“駕駛員誘發(fā)振蕩”事關(guān)飛行安全

文謝檬峻

“駕駛員誘發(fā)振蕩”事關(guān)飛行安全

文謝檬峻

飛機(jī)的飛行安全問(wèn)題事關(guān)重大，如何從根本上減少和杜絕此類安全事故，一直以來(lái)就是有關(guān)專家和技術(shù)人員研究和攻關(guān)的重點(diǎn)科研項(xiàng)目。本文則從另外一個(gè)角度探討和分析這個(gè)問(wèn)題——

飛行安全一直是航空業(yè)事業(yè)首要關(guān)注的重要問(wèn)題。最近，筆者就此問(wèn)題做了一些調(diào)查和研究，下面就是筆者的一孔之見(jiàn)。

一

如何減少飛行事故的話題一直伴隨著航空事業(yè)的發(fā)展。隨著人類文明的不斷進(jìn)步，與飛行器制造和飛行控制相關(guān)的學(xué)科都有了長(zhǎng)足的進(jìn)步，從而促進(jìn)了飛行器安全性、可靠性和自動(dòng)化程度的提高，飛行事故的發(fā)生率也隨之顯著下降。從事故發(fā)生率來(lái)看，航空運(yùn)輸可以算得上各種交通運(yùn)輸工具中最安全的一種方式。但是，由于飛行的特殊性，從世界空難事故統(tǒng)計(jì)資料可見(jiàn)，飛行安全形勢(shì)仍然非常嚴(yán)峻。

影響飛行安全的因素有很多，“駕駛員誘發(fā)振蕩”就是因素之一（以下簡(jiǎn)稱PIO）。PIO是一種飛行現(xiàn)象，表現(xiàn)為非預(yù)期、不可控的飛機(jī)振蕩，是由人-機(jī)閉環(huán)系統(tǒng)中駕駛員與飛機(jī)兩個(gè)環(huán)節(jié)的某種不良耦合所引起，是影響飛行安全的重要因素之一。飛機(jī)本身是一個(gè)復(fù)雜系統(tǒng)，但是當(dāng)其處于一定的飛行狀態(tài)時(shí)，飛機(jī)、機(jī)組人員和飛行環(huán)境組成的系統(tǒng)就更復(fù)雜了，即“駕駛員-飛機(jī)-飛行條件”系統(tǒng)，飛機(jī)飛行安全主要由這個(gè)大系統(tǒng)決定。因此，影響飛行安全的主要因素就是該系統(tǒng)的三個(gè)組成部分，這三個(gè)因素中任一個(gè)出現(xiàn)問(wèn)題或它們之間的關(guān)系出現(xiàn)問(wèn)題都會(huì)引起飛行事故。而由PIO不穩(wěn)定而引起的一系列問(wèn)題，是人和飛機(jī)兩個(gè)飛行安全因素同時(shí)影響的產(chǎn)物。隨著科技的進(jìn)步和飛機(jī)飛行包線的不斷擴(kuò)大，操縱系統(tǒng)由簡(jiǎn)單機(jī)械操縱，經(jīng)可逆和不可逆助力操縱發(fā)展到高性能全時(shí)全權(quán)限的電傳操縱。尤其70年代后，隨著電傳系統(tǒng)的應(yīng)用逐漸增多，這種PIO倍受世界航空界的重視。

二

在飛機(jī)試飛中，PIO有著舉足輕重的地位。專家指出：“為保證飛機(jī)的飛行安全，飛機(jī)必須由試飛員進(jìn)行高增益（寬帶寬）、閉環(huán)任務(wù)試驗(yàn)來(lái)確認(rèn)可能遭遇不利的可能性最小。但是，對(duì)認(rèn)為在實(shí)際飛行中太危險(xiǎn)的狀態(tài)（如超出使用包線之外的飛行狀態(tài)，重度大氣擾動(dòng)中的飛行，帶特定失效狀態(tài)的飛行等），如果具有在所關(guān)注的飛行狀態(tài)下經(jīng)過(guò)確認(rèn)的高逼真度的運(yùn)動(dòng)基模擬器，則閉環(huán)評(píng)估任務(wù)可以在其上進(jìn)行?！?/p>

盡管飛機(jī)試飛方法很多，但準(zhǔn)確預(yù)測(cè)或復(fù)現(xiàn)實(shí)際飛行中PIO卻是十分困難的。同時(shí)由于PIO的觸發(fā)存在一定危險(xiǎn)性，一些太危險(xiǎn)的飛行任務(wù)需要在飛行模擬器上進(jìn)行，這無(wú)形中降低了駕駛員操縱的緊張程度，進(jìn)而增加了試驗(yàn)與實(shí)際飛行中觸發(fā)PIO的差距。無(wú)論利用何種手段進(jìn)行PIO預(yù)測(cè)試飛試驗(yàn)，根據(jù)PIO系統(tǒng)機(jī)理準(zhǔn)確分析原因，進(jìn)而改進(jìn)現(xiàn)有設(shè)計(jì)，提高飛機(jī)飛行品質(zhì)和安全水平，是進(jìn)行PIO試驗(yàn)的根本目的所在。于是，如何準(zhǔn)確在特定的飛機(jī)構(gòu)型、駕駛員任務(wù)以及觸發(fā)因素上做到安全無(wú)誤，是試飛需要解決的首要問(wèn)題。由于當(dāng)前研究水平有限，試飛任務(wù)的設(shè)定以及評(píng)估效果還不是很理想。因此，研究出一系列具體的PIO預(yù)測(cè)試飛方法具有迫切的重要意義。

三

國(guó)際航空界一直視PIO為極具挑戰(zhàn)性的難題之一，并十分重視其研究?，F(xiàn)已在其理論研究等方面取得了大量成果，其應(yīng)用對(duì)如何設(shè)計(jì)飛控系統(tǒng)來(lái)減少發(fā)生PIO的可能性方面起到了很大作用。

國(guó)外對(duì)于PIO的研究起步較早，20世紀(jì)70年代就有很多相關(guān)的文獻(xiàn)資料，直至1992年，美國(guó)的YF-22飛機(jī)試飛時(shí)因PIO而失事，C-17飛機(jī)也出現(xiàn)了PIO現(xiàn)象，從而引起國(guó)內(nèi)外專家的重視，PIO成為目前研究的新熱點(diǎn)。1994 年4 月至1997年1 月，美國(guó)塔斯基吉大學(xué)航空科學(xué)工程實(shí)驗(yàn)室的工程師經(jīng)過(guò)近三年的研究，利用一套擁有美國(guó)航空航天局開(kāi)發(fā)的F-15E飛行仿真軟件的飛行系統(tǒng)，通過(guò)多次實(shí)驗(yàn)，開(kāi)發(fā)出一個(gè)示范PIO現(xiàn)象的低成本仿真系統(tǒng)。1995年，有人提出了率飽和度對(duì)采用了等效頻率描述函數(shù)的飛行控制系統(tǒng)的影響探討，并提出了一個(gè)在飛行控制系統(tǒng)中考慮了率限制器的新準(zhǔn)則。1998年，5名工程技術(shù)人員和試飛員在相關(guān)模擬器上執(zhí)行了大量飛行模擬實(shí)驗(yàn)，得到一組描述現(xiàn)代飛行控制系統(tǒng)操縱速率飽和引起的PIO現(xiàn)象的數(shù)據(jù)，并計(jì)算出總共342種模擬趨勢(shì)。仿真結(jié)果表現(xiàn)了兩個(gè)不同試驗(yàn)任務(wù)，模擬運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)和不同駕駛員特性對(duì)飛行安全的影響。他們對(duì)這組仿真數(shù)據(jù)進(jìn)行分析討論，開(kāi)發(fā)出了一個(gè)新的非線性PIO預(yù)報(bào)標(biāo)準(zhǔn)。1999年，兩位工程師基于魯棒穩(wěn)定性分析了II型PIO。假設(shè)PIO以有限循環(huán)的行為來(lái)表征，然后得出了兩條研究II 型PIO的準(zhǔn)則。第一條是用一個(gè)線性定常增益來(lái)代替非線性部分，這等價(jià)于經(jīng)典的描述函數(shù)分析法，但避免了描述函數(shù)方法的計(jì)算困難。第二條準(zhǔn)則是基于速率飽和致動(dòng)器函數(shù)的穩(wěn)定性分析，保證了非線性設(shè)備的漸進(jìn)穩(wěn)定性。并通過(guò)幾個(gè)算例證明了他們提出方法的有效性。

四

2000年，有專家提出了一個(gè)預(yù)測(cè)人-機(jī)系統(tǒng)是否能引起PIO的分析方法。專家利用等效增益代替非線性部分，接著推導(dǎo)出系統(tǒng)的一個(gè)允許使用工具模型，又通過(guò)檢測(cè)潛在的循環(huán)限制，對(duì)這個(gè)方法進(jìn)行了一些修改。最后在F-18 縱向飛行控制系統(tǒng)中進(jìn)行驗(yàn)證。

2002年，歐洲航空科技研究組織建立了一個(gè)研究小組，致力于研究一種新方法去發(fā)展現(xiàn)有的非線性特性評(píng)估技術(shù)。該小組的實(shí)驗(yàn)結(jié)果被收錄在一本手冊(cè)中，這一研究成果為在飛機(jī)設(shè)計(jì)中如何避免不利于飛行安全的各種因素奠定了基礎(chǔ)。2003年8 月，英國(guó)利物浦大學(xué)的研究人員在大氣飛行力學(xué)會(huì)議上提出了建模以及進(jìn)行飛行仿真實(shí)驗(yàn)，從飛行力學(xué)的角度研究，在縱向和橫向都不穩(wěn)定，并伴隨著PIO傾向的情況下可操作性。同年，美國(guó)的研究人員開(kāi)展了實(shí)時(shí)探測(cè)方法研究，并提出了各種不同的探測(cè)器方案。2004 年3 月，英國(guó)和美國(guó)的研究人員研究出一個(gè)縱向PIO傾向的評(píng)級(jí)描述函數(shù)，他們?cè)O(shè)計(jì)出一個(gè)新標(biāo)準(zhǔn)，用于計(jì)算PIO的敏感性。2005 年8 月，研究人員在美國(guó)航空航天研究所大氣飛行力學(xué)會(huì)議上提出了一些關(guān)于PIO 的測(cè)試建議。他們建議對(duì)于PIO外在的測(cè)試，在未來(lái)發(fā)展測(cè)試的程序上做一個(gè)轉(zhuǎn)變，通過(guò)飛行測(cè)試，測(cè)試初步的地面仿真手段。在地面仿真和飛行測(cè)試兩個(gè)環(huán)境下，描述并討論現(xiàn)代地面模擬機(jī)的缺點(diǎn)并考慮其敏感性。2006 年12 月，幾位科學(xué)家以一次實(shí)際飛行操作為例，演示了飽和率制動(dòng)器系統(tǒng)中一種反震動(dòng)新技術(shù)。發(fā)明了一種調(diào)整反震動(dòng)補(bǔ)償器的評(píng)估交換新方法，此法平衡了飛機(jī)性能和引力區(qū)域的大小。同時(shí)把該反震動(dòng)算法運(yùn)用到實(shí)驗(yàn)飛機(jī)的縱向和橫向非線性動(dòng)力學(xué)仿真模型中，結(jié)果顯示了反震動(dòng)在減小飛機(jī)的PIO敏感性方面的潛力，并在飛行測(cè)試中得到驗(yàn)證。

五

國(guó)內(nèi)對(duì)PIO的研究起步較晚，但從空氣動(dòng)力學(xué)、飛控系統(tǒng)、模擬仿真算法等方面對(duì)PIO的研究都取得了一定成果。1991 年8 月，空軍工程學(xué)院的陳廷楠和徐浩軍根據(jù)PIO 的實(shí)質(zhì)，從閉環(huán)控制理論出發(fā)，提出了人-機(jī)系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型，并以時(shí)域法作為算法，進(jìn)行數(shù)學(xué)建模對(duì)PIO進(jìn)行研究分析。證明了時(shí)域法計(jì)算方法具有直觀性，物理意義強(qiáng)，可以考慮眾多非線性因素，有更加可靠的優(yōu)點(diǎn)。第二年的12月，陳廷楠和張廣軍應(yīng)用人-機(jī)系統(tǒng)閉環(huán)控制原理，對(duì)J7-Ⅱ飛機(jī)的PIO問(wèn)題進(jìn)行了研究。他們先建立了一個(gè)人-機(jī)操縱系統(tǒng)-機(jī)組合系統(tǒng)及大氣紊流的數(shù)學(xué)模型，然后詳細(xì)分析J7-Ⅱ飛機(jī)的PIO問(wèn)題，復(fù)現(xiàn)幾次較為典型的PIO現(xiàn)象，找出PIO 敏感區(qū)及排除PIO 的方法，最后對(duì)理論進(jìn)行模擬實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證理論分析的正確性。1993年6 月，陳廷楠、徐浩軍等人研究了操縱速率對(duì)PIO 的影響，使駕駛員模型更為完善，使人-機(jī)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性更接近實(shí)際情況。

1994年3月，中國(guó)飛行試驗(yàn)研究院的陳揚(yáng)鑒較為完整地介紹了飛機(jī)PIO 的定義、預(yù)測(cè)方法、辨別方法和影響因素，并以殲教七飛機(jī)縱向振蕩的研究結(jié)果加以說(shuō)明。1997年1月，成都飛行設(shè)計(jì)研究院的王永熙從飛行控制系統(tǒng)角度，分析了系統(tǒng)桿力、傳動(dòng)比、間隙、摩擦力以及飛控伺服作動(dòng)器對(duì)PIO的影響。用矢量圖簡(jiǎn)明反映飛機(jī)產(chǎn)生PIO 的可能性和趨勢(shì)，對(duì)飛機(jī)飛控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和對(duì)PIO現(xiàn)象的分析、處理有不錯(cuò)的參考價(jià)值。1998年3 月，陳廷楠、張登成等人通過(guò)對(duì)機(jī)動(dòng)襟翼調(diào)節(jié)規(guī)律的分析，建立包括機(jī)動(dòng)襟翼在內(nèi)的人-機(jī)閉環(huán)系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型，從而計(jì)算分析機(jī)動(dòng)襟翼對(duì)縱向PIO的影響，得出的結(jié)果是：機(jī)動(dòng)襟翼設(shè)計(jì)合理對(duì)PIO 影響不大。

1999 年4 月，研究人員擬定了飛行品質(zhì)的計(jì)算方法，然后針對(duì)兩個(gè)被控對(duì)象模型進(jìn)行了飛行品質(zhì)計(jì)算，分析駕駛員剩余、系統(tǒng)輸入、大氣紊流以及駕駛員模型參數(shù)變化對(duì)駕駛員評(píng)價(jià)品質(zhì)的影響。以后，國(guó)內(nèi)不少專家學(xué)者都做了不同的有關(guān)PIO的實(shí)驗(yàn)和研究，都得到了可喜成果。

總之，PIO作為一個(gè)一直以來(lái)對(duì)飛行安全構(gòu)成威脅的現(xiàn)象，從設(shè)計(jì)階段就有相應(yīng)的準(zhǔn)則對(duì)其進(jìn)行規(guī)范。但由于PIO影響因素的多樣性，仍無(wú)法從設(shè)計(jì)階段解決這一問(wèn)題，但是，目前有一套成體系的試飛方法已經(jīng)研制成功，它為改進(jìn)和提高飛行安全系數(shù)提供了更多借鑒和保證。