,并結(jié)合實例提出了一套更為合理的試驗結(jié)果評定準則,研究結(jié)果可為國內(nèi)其他運輸類飛機的適航審定試驗提供重要參考。

民用飛機; 電子飛行控制系統(tǒng); 系統(tǒng)故障; 操縱品質(zhì)評定; HQRM

0 引言

電子飛行控制系統(tǒng)(EFCS)已成為民用運輸類飛機飛行控制系統(tǒng)設計實現(xiàn)的主流,用以對飛機進行增強控制。EFCS的應用會使飛機表現(xiàn)出許多新的設計特征,從而使其操縱品質(zhì)隨之改變。這些設計特征往往不能被當前使用的規(guī)章要求完全覆蓋,繼而有可能導致安全隱患。因此,美國聯(lián)邦航空局制定了一種更加系統(tǒng)的適用于EFCS飛機的適航符合性評定方法——操縱品質(zhì)等級評定方法(Handling Qualities Rating Method,HQRM)[1],以評定飛機的操縱品質(zhì)。

某型民用飛機系統(tǒng)故障下的操縱品質(zhì)評定試飛,使該方法在我國首次由理論轉(zhuǎn)為實踐,填補了國內(nèi)該領域的空白。本文結(jié)合該型飛機系統(tǒng)故障下的操縱品質(zhì)評定試飛,對基于HQRM的品質(zhì)評定技術進行了分析,研究結(jié)果對國內(nèi)其他運輸類飛機的適航審定試驗具有重要的參考價值。

1 適航要求

對于傳統(tǒng)飛機,CCAR-25部第25.672(c)項[2]對系統(tǒng)故障下的操縱品質(zhì)提出了明確要求,但該要求對安裝有EFCS的飛機具有一定的不足。HQRM融合了系統(tǒng)故障、飛行包線及大氣擾動等多個因素及其發(fā)生概率,對系統(tǒng)故障下的操縱品質(zhì)提出了明確要求,可作為EFCS飛機的操縱品質(zhì)評定依據(jù)。

通常情況下,除非在專用條件中特別申明,否則HQRM并不能替代CCAR-25部對于系統(tǒng)故障下的操縱品質(zhì)評定要求。在某型民機的該項目試飛中,申請人制定了專用條件來替代25.672(c),專用條件要求:HQRM用于代替CCAR-25.672(c)評估由非極不可能發(fā)生的故障而形成的EFCS構(gòu)型。該專用條件將飛機操縱品質(zhì)分為三個等級,允許其隨故障狀態(tài)逐漸降級,并隨大氣擾動水平和在飛行包線中位置的不同而變化。

2 系統(tǒng)故障下的操縱品質(zhì)評定流程

HQRM是一種面向飛行任務的適航符合性方法,依據(jù)選定的飛行任務完成典型的機動,可以評定飛機在系統(tǒng)故障下的操縱品質(zhì),從而判斷其是否滿足適航要求。具體評定流程如圖1所示。

圖1 基于HQRM的系統(tǒng)故障下的操縱品質(zhì)評定流程Fig.1 Handing quality rating process with system failure based on HQRM

由圖1可知,基于HQRM的品質(zhì)評定主要包含四部分內(nèi)容:(1) 系統(tǒng)故障、大氣擾動和飛行包線等因素的單一概率及組合概率的計算;(2) 試驗手段和任務的選擇;(3) 試驗實施;(4) 操縱品質(zhì)評定。下面以某型民機副翼卡阻狀態(tài)下的操縱品質(zhì)評定試驗為例,對相關關鍵技術進行分析闡述。

3 概率計算

根據(jù)HQRM評定指南,對組合概率小于10-9的狀態(tài),無需進行操縱品質(zhì)評定,因此,組合概率的確定是進行該項目的前提。

3.1 系統(tǒng)故障概率

首先確定需要進行操縱品質(zhì)評定的系統(tǒng)故障清單。該清單需從系統(tǒng)安全性分析的故障清單中篩選,主要考慮對飛機操縱品質(zhì)有影響的狀態(tài)。對飛機操縱品質(zhì)產(chǎn)生的影響主要從飛機的響應/能力和駕駛員操縱兩個方面進行評估。初步篩選出故障清單后,還需采用相似合并、臨界覆蓋等原則對清單進行進一步優(yōu)化[3]。在某型民機該項目試驗中,最終確定了包括副翼卡阻在內(nèi)的系統(tǒng)故障清單。

系統(tǒng)故障概率通過主系統(tǒng)安全性分析確定。在某型民機該項目試飛中,根據(jù)系統(tǒng)安全性分析確定了其副翼卡阻概率。

3.2 飛行包線概率

根據(jù)HQRM評定指南,飛機的飛行包線分為三個等級,即正常飛行包線(概率為100)、使用飛行包線(概率為10-3)和極限飛行包線(概率為10-5)。

3.3 大氣擾動概率

根據(jù)HQRM評定指南,大氣擾動按強度大小可分為輕微的(概率為100)、中等的(概率為10-3)和嚴重的(概率為10-5)三個等級。

3.4 組合概率計算

將已確定的系統(tǒng)故障概率、飛行包線概率和大氣擾動概率分別記為Xc，Xe和Xa,則組合概率為X=XcXeXa。

在計算實際組合概率時,除了需要考慮各因素之間的相互影響并對計算結(jié)果進行修正外,通常還需考慮下列因素:

(1)對不可能出現(xiàn)的系統(tǒng)故障和飛行包線組合情況,不予考慮。例如,喪失地面破升功能發(fā)生在特定飛行狀態(tài),不可能與使用飛行包線和極限飛行包線組合,因此不必考慮。

(2)對某些故障與使用飛行包線或極限飛行包線的組合,若其對飛機的影響程度并不高于該故障與正常飛行包線的組合,則僅需評定該故障與正常飛行包線的組合。

根據(jù)上述原則對某型民機副翼卡阻條件下的組合概率進行計算,并忽略組合概率小于10-9的情況,只有副翼卡阻與正常飛行包線及輕微大氣擾動的組合滿足條件。

4 飛行試驗

4.1 試驗手段的選取

基于HQRM的試驗手段包括供應商試驗室試驗、鐵鳥試驗或系統(tǒng)綜合試驗、工程模擬器試驗和飛行試驗等,試驗手段需要根據(jù)具體故障情況、遵循一定的流程選擇并經(jīng)局方認可后確定。

經(jīng)分析,副翼卡阻會對某型民機飛機操縱品質(zhì)產(chǎn)生影響,而且該故障狀態(tài)可以通過在飛機上加裝特殊的試驗設備實現(xiàn),因此最終選擇飛行試驗的方式作為驗證該項目的試驗手段。

4.2 試驗任務的選取

在操縱品質(zhì)評定過程中,具體選用哪種試驗任務與系統(tǒng)故障形式和飛行包線有關,通常根據(jù)系統(tǒng)發(fā)生故障后產(chǎn)生的后果選擇相應的飛行任務。

副翼卡阻主要會使飛機的橫向操縱權(quán)限和效率降低,增加駕駛員操縱負擔,在不可預知的情況下,可能會導致飛機失控。因此,在該故障條件下,飛機的橫向操縱特性是操縱品質(zhì)評定的重點。在某型民機副翼卡阻下的品質(zhì)評定試飛中,最終選擇了30°滾轉(zhuǎn)角轉(zhuǎn)彎機動、60°(從一側(cè)30°到另一側(cè)30°)滾轉(zhuǎn)角滾轉(zhuǎn)機動和模擬著陸的試驗任務。

4.3 副翼卡阻位置的選取

參考ARAC 671[4],飛行試驗中的副翼卡阻位置應該包括直至最大卡阻位置的任意值,對最大卡阻位置的選取應遵循以下原則:

起飛過程:飛機在速度V1、正側(cè)風15 kn的條件下保持機翼水平對應的副翼偏度。

飛行過程:在相應的速度下能夠保持12 (°)/s的滾轉(zhuǎn)角速率所對應的副翼偏度,但該角度不能超過最大操縱輸入所對應角度值的50%。

飛行試驗時,需以上述原則為基礎,結(jié)合仿真計算和模擬器試驗結(jié)果確定最終的副翼卡阻位置。

4.4 飛行試驗結(jié)果

某型民機在副翼卡阻的條件下執(zhí)行選定的機動任務(HP=3.0 km,Vi=1.23VSR),相應的動態(tài)響應如圖2～圖4所示。由圖2～圖4可知，飛機在進行30°滾轉(zhuǎn)角轉(zhuǎn)彎過程中駕駛盤用量約為50%；滾轉(zhuǎn)60°過程中滾轉(zhuǎn)速度峰值約為20 (°)/s ；滾轉(zhuǎn)時間小于4 s；模擬著陸過程中，據(jù)駕駛員評述，飛機響應正常，沒有出現(xiàn)不安全的飛行特性。

圖2 30°轉(zhuǎn)彎機動時間歷程Fig.2 Time histories of 30° turning maneuver

圖3 60°滾轉(zhuǎn)機動時間歷程Fig.3 Time histories of 60° rolling maneuver

圖4 模擬著陸時間歷程Fig.4 Time histories of simulated landing

5 操縱品質(zhì)評定

5.1 操縱品質(zhì)等級評定

HQRM評定指南將飛機的操縱品質(zhì)分為三個等級并分別給出了定性描述,駕駛員以此為據(jù),結(jié)合試驗結(jié)果對飛機的操縱品質(zhì)進行評定。HQRM操縱品質(zhì)等級與庫伯-哈伯等級及軍用標準等級的對應關系如表1所示。

表1 HQRM操縱品質(zhì)等級與常規(guī)操縱品質(zhì)等級的對應關系Table 1 Relation between HQRM handing quality rating and the conventional one

上述等級定義都屬于定性描述,內(nèi)容過于籠統(tǒng),實際評定時駕駛員往往難于把握,很可能給出并不準確的結(jié)果。例如,某次副翼卡阻訓練飛行中,飛機在進行60°滾轉(zhuǎn)角過程中歷時9 s,駕駛員憑此給出的HQRM評定結(jié)果為“C”。參考CS-25[5]對雙發(fā)飛機滾轉(zhuǎn)性能的要求(7 s內(nèi)滾轉(zhuǎn)60°)及CCAR-25部對單發(fā)飛機滾轉(zhuǎn)性能的要求(11 s內(nèi)滾轉(zhuǎn)60°),這樣的結(jié)果并不準確。

分析研究后發(fā)現(xiàn),將飛機在正常狀態(tài)下的規(guī)章(標準)要求與表1所述結(jié)合起來進行HQRM評定,往往會得到更為準確的試驗結(jié)果。

表2給出了規(guī)章(標準)對正常狀態(tài)下幾種典型機動的操縱要求。通常情況下,若飛機在系統(tǒng)故障下的機動響應滿足表2的要求,則可認為其操縱品質(zhì)是滿意的。實踐證明,該試驗結(jié)果評定準則更為合理。

表2 規(guī)章(標準)對于典型機動的操縱要求Table 2 Handling requirements for some typical maneuver of the regulations (standards)

在某型民機的副翼卡阻試驗中,駕駛員根據(jù)飛行試驗結(jié)果,參考表1和表2給出的HQRM評定等級為“S”。

5.2 適航符合性評定

HQRM評定指南給出了FAA可接受的最低操縱品質(zhì)等級,若飛機的操縱品質(zhì)優(yōu)于或等于相應的等級要求,則認為其適航特性滿足要求。

在某型民機的副翼卡阻試驗中,系統(tǒng)故障和飛行包線的組合概率為不太可能的狀態(tài),根據(jù)最低操縱品質(zhì)要求,在所評定的條件下,飛機的操縱品質(zhì)等級應至少為“A”。因此,該飛機在副翼卡阻條件下的操縱品質(zhì)符合適航要求。

6 結(jié)束語

飛機飛行控制系統(tǒng)由傳統(tǒng)機械式向EFCS的轉(zhuǎn)換促進了HQRM的發(fā)展。本文結(jié)合實例,對基于HQRM的操縱品質(zhì)評定要求進行了分析,總結(jié)了評定流程和概率計算方法,闡述了試驗手段、試驗任務等的選取原則,指出傳統(tǒng)試飛指南中試飛結(jié)果評定準則的弊端,并提出了更為完善合理的準則,初步形成了一套基于HQRM的品質(zhì)評定程序。實踐證明,該評定技術合理可行,具有一定的通用性,對國內(nèi)其他運輸類飛機系統(tǒng)故障下的操縱品質(zhì)評定試驗和試飛指南的編寫具有重要的參考價值。

[1] FAA.AC25-7C Flight test guide for certification of transport category airplanes[S].USA:FAA, 2012.

[2] 中國民用航空總局.CCAR-25-R4 運輸類飛機適航標準[S].北京:中國民用航空總局,2011.

[3] 張彤.HQRM方法在適航審定實踐中的應用[J].飛行力學,2013,31(6):553-557.

[4] FAA.Flight controls harmonization working group recommendation letter-advisory material joint 25.671 [S].USA:FAA,2002.

[5] EASA.CS-25 Certification specifications and acceptable means of compliance for large aeroplanes [S].Germany:EASA,2011.

[6] 中國人民解放軍空軍,航空工業(yè)部.GJB185-86 有人駕駛飛機(固定翼)飛行品質(zhì)[S].北京:國防科學技術工業(yè)委員會,1987.

(編輯：任亞超)

中國飛行力學與飛行試驗第31屆學術交流年會征文通知

中國飛行力學與飛行試驗第31屆學術交流年會擬于2016年8～9月舉行,該會議由中國航空學會飛行力學與飛行試驗專業(yè)委員會、國防口飛行力學協(xié)作攻關辦公室<9510>和總裝備部飛行力學研究與學術交流小組聯(lián)合主辦,由中國飛行試驗研究院承辦。

一、征文范圍:(1)飛行器(含固定翼、旋翼機、特種飛行器)飛行特性及飛行品質(zhì)研究;(2)現(xiàn)代戰(zhàn)機能力要求及典型任務動作(如超視距空戰(zhàn)、敏捷性、過失速機動及近距格斗等)飛行力學問題研究;(3)人-機系統(tǒng)飛行品質(zhì)及評價技術研究;(4)艦載機飛行動力學研究;(5)導彈攻擊區(qū)及彈丸、彈頭落點精度研究;(6)導彈彈道優(yōu)化設計和制導律研究;(7)航天器運行、返回軌道的測量、確定和控制技術研究;(8)飛行器飛行模擬和仿真技術及應用研究;(9)飛行器飛行試驗技術和方法研究;(10)飛行器試驗數(shù)據(jù)處理方法研究;(11)軍機作戰(zhàn)模式及作戰(zhàn)效能評價技術研究;(12)飛行器適航性及驗證評價技術研究;(13)無人飛行器系統(tǒng)設計及飛行試驗評價技術研究;(14)飛行器設計及試驗相關指南和規(guī)范研究;(15)近年來國外飛行力學與飛行試驗的發(fā)展趨勢和動態(tài);(16)其他有關的飛行力學與飛行試驗問題。

二、論文要求:(1)未在公開出版物或在全國性學術會議上交流過的論文;(2)全文以8000字為限,論文摘要100～300字;(3)論點明確,數(shù)據(jù)可靠,文責和保密自負,請作脫密處理;(4)論文請采用Word 2003排版,并注明“2016飛行力學年會論文”;(5)征文截止時間:2016年3月31日。

三、投稿方式及注意事項:(1)本次年會只接收電子投稿,不收取打印稿;(2)請按時間要求將論文原稿、作者信息表以及論文保密審查證明發(fā)送至電子郵箱:feixinglixue@163.com;(3)“論文模版及撰寫要求”、“作者信息表”均可從《飛行力學》網(wǎng)站下載(http://fhlx.cbpt.cnki.net);(4)聯(lián)系人:李怡(029-86838449;QQ:494816773);張斌(029-86837411)。

歡迎從事飛行力學和飛行試驗研究的科研人員、院校師生踴躍投稿,也請有關單位科技部門及本專業(yè)委員會委員、辦公室成員和小組成員積極組稿報送。

《飛行力學》編輯部

Handling quality rating technology with system failure based on HQRM

ZHANG Hai-ni, JIA Xiao-peng, CHENG Wei-hao

(Aircraft Flight Test Technology Institute, CFTE, Xi’an 710089, China)

In China, the HQRM was first applied to the certification of civil airplane successfully when the handing quality test of a civil airplane with system failure was carried out. Based on the test, this paper researched and summed the process of the handing quality rating and calculation method of the probability based on HQRM, discussed the selection principles of the test method, test mission and control surface jamming position based on the method, and brought out a more reasonable criteria for test result assessment, which can provide an important reference for other transport category airplanes.

civil airplane; electronic flight control system (EFCS); system failure, handling quality rating; HQRM

2015-04-18;

2015-08-30;

時間:2015-09-25 16:10

張海妮(1985-)，女，陜西寶雞人，工程師，主要從事飛機飛行品質(zhì)試飛研究。

V212.1; V217

A

1002-0853(2015)06-0555-05