淺述用于飛行品質(zhì)培訓(xùn)的飛行模擬器構(gòu)建

摘 要 針對(duì)試飛員飛行品質(zhì)評(píng)價(jià)訓(xùn)練的需求，以飛機(jī)動(dòng)力學(xué)原理為基礎(chǔ)，在根據(jù)飛行品質(zhì)特性反推氣動(dòng)導(dǎo)數(shù)進(jìn)行動(dòng)力學(xué)建模的基礎(chǔ)上，利用六自由度運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)及可變?nèi)烁刑匦缘牟倏v加載系統(tǒng)，建立了一套專門(mén)用于試飛員飛行品質(zhì)評(píng)價(jià)訓(xùn)練的地面飛行模擬系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了不同飛行品質(zhì)特性的全量飛行模擬，提高了試飛員飛行品質(zhì)評(píng)價(jià)訓(xùn)練的效率和安全性，降低了培訓(xùn)成本。

關(guān)鍵詞 飛行品質(zhì);動(dòng)力學(xué)建模;飛行模擬器;試飛員培訓(xùn)

引言

試飛員飛行品質(zhì)評(píng)價(jià)訓(xùn)練是試飛員培訓(xùn)的一項(xiàng)關(guān)鍵內(nèi)容，變穩(wěn)飛機(jī)在試飛員飛行品質(zhì)培訓(xùn)方面有非常重要的作用[1]，它通過(guò)控制律調(diào)參來(lái)改變飛機(jī)的飛行品質(zhì)，可以讓試飛員在同一飛行條件下感受不同的飛行品質(zhì)特性，但受平臺(tái)飛機(jī)能力的限制，變穩(wěn)飛機(jī)能夠模擬的飛行品質(zhì)特性的范圍和種類有限，而飛行模擬器在這方面沒(méi)有限制，而且具有培訓(xùn)成本低、效率高的優(yōu)勢(shì)[2]。本文針對(duì)試飛員飛行品質(zhì)評(píng)價(jià)訓(xùn)練的需求，在根據(jù)飛行品質(zhì)特性反推氣動(dòng)導(dǎo)數(shù)進(jìn)行動(dòng)力學(xué)建模的基礎(chǔ)上，利用六自由度運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)以及可變?nèi)烁刑匦缘牟倏v加載系統(tǒng)，建立了一套專門(mén)用于試飛員和試飛工程師飛行品質(zhì)體驗(yàn)及評(píng)價(jià)訓(xùn)練的地面飛行模擬系統(tǒng)。通過(guò)該系統(tǒng)，學(xué)員可以體驗(yàn)不同的飛行品質(zhì)特性以及操縱系統(tǒng)特性，實(shí)現(xiàn)了不同飛行品質(zhì)特性的全量飛行模擬。

1飛行動(dòng)力學(xué)建模

有人駕駛飛機(jī)（固定翼）飛行品質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)[2]對(duì)于不同類型、不同等級(jí)的飛行品質(zhì)特性有不同的要求，針對(duì)試飛員飛行品質(zhì)評(píng)價(jià)訓(xùn)練的需求，按照需要模擬的飛行品質(zhì)特性，以某飛機(jī)的氣動(dòng)參數(shù)為基礎(chǔ)，根據(jù)這些飛行品質(zhì)特性要求去反推所需的氣動(dòng)參數(shù)，經(jīng)過(guò)適當(dāng)?shù)暮?jiǎn)化后，通過(guò)常規(guī)的飛機(jī)動(dòng)力學(xué)建模和仿真方法，來(lái)實(shí)現(xiàn)不同飛行品質(zhì)特性的全量飛行模擬，以滿足試飛員和試飛工程師飛行品質(zhì)體驗(yàn)和評(píng)價(jià)訓(xùn)練的需求[3]。

1.1 縱向動(dòng)力學(xué)建模

縱向需要模擬的飛行品質(zhì)特性主要包括縱向靜穩(wěn)定性、機(jī)動(dòng)穩(wěn)定性和短周期模態(tài)，要模擬不同的縱向飛行品質(zhì)特性，需要反推的氣動(dòng)導(dǎo)數(shù)有、和，得到這些氣動(dòng)導(dǎo)數(shù)后，就可以實(shí)時(shí)解算飛機(jī)的縱向操縱響應(yīng)。

縱向靜穩(wěn)定性主要由決定，縱向機(jī)動(dòng)穩(wěn)定性主要由和決定，表達(dá)式見(jiàn)公式（1）和公式（2），式中和別為機(jī)翼和平尾產(chǎn)生的附加升力，和分別為機(jī)翼和平尾的氣動(dòng)力力臂。移動(dòng)重心將直接改變機(jī)翼氣動(dòng)力力臂和平尾氣動(dòng)力力臂，其實(shí)質(zhì)是改變了和，但力臂通常要比大得多，而重心移動(dòng)的范圍又非常小，所以近似地認(rèn)為是不變的。建模時(shí)可通過(guò)僅改變來(lái)模擬重心位置的移動(dòng)對(duì)飛機(jī)靜穩(wěn)定性和機(jī)動(dòng)穩(wěn)定性的影響。

由于、相對(duì)較小，影響飛機(jī)短周期頻率的主要參數(shù)為，影響短周期阻尼比的主要參數(shù)為，因此在給定短周期頻率與阻尼比的情況下，通過(guò)調(diào)整飛機(jī)氣動(dòng)參數(shù)、和，就可以使模型能夠呈現(xiàn)期望的頻率和阻尼比。

1.2 ?橫航向動(dòng)力學(xué)建模

橫航向需要模擬的飛行品質(zhì)主要包括航向靜穩(wěn)定性、橫向靜穩(wěn)定性、有利/不利偏航、荷蘭滾模態(tài)、滾轉(zhuǎn)模態(tài)和螺旋模態(tài)，需要反推的氣動(dòng)導(dǎo)數(shù)有、和等，得到這些氣動(dòng)導(dǎo)數(shù)后，就可以實(shí)時(shí)解算飛機(jī)的橫航向操縱響應(yīng)。

航向靜穩(wěn)定性主要由決定，其表達(dá)式為公式（4）。建模時(shí)固定橫航向其他氣動(dòng)參數(shù)，僅通過(guò)改變即可模擬不同的航向穩(wěn)定性。

螺旋模態(tài)的穩(wěn)定條件由“”的值決定，大于零時(shí)，螺旋模態(tài)收斂;小于零時(shí)，螺旋模態(tài)發(fā)散;等于零時(shí)，螺旋模態(tài)為中性。因此，建模時(shí)利用荷蘭滾模態(tài)確定氣動(dòng)導(dǎo)數(shù)、和的基礎(chǔ)上，通過(guò)調(diào)整，即可模擬不同性質(zhì)、不同品質(zhì)等級(jí)的螺旋模態(tài)。

2人感系統(tǒng)

為了使試飛員能夠體驗(yàn)不同的操縱系統(tǒng)特性，采用了可變?nèi)烁刑匦缘碾妱?dòng)操縱加載系統(tǒng)[5]。電動(dòng)操縱加載系統(tǒng)能夠提供光滑、平穩(wěn)的力感覺(jué)，可對(duì)操縱系統(tǒng)的啟動(dòng)力、死區(qū)、阻尼比、摩擦力、最大操縱力、最大操縱速度、最大操縱位移等特性進(jìn)行設(shè)置。操縱加載系統(tǒng)能夠在不同的模式下工作，包括正常飛行（力回路）、凍結(jié)、配平、零力、彈簧等。

針對(duì)試飛員培訓(xùn)的需求，羅列了俯仰通道和滾轉(zhuǎn)通道需要模擬的操縱特性，內(nèi)容如表1所示。在培訓(xùn)過(guò)程中，可通過(guò)控制臺(tái)軟件，實(shí)時(shí)對(duì)操縱系統(tǒng)特性進(jìn)行更改，提高培訓(xùn)的效率。

3運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)

運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)可模擬飛機(jī)縱向、升降、橫向、俯仰、橫滾和航向六自由度運(yùn)動(dòng)，能夠?yàn)轳{駛員提供瞬時(shí)過(guò)載感覺(jué)，并可對(duì)飛機(jī)起飛、著陸觸地和失速抖振等特殊效果進(jìn)行模擬。運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)對(duì)于飛行品質(zhì)體驗(yàn)和評(píng)價(jià)訓(xùn)練非常重要，能夠給訓(xùn)練人員提供接近真實(shí)飛機(jī)駕駛艙內(nèi)的運(yùn)動(dòng)感覺(jué)，提高訓(xùn)練的逼真度。運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)采用六自由度電動(dòng)運(yùn)動(dòng)平臺(tái)，具有響應(yīng)速度快、可靠性高、使用維護(hù)方便、噪聲小等優(yōu)點(diǎn)。該系統(tǒng)由運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)機(jī)械結(jié)構(gòu)、電氣控制柜、氣動(dòng)支撐系統(tǒng)和運(yùn)動(dòng)控制計(jì)算機(jī)及其軟件組成，其主要技術(shù)指標(biāo)見(jiàn)表2。

4控制臺(tái)軟件

控制臺(tái)軟件主要負(fù)責(zé)飛行品質(zhì)評(píng)價(jià)訓(xùn)練內(nèi)容的設(shè)置、運(yùn)動(dòng)平臺(tái)狀態(tài)的監(jiān)控以及整個(gè)模擬流程的控制（包括停止、復(fù)位、運(yùn)行、暫停等功能）。

5任務(wù)考核

學(xué)員在建立的飛行品質(zhì)評(píng)價(jià)訓(xùn)練模擬器上完成相應(yīng)的培訓(xùn)后，教員可以通過(guò)控制臺(tái)設(shè)置不同的飛行品質(zhì)特性和操縱系統(tǒng)特性，讓學(xué)員在模擬器上進(jìn)行模擬飛行任務(wù)考核，學(xué)員通過(guò)自己設(shè)計(jì)試飛方法，去判斷飛機(jī)縱向和橫航向的品質(zhì)特性以及操縱系統(tǒng)特性，最后將評(píng)價(jià)結(jié)果和控制臺(tái)設(shè)置的內(nèi)容進(jìn)行對(duì)比，判斷評(píng)價(jià)的準(zhǔn)確性。

6結(jié)束語(yǔ)

本文在根據(jù)飛行品質(zhì)評(píng)價(jià)訓(xùn)練需求反推氣動(dòng)導(dǎo)數(shù)進(jìn)行動(dòng)力學(xué)建模的基礎(chǔ)上，利用六自由度運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)以及可變?nèi)烁刑匦缘牟倏v加載系統(tǒng)，建立了一套專門(mén)用于試飛員飛行品質(zhì)評(píng)價(jià)訓(xùn)練的地面飛行模擬系統(tǒng)。通過(guò)該系統(tǒng)，學(xué)員可以體驗(yàn)不同的飛行品質(zhì)特性以及操縱系統(tǒng)特性，進(jìn)行不同飛行品質(zhì)特性的全量飛行模擬，相比變穩(wěn)飛機(jī)的飛行培訓(xùn)，提高了試飛員飛行品質(zhì)評(píng)價(jià)訓(xùn)練的效率和安全性，降低了培訓(xùn)成本，對(duì)試飛員培訓(xùn)工作的開(kāi)展具有重要作用。

參考文獻(xiàn)

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作者簡(jiǎn)介

劉智漢（1983-），男;學(xué)歷：碩士，工程師，現(xiàn)就職單位：中國(guó)飛行試驗(yàn)研究院，研究方向：飛行仿真。