飛行訓(xùn)練空域優(yōu)化平臺(tái)的搭建

鄭清偉，林恩民，鐘其賢

(中國民航大學(xué) 天津300300)

0 引 言

隨著中國低空空域政策的放開，低空空域訓(xùn)練的安全性受到更多重視。本文旨在利用低成本、便捷的航模驗(yàn)證方式驗(yàn)證飛行訓(xùn)練科目中空域優(yōu)化的可行性，尋找低空空域優(yōu)化的不足并作出總結(jié)與改進(jìn)。模擬驗(yàn)證由多架固定翼航空模型為主體，以地面教員與觀察者為主要視角，增強(qiáng)飛行員安全空域間隔意識(shí)與空間感、姿態(tài)感，便于飛行員從管制角度考慮飛行間隔，增強(qiáng)飛行員與管制員的思維相似度。操作航模過程中，當(dāng)操作者距離較遠(yuǎn)時(shí)，地面的觀察效果下降導(dǎo)致大機(jī)動(dòng)性動(dòng)作存在操作過量，本次模擬飛行對(duì)保障飛行間隔以及建立飛行員塔臺(tái)視角思維具有一定的指導(dǎo)意義。本項(xiàng)目用固定翼航模進(jìn)行編隊(duì)驗(yàn)證，既降低實(shí)驗(yàn)成本，也提高了安全系數(shù)，開辟了一條低空空域優(yōu)化的新途徑。

1 制作過程

航模的制作過程主要分為機(jī)體結(jié)構(gòu)的組裝、動(dòng)力系統(tǒng)的安裝、電子設(shè)備的安裝和調(diào)試3個(gè)步驟。

1.1 機(jī)體結(jié)構(gòu)的組裝

在制作中使用了進(jìn)口uhu水性膠水和2118塑料快接膠，具有快干定型和超輕特性。全機(jī)主體結(jié)構(gòu)由高端EPO材料制成，具有耐摔易修的特性，有助于降低訓(xùn)練和維護(hù)成本。首先安裝機(jī)體外殼承力隔框和分層隔板。全機(jī)機(jī)身分 3層，隔離了飛控、電池和圖像設(shè)備，減少了電磁干擾，提升了飛機(jī)安全性能。在安裝尾部碳桿時(shí)，選用了 3,k薄壁的碳纖維卷管，高T尾設(shè)計(jì)，規(guī)避了平尾升降舵操縱效率低下的問題。

1.2 電子設(shè)備的安裝

本項(xiàng)目飛機(jī)采用2,820,kV 880的無刷電機(jī)，配合13×6.5的馬刀式螺旋槳，推力達(dá)到2.67,kg。

一般而言，大槳配低 kV值電機(jī)，小槳配高 kV值電機(jī)，電機(jī)與槳不能隨意搭配，否則容易燒電機(jī)，甚至燒電調(diào)。1365槳是經(jīng)過選擇的，相對(duì)續(xù)航較12寸槳有所提高。而飛機(jī)的電調(diào)最重要的參數(shù)是 A數(shù)，即電調(diào)可以承受的最大電流。選用多大的A數(shù)的電調(diào)和電池有密切聯(lián)系。比如配合2,200,MA 20 C的電池，最大負(fù)載電流為 30,A的電機(jī)，最大輸出為45,A的電調(diào)，這是一個(gè)比較合理的配置。本項(xiàng)目使用的是 60,A電調(diào)，持續(xù)工作電流可達(dá) 60,A，允許短時(shí)間 60～70,A的過載運(yùn)行。而航模電池的選擇也有講究：①容量，鋰電池上標(biāo)的電容量是 4.2,V放電至2.75,V所獲得的電量；②電池的放電倍率，即 C數(shù)，是指電池能正常放電的倍數(shù)，在電池容量相同的前提下，C數(shù)高，輸出越強(qiáng)勁；③電池中串聯(lián)電芯的數(shù)量，平時(shí)使用電池，單片電芯電壓最低不得低于 3.7,V，最高不得高于 4.2,V，電池各個(gè)電芯的電壓差越小，電池的質(zhì)量越好。

1.3 電子設(shè)備的安裝和調(diào)試

本項(xiàng)目采用了 px4固件的開源飛控作為機(jī)載飛控，具有可拓展、可編程、二次開發(fā)的特性。搭配了TM832 5.8,GHz模擬圖傳和 Sony高清700,tvl攝像頭，可以達(dá)到零延遲的第一人稱飛行體驗(yàn)，對(duì)飛行員的反應(yīng)和意識(shí)都有較大鍛煉。在調(diào)試過程中需要注意頻點(diǎn)和頻道的選擇，避免對(duì)其他設(shè)備造成干擾。數(shù)傳(天地信號(hào)傳輸)使用了 915,MHz的 100,mW 數(shù)傳。間隔信號(hào)傳輸可以在天空中向飛行器發(fā)布指令，擁有初步的失控返航和航點(diǎn)畫設(shè)能力，可以在飛機(jī)失控時(shí)救機(jī)。

在飛控調(diào)試和調(diào)參過程中遇到了很多問題，如飛控校準(zhǔn)傳感器異常、飛控GPS無法獲取數(shù)據(jù)、攝像頭燒毀等。項(xiàng)目組成員對(duì)這些問題進(jìn)行了一一修復(fù)。通過對(duì)傳感器的重新歸零、更換GPS硬件等，成功進(jìn)行了測試。采取了“飛行中第一視角監(jiān)控+任務(wù)后飛行日志分析”替代了原先方案的地面站實(shí)時(shí)日志分析，提升了平臺(tái)安全性，降低了器材成本。

通過對(duì)日志中不同參數(shù)的查找，可以很方便地讀取GPS坐標(biāo)信息、速度、高度和各舵面響應(yīng)的控制信息，便于任務(wù)后分析飛行員操作情況，提出改正意見。

圖1為真實(shí)場景下，模型飛機(jī)模擬航校飛行訓(xùn)練時(shí)的航跡圖，能夠?qū)崟r(shí)觀測到飛機(jī)的飛行狀態(tài)和飛行數(shù)據(jù)。

圖1 航模模擬飛行航跡Fig.1 Model flight simulation flight path

2 模擬飛行訓(xùn)練數(shù)據(jù)分析

8,600,m以下，每隔 300,m規(guī)定為一個(gè)飛行高度層。在飛行訓(xùn)練中，在氣象條件達(dá)標(biāo)的情況下，實(shí)行目視飛行規(guī)則。一般的，起落航線的飛行高度為300～500,m，飛行訓(xùn)練機(jī)多為A類航空器，在訓(xùn)練空域飛行時(shí)，與前機(jī)的垂直間隔應(yīng)保持在 300,m以上，水平間隔應(yīng)保持在 1.5,km以上，同時(shí)遵守航空器的尾流間隔規(guī)定。飛機(jī)達(dá)到起飛速度后拉桿，在爬升的過程中，保持目視前方及天地線，并保持爬升姿態(tài)，在一、二轉(zhuǎn)彎時(shí)，為防止飛機(jī)低頭可稍微向后帶桿，繼續(xù)飛行至 3,000,ft時(shí)保持巡航高度不變，直到進(jìn)入返場邊。返場進(jìn)近時(shí)，打開襟翼，參考下滑指點(diǎn)信標(biāo)不斷修正飛機(jī)的高度及位置完成降落。在利用航模的模擬驗(yàn)證中，由于經(jīng)費(fèi)不足，不能實(shí)現(xiàn)雙機(jī)聯(lián)飛以更好地判斷飛機(jī)的間隔、評(píng)定飛行質(zhì)量。圖2、3、4分別是航模飛行時(shí)的正常視角、俯視角和側(cè)視角航跡(單位是m的飛機(jī)軌跡圖，定義飛機(jī)起點(diǎn)為原點(diǎn))。固定翼航模進(jìn)行模擬飛行訓(xùn)練時(shí)，與實(shí)際飛行訓(xùn)練中的情況仍具較大差別，固定翼航模飛行速度低、俯仰姿態(tài)較大。進(jìn)行固定翼航模飛行，主要是給操縱者提供一個(gè)類似于塔臺(tái)的視角，飛機(jī)在低空空域進(jìn)行飛行訓(xùn)練時(shí)，為了保障飛機(jī)的安全，會(huì)給飛機(jī)設(shè)定一個(gè)飛行的超障余度，一般在機(jī)場為中心半徑 55,km的范圍內(nèi)。超障余度 MOC為平原地區(qū)不得小于 300,m，丘陵和山區(qū)不得小于 600,m。因此，在實(shí)際飛行訓(xùn)練中，飛行員應(yīng)把握好飛行空域中最高障礙物的高度，保持最低超障余度，以避免在飛行訓(xùn)練中發(fā)生碰撞?，F(xiàn)如今，航空器的事故類型可歸為：空中失控、偏出跑道、跑道外著陸等，將近一半的進(jìn)近著陸事故都屬于可控飛行撞地(CFIT)，而引發(fā)CFIT大多是飛行員缺少垂直方向的意識(shí)。因此，為了保證飛行安全，飛行員對(duì)航路上的障礙物高度一定要把握清楚，飛行過程中時(shí)刻保持安全的超障余度。

圖2 正常視角Fig.2 Normal angle of view

圖3 側(cè)視角Fig.3 Side view

圖4 俯仰視角Fig.4 Pitch angle

3 飛行姿態(tài)的分析

如圖5～7所示，從實(shí)驗(yàn)所得數(shù)據(jù)分析可知，隨著飛機(jī)的爬升迎角增大，飛行性能先增加后減小，增大到一定程度飛行性能開始下降(圖5中標(biāo)紅即性能開始下降點(diǎn))，甚至失速，在實(shí)際飛行訓(xùn)練中應(yīng)盡量避免。

圖5 飛行軌跡側(cè)視圖Fig.5 Flight track side view

圖6 飛行軌跡俯視圖Fig.6 Flight track overview

圖7 飛機(jī)俯沖狀態(tài)截取片段Fig.7 Aircraft dive，intercept footage

4 結(jié) 論

在飛機(jī)組裝完成之后，項(xiàng)目組進(jìn)行了多次手動(dòng)或半自動(dòng)試飛。對(duì)飛機(jī)的環(huán)境適應(yīng)能力、飛控的魯棒性都做了測試，在測試中飛機(jī)工作穩(wěn)定。通過此次飛行空域優(yōu)化的驗(yàn)證，可以有效提高空域的利用率，在有限的空域內(nèi)，盡可能保證安全的情況下，加快飛行訓(xùn)練的進(jìn)程和效率，加快飛行員的培養(yǎng)速度，為我國民航發(fā)展培養(yǎng)出更多的優(yōu)秀飛行員。