民用飛機控制律設(shè)計與飛行品質(zhì)評估試驗方案研究

吳勝亮

摘 要：針對民用飛機控制律優(yōu)化設(shè)計，提出了一種適用于控制律設(shè)計和飛行員在環(huán)評估飛行品質(zhì)的試驗方案。闡述了評估工具——工程模擬器，詳細介紹了評估方法、評估流程和控制律優(yōu)化流程，并通過評估試驗實例表明該試驗方案的可行性和有效性。該試驗方案為應用工程模擬器開展其他飛行員在環(huán)評估試驗提供了參考，具有一定的工程實踐意義。

關(guān)鍵詞：工程模擬器；控制律設(shè)計；飛行品質(zhì)評估；試驗方案

DOIDOI：10.11907/rjdk.171312

中圖分類號：TP319

文獻標識碼：A 文章編號文章編號：1672-7800（2017）008-0160-04

0 引言

控制律決定了飛行員指令和飛機響應之間的關(guān)系，優(yōu)良的控制律可以有效地控制和增穩(wěn)飛機，使飛機在整個飛行包線范圍內(nèi)具有令人滿意的飛行品質(zhì)，減輕機組工作負擔、提高乘客舒適性，使飛機的俯仰、滾轉(zhuǎn)和偏航運動能夠?qū)崿F(xiàn)要求的控制功能。飛行員在環(huán)評估試驗是飛機控制律設(shè)計過程中重要的設(shè)計與評估環(huán)節(jié)，也是控制律設(shè)計人員與飛行員互動的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，能夠較好地暴露控制律設(shè)計中的不足和缺陷?？刂坡稍O(shè)計人員通過模擬飛行來驗證在各種構(gòu)形和飛行條件下的控制律功能，評估飛機飛行品質(zhì)，并根據(jù)飛行員評估意見優(yōu)化控制律。

工程模擬器是現(xiàn)代先進民用飛機研制必不可少的設(shè)計和驗證試驗設(shè)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[1]。目前，經(jīng)過多年的探索，國內(nèi)逐漸具備了應用工程模擬器開展軍用飛機飛行員在環(huán)評估試驗的能力[2]，而應用民用飛機工程模擬器開展控制律設(shè)計和飛行員在環(huán)評估飛行品質(zhì)的試驗尚無經(jīng)驗可以借鑒，該技術(shù)歷來是發(fā)達國家嚴格限制出口與轉(zhuǎn)讓的關(guān)鍵技術(shù)。為此，本文探討應用民用飛機工程模擬器開展控制律設(shè)計和飛行品質(zhì)評估的思路。

1 工程模擬器簡介

1.1 工程模擬器功能

在飛機研制過程中，發(fā)展和使用相應的工程飛行模擬器的最大優(yōu)點在于利用人在回路中的仿真特點，讓工程設(shè)計人員和機組人員充分利用較為真實的環(huán)境，較早地參與飛機設(shè)計，評價設(shè)計方案，確定設(shè)計參數(shù)，特別是對飛機動力學特性、飛機操縱系統(tǒng)、駕駛艙顯示、導航系統(tǒng)、應急和故障條件下的飛行性能等進行評定，以及對飛行操縱性和穩(wěn)定性、飛行控制系統(tǒng)控制律等方面進行研究，從而及時地改進設(shè)計、完善方案、減少返工、節(jié)約成本。同時，工程模擬器也可以用于型號飛機飛行手冊的編寫，對試飛機組進行飛行培訓，以及對維修人員的培訓等。在試飛過程中，工程模擬器可以用于對試飛過程中發(fā)現(xiàn)的問題實施復現(xiàn)和排故方法的研究[3-5]；在型號飛機適航取證過程中，工程模擬器還可以用于MOC8試驗，驗證相關(guān)設(shè)計對適航要求的符合性[6]。

1.2 工程模擬器組成

某飛機工程模擬器主要由駕駛艙結(jié)構(gòu)與駕駛艙設(shè)備仿真系統(tǒng)、主飛行仿真系統(tǒng)、飛控仿真系統(tǒng)、航電仿真系統(tǒng)、視景系統(tǒng)、六自由度運動系統(tǒng)、聲音仿真系統(tǒng)、綜合控制臺系統(tǒng)、硬件接口系統(tǒng)、計算機實時仿真及網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)和環(huán)境與支持系統(tǒng)等分系統(tǒng)組成，通過建模與仿真技術(shù)，模擬飛機的運動和姿態(tài)以及外界飛行環(huán)境。飛行員通過操縱飛機，觀察飛行儀表，感受窗外視景、過載和音響等來評定飛機的飛行控制律和飛行品質(zhì)。工程模擬器架構(gòu)如圖 1所示。

2 評估試驗方案設(shè)計

2.1 對飛行員的要求

飛行員作為評估試驗回路中的一個重要環(huán)節(jié)，必須具有多種主流型號民用飛機的飛行經(jīng)驗，飛行員在環(huán)評估試驗對飛行員的具體要求如表 1所示。

飛行員或試飛員[]航線飛行員經(jīng)歷的機型有差異；具備B737、B777、A320、A330、A340機型優(yōu)先；同時具備空客、波音機型優(yōu)先；同時具備B777/A320機型優(yōu)先[]來自航空公司的現(xiàn)役航線，具有不低于5 000小時飛機飛行經(jīng)驗，教員優(yōu)先，具有一定的試飛經(jīng)歷[]飛行員年齡分布具有差異，為30～70歲[]能夠獨立和準確地表達駕駛艙操縱設(shè)備的操縱特性和操縱感覺

2.2 評估試驗有效性

在評估試驗前，模擬器技術(shù)人員將與控制律設(shè)計與飛行品質(zhì)評估試驗相關(guān)的氣動力模型、控制律模型、作動器模型、傳感器模型、質(zhì)量模型、發(fā)動機模型等在工程模擬器上進行加載測試，并調(diào)試工程模擬器平臺，出具正式的測試報告，表明工程模擬器功能和性能滿足試驗要求，保證在工程模擬器上進行的試驗相對于真實飛機是真實有效的。

2.3 評估試驗方法

飛行員在環(huán)評估試驗采用庫伯-哈伯準則[7]作為試驗的評估尺度，如圖 2所示。庫伯-哈伯準則是由Cooper G E和Harper R P在1969年創(chuàng)立的，經(jīng)過40多年軍機和民機的實踐檢驗，被公認為飛行員在環(huán)評估采用的一種標準化方法和評判尺度[8-9]。

2.4 評估試驗流程

為了保證試驗的順利進行和試驗結(jié)果的有效性，須制定完善的試驗流程，具體流程如圖 3所示。

2.4.1 評估試驗前準備

在進行試驗前， 需要進行如下準備工作：①根據(jù)試驗需求撰寫試驗任務書， 明確試驗目的、試驗要求、試驗科目、試驗參數(shù)、試驗進度、分工和責任；②根據(jù)試驗任務書撰寫試驗大綱， 給出試驗目的、試驗判據(jù)、試驗參試設(shè)備技術(shù)狀態(tài)、試驗項目名稱、試驗步驟、試驗記錄、試驗異常情況處理程序、試驗任務分工、參與試驗人員資質(zhì)要求、質(zhì)量保證要求；③根據(jù)試驗任務書和試驗大綱，編制每個試驗科目的試驗任務單；④根據(jù)試驗任務書，建立試驗所需的系統(tǒng)仿真模型，并在工程模擬器上加載測試系統(tǒng)仿真模型以及調(diào)試工程模擬器平臺，直到工程模擬器功能和性能滿足試驗要求。

2.4.2 評估試驗實施過程

在評估試驗開始前召開早會，參試技術(shù)人員和參試飛行員一起檢查當天的試驗科目和操作程序，討論試驗科目的目的和動作要領(lǐng)；在評估試驗過程中，飛行員按照試驗科目的動作要求完成試驗動作，參試技術(shù)人員詳細記錄飛行員的操縱感受和打分等級；評估試驗結(jié)束后，參試技術(shù)人員與參試飛行員召開講評會，一起回顧當天的試驗內(nèi)容和試驗細節(jié)，參試技術(shù)人員認真聽取并記錄飛行員的補充講評意見。endprint

2.4.3 評估試驗后的決策

由于飛行員在飛行時間、所飛機型、年齡以及對電傳飛機操縱原理的理解等方面差異，對同一個試驗科目的評估意見可能差異很大，甚至可能是完全相反的。如何在有限的飛行員意見中進行取舍，是一件非常困難的事?？刂坡稍O(shè)計人員通過分析試驗結(jié)果數(shù)據(jù)，結(jié)合飛行員的資質(zhì)以及適航規(guī)章對飛行員評估意見進行篩選并酌情采納。對于會產(chǎn)生重大設(shè)計更改的意見，控制律設(shè)計人員將根據(jù)適航風險、型號研制進度和設(shè)計更改成本等因素對飛行員意見進行深入地權(quán)衡分析，最終形成明確的整改意見。

3 控制律優(yōu)化流程

控制律設(shè)計人員根據(jù)飛行員評估意見和試驗結(jié)果數(shù)據(jù)優(yōu)化控制律，再加載到工程模擬器上，邀請飛行員在環(huán)評估，經(jīng)反復的評估、修改，將飛行員的經(jīng)驗融合到控制律設(shè)計中，從而獲得滿意的飛行品質(zhì)，并最終凍結(jié)到飛機上?？刂坡蓛?yōu)化過程如圖 4所示。

4 評估試驗實例

民用飛機控制律設(shè)計和飛行品質(zhì)評估的試驗項目主要包括：①縱向、橫向和航向配平；②單發(fā)失效時的配平；③縱向和橫航向靜穩(wěn)定性及演示；④動穩(wěn)定性；⑤縱向操縱效能；⑥飛行軌跡穩(wěn)定性；⑦橫航向模態(tài)特性；⑧滾轉(zhuǎn)操作、滾轉(zhuǎn)操縱靈敏度；⑨橫向操縱—全發(fā)工作和偏航操縱等試驗科目[10-12]。

本文以正?？刂坡傻目v向配平試驗科目為例，給出了應用工程模擬器進行控制律設(shè)計和飛行品質(zhì)評估試驗的過程。

4.1 試驗判據(jù)

飛機配平后，松桿飛行10s，飛機姿態(tài)不發(fā)生較大變化，能夠維持配平。

4.2 試驗程序

試驗程序如下：①工程模擬器復位后，正常運行且處于初始狀態(tài)；②設(shè)置工程模擬器為“飛行凍結(jié)”狀態(tài)；③通過綜合控制臺及駕駛艙相關(guān)操縱器件，設(shè)置試驗科目所要求的飛機狀態(tài)；④飛機解凍前在目標空速±30km配平；⑤解凍后僅通過操縱側(cè)桿配平飛機到目標狀態(tài)點；⑥松桿讓飛機繼續(xù)飛行10s，觀察飛機狀態(tài)；⑦記錄相關(guān)試驗數(shù)據(jù)；⑧完成試驗科目后，工程模擬器“飛行凍結(jié)”；⑨工程模擬器復位。

4.3 評估試驗結(jié)果

（1）試驗結(jié)果數(shù)據(jù)。

按照試驗任務書和試驗大綱要求，在工程模擬器后臺記錄需分析處理的變量參數(shù)，包括時間、側(cè)桿位移、平尾偏度、發(fā)動機推力等飛機狀態(tài)參數(shù)以及速度、俯仰角等飛機響應參數(shù)。參數(shù)采樣頻率設(shè)為80Hz，參數(shù)精度取至小數(shù)點后4位。試驗數(shù)據(jù)文件依照試驗項目的編號與日期命名，保存名稱為：試驗項目編號—試驗日期—飛行員姓名—備注，輸出參數(shù)的記錄格式為.DAT。

（2）飛行員評估意見。飛行員評估意見如表 2所示。

4.4 設(shè)計決策

通過分析試驗結(jié)果數(shù)據(jù)并結(jié)合飛行員評估意見可知，飛機縱向配平的響應基本滿足設(shè)計要求。針對評估試驗過程中部分飛行員反映油門臺和側(cè)桿本身的設(shè)計偏差影響評估效果的問題，控制律設(shè)計人員將與相關(guān)專業(yè)一起排查，并進行相應整改.待整改完成后，擇機再次邀請飛行員參與評估。

5 結(jié)語

本文詳細闡述了應用工程模擬器開展控制律設(shè)計和飛行品質(zhì)評估的試驗方案，并通過具體評估試驗實例表明該試驗方案的可行性和有效性。該試驗方案介紹的評估方法和評估流程為應用民機工程模擬器開展其它飛行員評估試驗提供了參考，具有一定的工程實踐意義。

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