民用飛機工程模擬器設計與研制的關鍵技術研究

張樂萍 羅世彬 劉勛 王巖樂/ 中南大學航空航天學院 中國民用航空上海航空器適航審定中心

0 引言

飛機的模擬設備在世界航空工業(yè)史中有著里程碑式的意義。20 世紀初，美國和法國率先有了飛機模擬器的雛形[1]；到20 世紀50 年代，真正用于飛機研制的工程模擬器在歐美等發(fā)達國家陸續(xù)出現(xiàn)，此時的模擬器雖然設備簡陋、功能單一，但對推動模擬與仿真技術的進步與發(fā)展至關重要。到20 世紀70 年代，飛機模擬器隨計算機技術的發(fā)展而突飛猛進，此后各式各樣的模擬設備廣泛應用于飛機的科研、設計、制造、運營等領域[2]。

在我國，飛機的工程模擬器首先于20 世紀90 年代在軍用飛機上得到應用。近年來，工程模擬器發(fā)展迅猛，無論是軍機還是民機，飛機總體設計單位還是系統(tǒng)設計單位都在使用、研究工程模擬器。我國的C919 和ARJ21 等大型飛機都廣泛使用工程模擬器對設計進行分析、評估和優(yōu)化。

1 概況

1.1 定義

中國民用航空CCAR-60 部《飛行模擬設備的鑒定和使用規(guī)則》附錄E 中對各類飛行模擬設備進行了簡單定義及分類，但CCAR-60 部并未對工程模擬器進行定義。

飛行模擬機是指用于駕駛員飛行訓練的航空器飛行模擬機。它是按特定機型、型號以及系列的航空器座艙一比一對應復制的，包括表現(xiàn)航空器在地面和空中運行所必需的設備和支持這些設備運行的計算機程序、提供座艙外景象的視景系統(tǒng)以及能夠提供動感的運動系統(tǒng)（提示效果至少等價于三自由度運動系統(tǒng)產生的動感效果），并且最低滿足A級模擬機的鑒定性能標準[3]。

工程模擬器，簡稱工模，是一種供研制設計人員使用的綜合設備，是一種多學科綜合的、人在回路的實時仿真系統(tǒng)[4]。主要提供盡可能逼真的飛行環(huán)境，通過具有豐富飛行經驗的飛行員或工程技術人員操縱模擬器，觀察飛行顯控設備和儀表，感受座艙外視景、音響等，來評定飛行性能和飛行品質，對系統(tǒng)的設計提出修改意見[5]。

1.2 飛行模擬機與工程模擬器的差別

從上述定義中不難看出，飛行模擬機與工程模擬器存在一定差別。

1）功能不同。飛行模擬機主要用于駕駛員的飛行訓練，它的訓練類型和任務要求較為規(guī)范；而工程模擬器主要供設計研制人員進行設計、試驗和驗證，不同型號的工程模擬器的任務區(qū)別較大。

2）構造及要求不同。飛行模擬機是針對某一特定型號飛機而設計制造的，構造明確，駕駛艙布局及儀表與真實飛機有極高的逼真度，很少進行改造或升級；而工程模擬器的構造是根據型號及任務需要的變化而變化的，通用性高、功能強大、適應性廣、易于改型和升級。

3）管理方式不同。飛行模擬機須按照規(guī)章要求向局方申請并通過鑒定，最低應滿足A 級模擬機的性能標準；而工程模擬器的管理更自由、靈活，不需要通過局方的鑒定認可。

1.3 功能及意義

工程模擬器對于民用飛機的意義重大。首先，它環(huán)境可控、易于改型，能人為創(chuàng)造試驗環(huán)境且重復性高，不僅能減少飛機的設計風險，還能提高設計效率。其次，模擬器試驗收效快，能加快試驗進程，有效縮短設計研制周期。最后，模擬器試驗便捷、費用低，可以大幅度節(jié)約設計研制經費。

工程模擬器主要有以下功能：

1）駕駛艙布局及選型的研究與評估；

2）人機工效及優(yōu)化的研究與評估；

3）工程心理及人為因素的研究與評估；

4）飛機氣動布局設計及優(yōu)化的研究與評估；

5）飛機控制律的設計、分析及優(yōu)化的研究與評估；

6）飛機失速特性的研究與評估；

7）飛行品質及人感特性的研究與評估；

8）動力裝置性能的研究與評估；

9）飛行管理系統(tǒng)的研究及評估；

10）系統(tǒng)安全性的研究與評估；

11）多系統(tǒng)交聯(lián)與動態(tài)匹配的研究與評估；

12）支持試飛機組及地面人員的培訓；

13）支持飛機的地面試驗及試飛；

14）地面試驗和試飛的問題復現(xiàn)、故障分析及排故研究；

15）用于MOC8 試驗來表明符合性。

2 組成和構造

根據型號和任務的不同，民用運輸類飛機工程模擬器的組成和構造稍有差異，但至少都包括座艙及飛行儀表、視景系統(tǒng)、運動系統(tǒng)、聲音系統(tǒng)、操縱負荷系統(tǒng)、控制臺以及主計算機系統(tǒng)等幾大模塊。典型工程模擬器的物理結構如圖1 所示。

1）駕駛艙及飛行儀表：是工程模擬器主要的操縱、輸入及仿真效果輸出的硬件設備。駕駛艙為飛行員提供逼真的駕駛環(huán)境，飛行儀表實時指示或顯示各種飛行參數(shù)和系統(tǒng)參數(shù)。

2）視景系統(tǒng)：是工程模擬器最主要的視覺仿真設備，用于向飛行員實時展示地面或空中的場景變化。視景系統(tǒng)能夠仿真座艙外的景象，包括機場、跑道、燈光、建筑物、田野、河流、道路、地形地貌、活動目標等，同時可模擬能見度、霧、雨、雪、閃電等氣象條件，還能模擬白天、黃昏、夜間等 景象。

3）運動系統(tǒng)：是工程模擬器上模擬飛機運動的設備，用于驅動整個模擬座艙，模擬飛機在空中或地面的運動，為飛行員提供過載和姿態(tài)變化的感覺。目前，最常采用的平臺式運動系統(tǒng)是六自由度運動系統(tǒng)，能模擬飛機的橫向、縱向、升降、俯仰、偏航、橫滾六種運動，以及飛機的起飛、著陸、顛簸、失速、抖振等狀態(tài)。

4）聲音系統(tǒng)：是工程模擬器最主要的聽覺仿真效果設備，用于向飛行員提供各種外界聲音效果，如發(fā)動機噪聲、氣流噪聲、起落架收放音以及襟縫翼收放音等。特別要說明的是，飛機機載設備的通信、告警聲音雖然也是工程模擬器聲音仿真環(huán)境的一部分，但不屬于聲音系統(tǒng)而屬于告警系統(tǒng)。

5）操縱負荷系統(tǒng)：是工程模擬器上模擬飛機操縱系統(tǒng)靜態(tài)和動態(tài)力感應特性的設備，用于向飛行員實時提供飛機在不同飛行狀態(tài)和不同操縱模式下的操縱載荷力感覺和配平感覺。

6）教員臺：是教員/試飛工程師進行設置、實現(xiàn)各類功能控制并進行綜合管理的設備。應具備一個友好的人機界面，用于設置試驗科目、初始條件、飛行參數(shù)、機場條件、故障模式及特情等[7]。模擬控制臺不僅可以對試驗進行實時監(jiān)控、狀態(tài)顯示、數(shù)據記錄、試驗回放、數(shù)據分析等，還能進行系統(tǒng)模型和數(shù)據的建立、優(yōu)化和驗 證[9]。

7）主計算機系統(tǒng)：是工程模擬器的核心，用于實時解算飛機各個仿真模型并管理工程模擬器的運行過程。主計算機系統(tǒng)解算的仿真模型大致包括質量模型、動力學模型、氣動模型、飛控模型、環(huán)境模型、大氣模型、外干擾模型、發(fā)動機模型、起落架模型、機載系統(tǒng)模型、航電仿真模型等。

除以上幾大模塊外，工程模擬器一般還應具備航電系統(tǒng)、電源系統(tǒng)、接口及網絡系統(tǒng)、接口監(jiān)測和軟件調試系統(tǒng)、空調與通風系統(tǒng)、環(huán)境控制系統(tǒng)、機外通信系統(tǒng)等。

圖1 典型工程模擬器的物理結構圖

3 工程模擬器的關鍵技術分析

3.1 工程模擬器的總體設計

工程模擬器是一種定制化產品，完成需求分析和任務規(guī)劃是工程模擬器總體設計的基礎。

工程模擬器在總體設計時，首先，應確定其軟硬件的頂層結構，現(xiàn)代工程模擬器普遍采用了模塊化設計理念。其次，工程模擬器涵蓋了飛機的各系統(tǒng)及應用軟件，總體設計時還應考慮各模塊之間的內部通信與信號傳輸邏輯，協(xié)調各模塊的工作頻率和時序[5]。此外，總體設計時應規(guī)劃計算機實時解算數(shù)學模型后如何與各模塊連接、如何實現(xiàn)實時的運行控制和數(shù)據交互，即進行網絡構架設計。最后，總體設計還應充分考慮工程模擬器在不同設計階段的任務需求和資源，考慮數(shù)據、模型和組件的擴展性和兼容性。

工程模擬器是一個復雜的系統(tǒng)工程，其工程仿真與試驗涉及多個專業(yè)與學科，工程模擬器各系統(tǒng)和模塊有著明確的分工和任務，但又相互關聯(lián)、相互影響，因此，工程模擬器在總體設計時要統(tǒng)籌設計、兼顧管理。

3.2 工程模擬器的仿真模型庫

工程模擬器各系統(tǒng)仿真模型的準確度將直接影響工程模擬器的總體性能和品質[5]，因此，準確建立各系統(tǒng)的數(shù)學模型和數(shù)據庫也是工程模擬器設計研制工作的重點及難點之一。

工程模擬器各系統(tǒng)在建立數(shù)學模型時，應充分研究原系統(tǒng)的物理特性，以保證數(shù)學模型的合理性和準確性，建模時要充分考慮飛機的故障條件、故障模式等。目前，我國在系統(tǒng)建模方面已積累了一定經驗和成果，并在工程模擬器上得到了應用，但早期的設計人員沒有意識到建立仿真模型庫和方法庫的重要性，導致好的經驗、方法和模型沒有得到有效的傳承，以至于我國工程模擬器建模水平難有進一步提升和發(fā)展，國產仿真模型也一直存在使用困難、兼容性低等問題。

3.3 仿真模型建立及數(shù)據包開發(fā)

工程模擬器仿真模型及數(shù)據包的完整性、準確性直接影響著工模的性能和逼真度[5]。不同系統(tǒng)的仿真模型及數(shù)據包在工模各研制階段的要求各不同，建模及開發(fā)數(shù)據包的方式也不相同。

在工模研制初期，氣動模型是根據計算數(shù)據、風洞數(shù)據等來建模和提取數(shù)據包的，起落架、發(fā)動機、飛控等模型一般先由供應商提供基礎模型和數(shù)據包，液壓、燃油、電源、環(huán)控及其他機載系統(tǒng)通常先選用成熟通用模型及數(shù)據包。進入試飛階段后，飛機設計研制單位先采集大量真實試飛數(shù)據，再結合其他工程數(shù)據組成一套完善的飛機數(shù)據體系，然后根據飛機性能和設計特征對數(shù)據進行分類、校正、參數(shù)辨識，最后修正各系統(tǒng)模型并提取數(shù) 據包。

HB7504.6-1997《飛行模擬機設計與性能和數(shù)據要求》中對飛行模擬機仿真建模的數(shù)據做了一定要求，工程模擬器設計時可做一定參考。

在我國，仿真和試飛數(shù)據十分稀缺，無論是主機廠還是各系統(tǒng)研制單位，對數(shù)據進行收集、整理和分析的能力都比較薄弱。由于知識產權等原因，難以實現(xiàn)數(shù)據共享和數(shù)據的二次開發(fā)，甚至即使得到了國外成熟機型可借鑒的數(shù)據包也難以進行擴展和分析。因此，數(shù)據包的獲取和分析，是工程模擬器研制過程中的難點及重點。

3.4 工程模擬器的綜合集成技術

工程模擬器高度集成了飛機的各系統(tǒng)，涉及多個專業(yè)與學科，應能給飛行員和工程師以真實的操縱感受和結果。工程模擬器的功能強大、任務繁雜、數(shù)據量龐大，且計算量巨大、計算精度高、接口復雜，不僅要求各系統(tǒng)仿真的逼真度高，更要求各系統(tǒng)交聯(lián)協(xié)調工作的逼真度高。因此，工程模擬器的集成技術要求非常高，集成和調試的難度也非常大。

3.5 工程模擬器的逼真度評定

隨著現(xiàn)代民用飛機各系統(tǒng)的復雜性不斷增加，當面對飛機試飛風險過大、飛機或外部環(huán)境狀態(tài)無法到達、對飛行試驗進行合理增補以及特定場景下不同飛行員的重復性試驗等情況時，可以考慮使用模擬器試驗（MOC8 試驗）來表明符合性，但前提是模擬器經評定確認具備相應仿真能力。因此，在工程模擬器上開展型號飛機的各類研究及評估，尤其是進行MOC8 試驗來表明符合性時，必須先評定工程模擬器相對真實飛機的逼真度和可信度，以確保工程模擬器具備完成相應試驗的功能和達到與真實飛機一致的特定逼真度[6]。

在工程研究過程中，可以從模擬硬件的逼真度、模擬軟件（包括仿真模型和數(shù)據）的逼真度、開環(huán)模擬系統(tǒng)的逼真度、閉環(huán)模擬系統(tǒng)的逼真度、飛行員主觀評價逼真度、模擬任務的逼真度和模擬經驗的逼真度等方面進行衡量。對飛行模擬器逼真度的評價包括定性的功能試驗和定量的性能試驗。

對于工程模擬器的逼真度評定，目前國內外都還沒有完善的、系統(tǒng)的要求和方法，但在具體定量測試項目的選擇和容差標準等的確定上，可以參考FAR-60 部、ICAO-9625、CCAR-60 部等飛行訓練模擬機的鑒定標準。

4 結束語

工程模擬器作為現(xiàn)代民用飛機設計研制過程中不可或缺的綜合性驗證設 備[8]，幾乎貫穿飛機設計研制的全生命周期，意義重大、作用突出。本文介紹了大型運輸類民用飛機工程模擬器的組成與構造、意義和功能，并對工程模擬器研制過程中的總體設計、模型庫建立、數(shù)據包開發(fā)、綜合集成、逼真度評定等關鍵技術進行了分析，對工程實踐有一定借鑒意義。