飛行仿真技術(shù)在模擬飛行實習(xí)與訓(xùn)練中的應(yīng)用

賈慈力, 隋成城, 匡江紅, 黨淑雯, 顧　瑩

(上海工程技術(shù)大學(xué) 航空運輸學(xué)院(飛行學(xué)院), 上?！?01620)

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飛行仿真技術(shù)在模擬飛行實習(xí)與訓(xùn)練中的應(yīng)用

賈慈力, 隋成城, 匡江紅, 黨淑雯, 顧瑩

(上海工程技術(shù)大學(xué) 航空運輸學(xué)院(飛行學(xué)院), 上海201620)

為降低飛行實習(xí)與訓(xùn)練成本、提高訓(xùn)練效率,實現(xiàn)民航飛行員訓(xùn)練模式的改革,上海工程技術(shù)大學(xué)研制了三自由度飛行模擬器和固定飛行模擬器,以替代真實飛機(jī)進(jìn)行模擬器飛行實習(xí)與訓(xùn)練。利用該模擬器能進(jìn)行開關(guān)車、起落飛行、空域特技飛行、大航線飛行、暗艙儀表飛行、晝間復(fù)雜氣象飛行、夜航簡單氣象飛行等普通民用飛機(jī)90%的飛行課目和特殊情況處置訓(xùn)練,為民航飛行學(xué)員的選拔、培養(yǎng)提供了一種安全、高效、經(jīng)濟(jì)的訓(xùn)練手段。

飛行模擬器； 仿真技術(shù)； 飛行訓(xùn)練

飛行模擬器訓(xùn)練能夠顯著降低飛行訓(xùn)練成本、提高訓(xùn)練效率,已部分替代真飛機(jī)空中訓(xùn)練的內(nèi)容,是培養(yǎng)初級飛行學(xué)員、職業(yè)飛行員復(fù)訓(xùn)評估等必不可少的重要環(huán)節(jié)。聯(lián)合國國際民用航空組織(International Civil Aviation Organization,ICAO)向各成員國推行多人制機(jī)組駕駛員執(zhí)照(multi-crew pilot license,MPL)訓(xùn)練新模式[1],國家民航局已正式推廣,并于2012年發(fā)布了《多人制機(jī)組駕駛員執(zhí)照訓(xùn)練和管理辦法》,規(guī)定在完成110小時真飛機(jī)飛行和20次起降外,還需在各個等級的飛行模擬器上訓(xùn)練230小時[2],才能獲得MPL,參加航線飛行。此舉大大減少了空中飛行時間、提高了安全性、降低了培養(yǎng)成本。

1　飛行仿真技術(shù)與飛行模擬器

飛行仿真技術(shù)是集成了飛行仿真建模與解算、運動系統(tǒng)仿真、仿真計算機(jī)及網(wǎng)絡(luò)、座艙設(shè)備仿真、視景系統(tǒng)仿真、航空電子系統(tǒng)仿真、航空氣象和環(huán)境仿真等多項技術(shù)的綜合性技術(shù)[3]。

通過仿真技術(shù),依據(jù)飛機(jī)性能和機(jī)載設(shè)備狀態(tài)參數(shù),對飛機(jī)的運動進(jìn)行實時仿真計算,模擬飛機(jī)的動態(tài)飛行性能、空中飛行的視聽覺和座艙環(huán)境[4],以及滑行、顛簸、空中氣流等動感[5],使飛行模擬器在飛機(jī)的性能、系統(tǒng)工作狀態(tài)、信息顯示、特殊情況告警以及飛行員操作等方面與真飛機(jī)上實際狀況一致[6]。目前,飛行仿真技術(shù)已經(jīng)在航空航天、民航運輸、軍事訓(xùn)練等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。

飛機(jī)模擬器主要分為工程模擬器和飛行模擬器兩大類。

工程模擬器主要用于飛機(jī)研制過程中,對飛機(jī)性能以及各種機(jī)載設(shè)備工作狀態(tài)進(jìn)行仿真、計算、試飛、檢驗[7],確保飛機(jī)系統(tǒng)與結(jié)構(gòu)設(shè)計的安全性和可靠性,從而縮短飛機(jī)研制的設(shè)計周期、節(jié)約成本、提高開發(fā)效率[8]。很多飛機(jī)制造商(例如波音公司、空客公司)每一個新型號飛機(jī)的研制,都要首先研制工程模擬器。

飛行模擬器按等級又分全任務(wù)飛行模擬器和飛行訓(xùn)練器兩類,主要用于飛行員飛行訓(xùn)練、轉(zhuǎn)換機(jī)型、技術(shù)升級、年度復(fù)訓(xùn)、熟練檢查。飛行模擬器不受場地、天氣等條件的制約,可以縮短飛行員訓(xùn)練周期,且不消耗航油、無危險、環(huán)保經(jīng)濟(jì),尤其適合在真飛機(jī)上無法進(jìn)行的絕大多數(shù)特情處置訓(xùn)練。通常,民用航空公司每20～25架飛機(jī)需配1臺飛行模擬器。

2　三自由度民航飛行模擬器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

上海工程技術(shù)大學(xué)是上海市唯一一所培養(yǎng)民航飛行技術(shù)人才的普通高校,2010年該校飛行技術(shù)專業(yè)被列為教育部首批卓越工程師教育培養(yǎng)計劃試點專業(yè)。為選拔、培養(yǎng)飛行學(xué)員,進(jìn)行航理實驗教學(xué)和飛行訓(xùn)練,學(xué)校在上海市教委、科委、經(jīng)信委的支持下,研制了三自由度民航飛行模擬器。該模擬器以某型民航大型運輸機(jī)為仿真對象,由飛行性能仿真系統(tǒng)、座艙系統(tǒng)、視景系統(tǒng)、音響系統(tǒng)、動感系統(tǒng)、綜合環(huán)境系統(tǒng)、計算機(jī)與網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)、系統(tǒng)控制臺系統(tǒng)、輔助系統(tǒng)等共9個分系統(tǒng)組成,系統(tǒng)原理如圖1所示。

圖1　三自由度民航飛行模擬器系統(tǒng)原理框圖

飛行性能仿真系統(tǒng)是模擬器系統(tǒng)的核心,主要用于飛機(jī)飛行系統(tǒng)的數(shù)學(xué)建模和解算、實現(xiàn)飛機(jī)飛行性能的仿真計算、為其他系統(tǒng)提供飛行參數(shù)及對外設(shè)進(jìn)行控制[9]。

視景系統(tǒng)由直徑7 m/220°球帶形投影幕、Matrix3000型短焦距投影器、可調(diào)節(jié)式投影器支架等組成,采用5通道實像直投方式,投影區(qū)域水平視場角210°、垂直視場角45°,以飛行員視點高為垂直視場角界線,上視角20°、下視角25°。

艙內(nèi)設(shè)備主要有主操縱機(jī)構(gòu)、中央儀表板、中央操縱臺、兩側(cè)控制臺、操縱負(fù)荷系統(tǒng)等。其中,駕駛盤機(jī)構(gòu)靜態(tài)位置誤差≤2%,負(fù)荷精度≤0.1%,最大輸出力縱向127 N,橫向89 N,行程最大角度前推17°、后拉20°、左右各90°,腳蹬機(jī)構(gòu)靜態(tài)位置誤差≤2.5%,負(fù)荷精度≤0.1%,最大輸出力179 N,前后極限位置相對位移100 mm。

動感系統(tǒng)采用三自由度電動平臺(如圖2所示),動載能力指標(biāo)垂直位移±100 mm,俯仰角±5.3°,傾斜角±9.1°,垂直瞬時線加速度0.5g,瞬時速度300 mm/s,通頻率2 Hz,產(chǎn)生俯仰、偏航、橫滾3個方向的動態(tài)載荷感覺,模擬飛機(jī)在地面滑跑和空中飛行的動感。

圖2　動感系統(tǒng)及座艙結(jié)構(gòu)組成

模擬器整體設(shè)計為雙層階梯式半封閉結(jié)構(gòu),如圖3所示。該模擬器能進(jìn)行飛行開關(guān)車練習(xí)、起落飛行、空域特技飛行、大航線飛行、暗艙儀表飛行、晝間復(fù)雜氣象飛行、夜航簡單氣象飛行等普通民用飛機(jī)90%的飛行課目和特殊情況處置訓(xùn)練,具有安全可靠、使用方便、訓(xùn)練成本低廉、可重復(fù)訓(xùn)練、不受氣象條件限制等優(yōu)點,且具有訓(xùn)練過程回放和智能評分功能,便于教員進(jìn)行技術(shù)分解講評。

3　模擬器飛行實習(xí)與訓(xùn)練

模擬器飛行是飛行技術(shù)專業(yè)學(xué)生必修的實驗實習(xí)教學(xué)內(nèi)容。上海工程技術(shù)大學(xué)以自主研發(fā)的固定飛行模擬器和三自由度飛行模擬器裝備了飛行模擬器訓(xùn)練中心,為學(xué)生提供了飛行模擬器實習(xí)實訓(xùn)平臺,用于飛行技術(shù)專業(yè)基本飛行技能訓(xùn)練階段和初級訓(xùn)練階段的實習(xí)實訓(xùn)教學(xué)?？蛇M(jìn)行飛行員操作規(guī)范實訓(xùn)、飛行程序?qū)嵙?xí)、儀表飛行、五邊飛行等基本飛行技能實習(xí)實訓(xùn)。對于不正常飛行狀態(tài)改出、發(fā)動機(jī)火警、發(fā)動機(jī)停車、起落架收放故障等在真飛機(jī)飛行時不可能進(jìn)行的特情處置訓(xùn)練課目,更是利用飛行模擬器進(jìn)行飛行實習(xí)的主要教學(xué)內(nèi)容,對培養(yǎng)飛行學(xué)員的應(yīng)急處置、威脅和差錯管理能力具有不可替代的作用。

圖3　三自由度飛行模擬器

此外,利用飛行模擬器開設(shè)了飛行儀表功能與指示實驗、駕駛艙資源管理實驗、飛行檢查單實驗、操縱系統(tǒng)與飛機(jī)姿態(tài)實驗等通用性實驗課程,同樣也適用于航空機(jī)務(wù)維修專業(yè),還可開設(shè)民用航空器維修基礎(chǔ)培訓(xùn)大綱的部分實驗實習(xí)教學(xué)內(nèi)容。以真實飛機(jī)數(shù)據(jù)包為基礎(chǔ),利用仿真技術(shù)逼真地模擬實際工作場景,有利于培養(yǎng)學(xué)生解決復(fù)雜問題的技術(shù)能力和工程創(chuàng)新意識[10-12]。

4　結(jié)語

模擬器飛行訓(xùn)練風(fēng)險低、收益高,能大幅減少空中飛行訓(xùn)練時間,且安全可靠,不受氣候環(huán)境等因素影響,縮短訓(xùn)練周期。模擬飛行訓(xùn)練可大量節(jié)省航空燃料,減少燃燒尾氣和二氧化碳的排放量,環(huán)保效益巨大、經(jīng)濟(jì)效益可觀。隨著民航業(yè)的迅速發(fā)展,對飛行員的需求急劇增加,航校訓(xùn)練量和對飛行模擬器的需求也將快速增長。我校開展飛行仿真技術(shù)研究和飛行模擬器研發(fā)、飛行實習(xí)與訓(xùn)練,積累了一定的研制經(jīng)驗和教學(xué)經(jīng)驗,獲得了較好的社會效益和經(jīng)濟(jì)效益。

取得三自由度飛行模擬器與固定飛行模擬器、六自由度工程/飛行模擬器等系列成果的“運輸機(jī)飛行仿真系統(tǒng)研發(fā)及應(yīng)用”項目,已于2010年7月通過教育部科技成果鑒定。鑒定委員會認(rèn)為該項研究成果達(dá)到國際先進(jìn)水平,為國產(chǎn)大型飛機(jī)研制和飛行模擬器研發(fā)打下了堅實的基礎(chǔ),建議加快形成產(chǎn)業(yè)化推廣和應(yīng)用。

References)

[1] Allerton D．飛行仿真原理[M]．劉興科,譯．北京:電子工業(yè)出版社,2013．

[2] AC-61-FS-2012-13R1．多人制機(jī)組駕駛員執(zhí)照訓(xùn)練和管理辦法[S]．北京:中國民用航空局飛行標(biāo)準(zhǔn)司,2012．

[3] 汪泓,謝東來．運輸機(jī)飛行仿真技術(shù)及應(yīng)用[M]．北京:清華大學(xué)出版社,2013．

[4] 王行仁．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．

[5] 李小奇,盧穎．動感仿真技術(shù)[M]．長春:吉林人民出版社,2002．

[6] 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,2009,21(21):56-59．

[7] 汪泓,隋成城,謝晨．某型運輸機(jī)工程飛行仿真研究[J]．上海工程技術(shù)大學(xué)學(xué)報,2013,27(2):97-100．

[8] 張玲,陳寧,姬云,等．飛行模擬器飛行仿真系統(tǒng)集成與方法研究[J]．飛行力學(xué),2010,28(3):39-42．

[9] 孫振宇,隋成城,陳曦,等．某型飛機(jī)工程飛行仿真數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)[J]．上海工程技術(shù)大學(xué)學(xué)報,2013,27(2):107-110．

[10] 何偉剛,吳其琦,黃亞群．仿真技術(shù)應(yīng)用于移動通信實驗教學(xué)的創(chuàng)新實踐[J]．實驗技術(shù)與管理,2014,31(10):132-135．

[11] 陳麗霞,范士勇,劉鑫．虛擬仿真技術(shù)在現(xiàn)代通信網(wǎng)實驗教學(xué)中的應(yīng)用[J]．實驗技術(shù)與管理,2015,32(4):133-135．

[12] 初漢芳,朱燕空．創(chuàng)業(yè)虛擬仿真實驗教學(xué)中心的實踐與探索[J]．實驗技術(shù)與管理,2014,31(12):97-100．

Application of flight simulation technology in flight simulation practice and training

Jia Cili, Sui Chengcheng, Kuang Jianghong, Dang Shuwen, Gu Ying

(School of Air Transportation/Flying, Shanghai University of Engineering Science, Shanghai 201620, China)

To keep up with the improvement of airline pilot training mode, by researching and using flight simulation technology, several levels of flight simulators are developed for flight simulator practice and training instead of real aircraft. In order to know how to practice on the simulator, and how to fly on real aircraft, the simulator should meet the requirements of flight procedures practice, instrument flight training, basic flying skills training, and provide safe, efficient and economic training means for civil aviation students’ selection and training.

flight simulator; simulation technology; flight training

10.16791/j.cnki.sjg.2016.03.030

2015- 08- 20

上海市科委科研計劃項目(14170501400)；上海市地方高?！笆濉眱?nèi)涵建設(shè)項目(nhjx-2014-09)；上海工程技術(shù)大學(xué)教育科學(xué)研究項目(y201408001)

賈慈力(1966—),男,上海,碩士,副教授,副院長,研究方向為機(jī)械制造、交通運輸工程.

E-mail:jiacili@sues.edu.cn

G484；V323.11

B

1002-4956(2016)3- 0120- 03