淺談空中飛行模擬在電傳民機(jī)研發(fā)中的應(yīng)用

金利云，王 磊

（上海飛機(jī)設(shè)計(jì)研究院，上海201210）

淺談空中飛行模擬在電傳民機(jī)研發(fā)中的應(yīng)用

金利云，王 磊

（上海飛機(jī)設(shè)計(jì)研究院，上海201210）

電傳民機(jī)已經(jīng)普遍采用控制增穩(wěn)和主動(dòng)控制技術(shù)，對(duì)飛行品質(zhì)分析以及控制律設(shè)計(jì)提出了更高的要求。研究空中飛行模擬的發(fā)展歷史和優(yōu)勢(shì)，給出其常見(jiàn)應(yīng)用領(lǐng)域。

變穩(wěn)飛機(jī)；空中飛行模擬；電傳操縱；民機(jī)

空中飛行模擬是電傳民機(jī)飛行品質(zhì)分析和控制律設(shè)計(jì)的一種重要工具。變穩(wěn)飛機(jī)發(fā)展始于上個(gè)世紀(jì)五十年代，最初用于軍用飛機(jī)的橫航向操縱品質(zhì)的檢查[1]。隨著早期變穩(wěn)機(jī)的不斷發(fā)展，空中模擬飛機(jī)逐步成熟。與地面飛行模擬相比，空中飛行模擬給飛行員提供更為真實(shí)的視景和運(yùn)動(dòng)感受，特別是置身于真實(shí)的空中環(huán)境，給飛行員提供更加真實(shí)的心理狀態(tài)[2]，從而獲得更為可靠的飛行員在環(huán)的飛行品質(zhì)分析結(jié)果。

現(xiàn)階段國(guó)內(nèi)民機(jī)的研發(fā)，僅使用地面模擬器來(lái)評(píng)估飛行品質(zhì)和開(kāi)展控制律設(shè)計(jì)，其中包括工程模擬器和鐵鳥(niǎo)等試驗(yàn)平臺(tái)。二十世紀(jì)七十年代，軍機(jī)研發(fā)過(guò)程中發(fā)現(xiàn)只使用地面模擬器有明顯的先天缺陷[1]。由于心理模擬及視景的不完美，飛行員處于低增益狀態(tài)。多種飛機(jī)在設(shè)計(jì)后期，首飛之前都會(huì)進(jìn)行空中飛行模擬[1]，盡早發(fā)現(xiàn)隱藏的操縱品質(zhì)問(wèn)題。未來(lái)，國(guó)內(nèi)電傳民機(jī)的飛行品質(zhì)評(píng)估和控制律研發(fā)，也需要地面和空中模擬相互補(bǔ)充[1]，實(shí)現(xiàn)對(duì)飛機(jī)更為真實(shí)的模擬。

本文研究了空中飛行模擬和地面飛行模擬的區(qū)別，給出空中飛行模擬的常見(jiàn)應(yīng)用領(lǐng)域，并建議了一種用于電傳民機(jī)研制的空中飛行模擬驗(yàn)證過(guò)程，為未來(lái)國(guó)內(nèi)民機(jī)研發(fā)中的空中飛行模擬提供參考。

1 空中飛行模擬與地面飛行模擬區(qū)別

1.1 地面飛行模擬

地面飛行模擬是在地面試驗(yàn)室基于視景系統(tǒng)、運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)、模擬駕駛艙、飛行器及系統(tǒng)的數(shù)字化模型等進(jìn)行的飛行模擬，是航空發(fā)展的重要技術(shù)之一。它具有安全、經(jīng)濟(jì)、可重復(fù)使用、不受氣候和空間影響等特點(diǎn)[3]，既可用于飛機(jī)研發(fā)設(shè)計(jì)過(guò)程，又可用于培訓(xùn)飛行員。但地面飛行模擬有以下先天缺陷：

（1）視景系統(tǒng)與真實(shí)環(huán)境光相比，亮度不足[1]；

（2）由于飛行員預(yù)知地面模擬的安全性，不能真實(shí)模擬實(shí)際飛行中的精神負(fù)擔(dān)和緊張程度，不能有效暴露人機(jī)閉環(huán)飛行品質(zhì)問(wèn)題，比如駕駛員誘發(fā)震蕩（PIO）現(xiàn)象；

（3）飛行員感受的加速度、運(yùn)動(dòng)幅度等動(dòng)態(tài)暗示受限于地面模擬設(shè)備；

（4）視景系統(tǒng)和運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)響應(yīng)與飛行員輸入后的實(shí)際飛機(jī)響應(yīng)有時(shí)間延遲。地面飛行模擬與真實(shí)飛行之間的差距較大。因此，空中飛行模擬應(yīng)運(yùn)而生，人們開(kāi)始大力研究和發(fā)展空中飛行模擬技術(shù)。

1.2 空中飛行模擬

空中飛行模擬是在空中飛行模擬器（又稱空中飛行試驗(yàn)機(jī)或變穩(wěn)飛機(jī)）上，給飛行員提供真實(shí)的視景和飛行運(yùn)動(dòng)加速度感受，復(fù)現(xiàn)被模擬飛機(jī)和系統(tǒng)特性的飛行模擬。空中飛行模擬器一般裝有兩套操作系統(tǒng)，一套是安全飛行員操縱的基本飛機(jī)的系統(tǒng)，另一套是電傳操縱變穩(wěn)系統(tǒng)（含氣動(dòng)變穩(wěn)和可變?nèi)斯じ惺軆商紫到y(tǒng)）。當(dāng)模擬機(jī)出現(xiàn)故障或被模擬飛機(jī)出現(xiàn)不可操縱特性，安全飛行員可斷開(kāi)變穩(wěn)系統(tǒng)，恢復(fù)成常規(guī)操縱飛機(jī)?？罩酗w行模擬器可以進(jìn)行大范圍的參數(shù)調(diào)整，與普通飛機(jī)試飛相比更靈活。

空中飛行模擬將飛行員置于真實(shí)空中環(huán)境，能夠校核地面飛行模擬數(shù)據(jù)，解決地面模擬器無(wú)法解決的問(wèn)題，如PIO現(xiàn)象、故障模態(tài)等[4]?？罩酗w行模擬是地面飛行模擬的重要補(bǔ)充。上個(gè)世紀(jì)五十年代以來(lái)，空中飛行模擬已經(jīng)成為發(fā)達(dá)國(guó)家飛行試驗(yàn)的重要技術(shù)之一，很多新機(jī)的研制都經(jīng)過(guò)空中飛行模擬[4]。最近，飛行模擬的新方向是空-地綜合飛行模擬系統(tǒng)，結(jié)合地面和空中飛行模擬的優(yōu)點(diǎn)，共同完成飛行模擬實(shí)驗(yàn)，將是飛行模擬的更高形式。

2 空中飛行模擬的應(yīng)用

國(guó)外許多采用先進(jìn)電傳控制技術(shù)的民機(jī)，均采用空中飛行模擬開(kāi)展先期驗(yàn)證與飛行模擬驗(yàn)證。波音777在研制過(guò)程中利用波音757空中驗(yàn)證平臺(tái)對(duì)飛行控制系統(tǒng)進(jìn)行了全面的驗(yàn)證。空客A320和A380等機(jī)型也都使用空中飛行模擬技術(shù)驗(yàn)證電傳操縱系統(tǒng)。國(guó)內(nèi)在研電傳民機(jī)具有控制增穩(wěn)和主動(dòng)控制等特征，而針對(duì)民機(jī)驗(yàn)證的空中飛行模擬仍是空白。針對(duì)國(guó)內(nèi)民機(jī)研究現(xiàn)狀，未來(lái)空中飛行模擬作為地面飛行模擬的重要補(bǔ)充，會(huì)貫穿民機(jī)設(shè)計(jì)過(guò)程。空中飛行模擬在電傳民機(jī)研發(fā)中的應(yīng)用領(lǐng)域主要包括：飛行品質(zhì)評(píng)估、氣動(dòng)參數(shù)辨識(shí)以及控制律設(shè)計(jì)和優(yōu)化。

2.1 電傳民機(jī)飛行品質(zhì)研發(fā)早期評(píng)估

先進(jìn)電傳民機(jī)由于電傳操縱系統(tǒng)增益高、階次高、時(shí)間延遲較大和非線性較強(qiáng)等特性，在特定情況下易產(chǎn)生PIO現(xiàn)象，給飛行試飛帶來(lái)危險(xiǎn)和挑戰(zhàn)，甚至導(dǎo)致災(zāi)難級(jí)的事故，因此最好能進(jìn)行大量的空中模擬飛行試驗(yàn)[2]?？罩酗w行模擬提供真實(shí)的大氣環(huán)境，視景以及心理狀態(tài)，用來(lái)研究飛行員在環(huán)飛行品質(zhì)問(wèn)題能得到更佳的結(jié)果，起到校核地面飛行模擬結(jié)果的作用[2]。在電傳民機(jī)的研制早期，空中飛行模擬能夠充分暴露重大飛行品質(zhì)缺陷，及時(shí)改進(jìn)設(shè)計(jì)，加快研發(fā)進(jìn)度。

2.2 電傳民機(jī)氣動(dòng)參數(shù)辨識(shí)研究

氣動(dòng)參數(shù)辨識(shí)是應(yīng)用系統(tǒng)辨識(shí)技術(shù)從飛行試驗(yàn)數(shù)據(jù)求取氣動(dòng)力系數(shù)，從而更新動(dòng)力學(xué)系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，用于驗(yàn)證和校正飛機(jī)大量的風(fēng)洞試驗(yàn)和理論計(jì)算結(jié)果，獲取更為真實(shí)的氣動(dòng)數(shù)據(jù)。先進(jìn)電傳民機(jī)的設(shè)計(jì)特征，增加了試飛難度，也給參數(shù)辨識(shí)工作增加了困難?？罩酗w行模擬由于變穩(wěn)機(jī)具有完備的機(jī)載測(cè)試和地面監(jiān)控設(shè)備，能測(cè)試和記錄飛行員、電傳操縱系統(tǒng)以及飛機(jī)運(yùn)動(dòng)等靜、動(dòng)態(tài)特性，為氣動(dòng)參數(shù)辨識(shí)方法研究提供有利條件，降低了電傳民機(jī)試飛的風(fēng)險(xiǎn)[2]。

2.3 電傳民機(jī)控制律優(yōu)化設(shè)計(jì)

空中飛行模擬利用比地面飛行模擬更真實(shí)的環(huán)境驗(yàn)證飛行控制系統(tǒng)，對(duì)故障模態(tài)、飛控模式切換、不同控制律切換、控制律邏輯等方面進(jìn)行驗(yàn)證。在研發(fā)早期的空中飛行模擬是對(duì)控制律設(shè)計(jì)需求的確認(rèn)，研發(fā)后期的空中飛行模擬是對(duì)控制律設(shè)計(jì)需求的驗(yàn)證?？罩酗w行模擬是電傳民機(jī)控制律設(shè)計(jì)和優(yōu)化的一種新工具。

3 建議的電傳民機(jī)空中飛行模擬驗(yàn)證過(guò)程

空中飛行模擬在電傳民機(jī)研發(fā)中的建議驗(yàn)證過(guò)程[1]如下：

（1）初期空中飛行模擬：在民機(jī)研制早期，作為對(duì)地面飛行模擬的補(bǔ)充，進(jìn)行空中飛行模擬，找出嚴(yán)重操縱品質(zhì)的缺陷，優(yōu)化控制律；

（2）首飛前的空中飛行模擬：對(duì)首飛構(gòu)型的控制律進(jìn)行確認(rèn)和檢查，降低首飛風(fēng)險(xiǎn)；

（3）首飛后的空中飛行模擬：基于參數(shù)辨識(shí)后的新模型以及優(yōu)化后的飛行控制系統(tǒng)，在空中模擬器開(kāi)展飛行驗(yàn)證工作，降低風(fēng)險(xiǎn)，加快研制進(jìn)度。

4 結(jié)束語(yǔ)

空中飛行模擬在研究電傳民機(jī)的飛行品質(zhì)、研發(fā)新的飛行控制系統(tǒng)以及試飛員培訓(xùn)等方面具有非常重要的意義。未來(lái)空中飛行模擬技術(shù)會(huì)與地面飛行模擬有效結(jié)合，貫穿國(guó)內(nèi)電傳民機(jī)的設(shè)計(jì)過(guò)程，加快研制進(jìn)度。

[1]張 勇.模擬器在飛行控制系統(tǒng)開(kāi)發(fā)中的應(yīng)用[J].系統(tǒng)仿真學(xué)報(bào)，2011，23（1）：142-147.

[2]湯 鐘.BW-1變穩(wěn)飛機(jī)應(yīng)用研究及其技術(shù)準(zhǔn)備[J].飛行力學(xué)，1992，10（4）：17-23.

[3]熊端琴，劉寶善，郭 西.現(xiàn)代飛行模擬的進(jìn)展[J].人類(lèi)工效學(xué)，2004，10（3）：69-71.

[4]袁 東，余 靜.俄羅斯的空中飛行模擬試驗(yàn)機(jī)[J].飛行力學(xué)，1993，11（1）：15-20.

A Brief Introduction to In-Flight Simulation used for FBW Civil Airplane Development and Research

JIN Li-yun，WANG Lei
（Shanghai Aircraft Design and Research Institute，Shanghai 201210，China）

Control augmentation system and active control technology are now common used in FBW civil airplane，which raise higher requirements for flying quality analysis and control law design.The history and advantage of In-Flight simulation is researched，and its regular applications are provided.

variable stability aircraft；In-Flight simulation；fly-by-wire；civil airplane

V219

A

1672-545X（2017）08-0133-03

2017-05-11

金利云（1987－），女，江蘇人，碩士，工程師，研究方向：操穩(wěn)分析和控制律設(shè)計(jì)；王 磊（1986－），男，廣東人，博士，工程師，研究方向：操穩(wěn)分析和控制律設(shè)計(jì)。