持續載荷飛行模擬器過失速機動過載模擬

潘文俊 王立新 譚詳升

(北京航空航天大學 航空科學與工程學院，北京 100191)

持續載荷飛行模擬器過失速機動過載模擬

潘文俊 王立新 譚詳升

(北京航空航天大學 航空科學與工程學院，北京 100191)

對新型的持續載荷飛行模擬器(SGFS，Sustained G-load Flight Simulator)模擬過失速機動過載的方法進行了研究.針對過失速機動中飛機角運動劇烈的特點，推導了考慮飛機轉動帶來的附加過載的飛機飛行員過載計算公式.在SGFS過載模擬數學模型中應用此公式，以典型的過失速機動動作.Herbst機動為例，對機動時的飛行員過載進行了仿真研究.仿真中SGFS能夠較精確地跟蹤輸入的飛行員三軸過載指令，最大誤差小于0.2g.研究結果表明:過失速機動時飛機轉動引起的附加過載不可忽略，同時也表明SGFS可較好地用于對過失速機動飛行員過載的模擬.

離心機;加速度;飛行模擬器;持續載荷飛行模擬器;過失速機動;Herbst機動

過失速機動是新一代戰斗機的典型技術特征之一.過失速機動中飛機速度、迎角、姿態角的變化率和范圍均較大，并可在多個方向上對飛行員造成持續性的過載作用，極大地影響到飛行員的空間感及飛機的飛行安全［1］.在地面飛行模擬器上進行過失速機動飛行的模擬訓練可使飛行員熟練地掌握過失速機動動作，從而在空戰中充分發揮先進戰斗機高機動的優勢.

現有的普通固定基座飛行模擬器不能產生過載，采用Stewart六自由度運動平臺的飛行模擬器［2］只能產生瞬時的小過載，這兩種模擬器都不具有持續過載模擬能力，無法滿足過失速機動飛行訓練的要求.新型的持續載荷飛行模擬器(SGFS，Sustained G-load Flight Simulator)以載人離心機為運動平臺，可對持續性的高過載進行模擬，綜合視景和運動仿真，飛行模擬的逼真度較高.目前，國外已開始采用SGFS進行飛行員的過失速機動飛行訓練［3］，國內尚未研制出實用的SGFS，但對相關的仿真原理開展過一些有價值的研究［4－6］.

本文詳細推導了考慮飛機轉動附加過載的飛機飛行員過載計算公式，并在SGFS過載模擬模型中應用該公式，通過對Herbst機動過載進行仿真，研究了SGFS對過失速機動中飛行員三軸過載的模擬能力.

1 飛機飛行員過載

飛行員過載G定義為作用于飛行員的合加速度ap和重力加速度g之差與重力加速度常數g 之比［7］，表達式為

飛機飛行員過載指實際飛行時飛行員在飛機座艙內感受到的過載，其3個分量記為Gxa(胸-背向過載)，Gya(右-左向過載)，Gza(頭-足向過載).過失速機動過程中飛機角運動劇烈，考慮到飛機座艙與飛機質心并不重合，則飛行員除承受飛機質心過載n(平動過載)外，還承受由飛機角運動引起的附加過載(轉動過載).

設飛機飛行員心臟位置Op在機體坐標系下的坐標為(xp，yp，zp)，如圖 1所示，地面坐標系Ogxgygzg為慣性參考系，機體坐標系Obxbybzb為運動參考系，Op為運動參考系中固定的一點，由理論力學推導可得Op處的慣性加速度［apxapyapz］T為

式中，ax，ay，az為飛機質心加速度，可由飛機質心動力學方程確定.飛行員與飛機的相對位置固定，即xp，yp，zp均為常值，其對時間的一階、二階導數均為0.對于單座飛機，飛行員處于飛機縱向對稱平面內，則yp=0，式(2)可化簡為

圖1 飛機飛行員加速度

重力加速度矢量g在機體坐標系Obxbybzb的投影為

將式(3)、式(4)代入式(1)，并結合飛行員過載方向的定義，整理得到飛機飛行員過載表達式:

由式(5)可見，飛機飛行員過載由飛機質心過載［nxnynz］T和飛機角運動引起的附加過載［ΔGxaΔGyaΔGza］T兩部分組成.式(5)也適用于其他需要精確解算飛機飛行員過載的情況.

2 SGFS過載模擬模型

如圖2所示，SGFS以載人離心機為運動平臺，并在其旋臂末端安裝有可進行滾轉、俯仰偏轉的二自由度飛行仿真吊艙，模擬飛行座椅安裝在俯仰框內.改變旋臂角速度ωc可以改變SGFS過載的大小;改變仿真吊艙滾轉角φc與俯仰角θc可以改變SGFS受訓飛行員相對SGFS過載矢量的體位，進而可以模擬對應于實際飛行的真實過載.

SGFS飛行員過載的3個分量記為Gxc，Gyc，Gzc，利用SGFS進行過載模擬即是通過控制SGFS的運動，在SGFS上復現實際飛行時飛行員所感受的過載環境.對于SGFS難以模擬的小于1g的Gza過載，采用“基礎 G 值”的方法［8］進行近似模擬(Gza在輸入SGFS進行模擬前先轉換為G'za).本文采用文獻［6］建立的SGFS過載模擬模型，在解算飛機飛行員過載時采用了本文推導的更為精確的式(5)，模型框圖如圖3所示.

圖2 SGFS運動平臺示意

圖3 SGFS過載模擬框圖

3 SGFS過失速機動過載模擬仿真

Herbst機動［9］是一種典型的空間過失速機動，一般被認為是檢驗飛機過失速機動能力的標準飛行動作，機動中飛行員受多軸過載作用.本文通過Herbst機動仿真來研究SGFS對過失速機動多軸過載的模擬能力.

給定SGFS旋臂半徑 R=8 m，基礎G值為1.4g.圖4為某次Herbst機動仿真中的飛機飛行員過載，飛機初始飛行高度1 000 m，飛行速度150m/s.機動開始后飛機迅速建立大迎角并伴隨著速度驟減，Gza最大達到了4.9g;機動中由于飛機的偏航角運動，飛機機頭指向快速改變180°，Gya最大達到了0.45g;機動后期飛機重新加油門恢復速度，Gxa最大達到了0.95g.

圖5為機動中飛機角運動引起的附加過載，對比圖4與圖5可發現飛行員所受的右-左向過載Gya主要由飛機角運動引起.

圖6為模擬Herbst機動過載時SGFS控制參數的變化情況.由模擬“基礎G值”的需要，初始時旋臂角速度 ωc為62(°)/s，吊艙滾轉角 φc為45°.ωc隨著所模擬過載的增加而增大，最大達到了140(°)/s;φc在 ωc增加時協同改變(向左滾轉)，主要用于模擬較大的Gza過載，但其中也包含了用于模擬Gya的偏轉量;θc初始為0°，在模擬正的Gxa過載時θc負向增加(向后仰).

圖4 Herbst機動中的飛行員過載

圖5 Herbst機動中飛機角運動引起的附加過載

整個模擬過程中，φc與θc的偏轉范圍分別為23°～79°，－37°～12°，這與Herbst機動中飛機姿態角的變化差別較大.SGFS吊艙的滾轉和俯仰不可直接用來模擬飛機的滾轉和俯仰，僅用來模擬飛行員所受的過載，飛機角運動的模擬則主要靠視景仿真來實現.

圖6 Herbst機動過載模擬中SGFS控制參數變化

圖7為SGFS對Herbst過載模擬的仿真結果.仿真中SGFS能夠較精確地跟蹤輸入的飛機飛行員過載指令 Gxa，Gya，G'za.Gzc相對指令 G'za有一定的滯后，主要是由SGFS旋臂驅動系統的慣性造成的，延遲時間約為150ms，符合運動基座飛行模擬器的時延標準［10］.

仿真開始后G'za迅速加載又很快卸載，由于模擬器驅動系統的功率有限，吊艙滾轉框與俯仰框不能及時偏轉改變飛行員的體位，使得Gxa，Gya的模擬均出現了一定誤差，但最大誤差值不超過0.2g.滿足 SGFS 產生 G'za時允許寄生的 Gxa，Gya過載的要求(0.3g ～0.6g)［4］.

圖7 Herbst機動過載模擬結果

4 結 束 語

本文推導了一種飛機飛行員過載計算公式，并以Herbst機動過載為例對SGFS過載模擬進行了數值仿真，研究結果表明采用離心機為運動平臺的SGFS可較好地對過失速機動中的飛行員多軸過載進行持續模擬，過載模擬的時間延遲及精度均符合相關要求.值得注意的是，SGFS吊艙滾轉和俯仰僅用于模擬過載，不可直接用來模擬飛機的角運動，后者主要由模擬器的視景系統近似模擬.

References)

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(編 輯:李 晶)

Simulation of G-loads in post-stall maneuver on sustained G-load flight simulator

Pan Wenjun Wang Lixin Tan Xiang sheng

(School of Aeronautic Science and Engineering，Beijing University of Aeronautics and Astronautics，Beijing 100191，China)

Methods of simulating G-loads in post-stall maneuvers on a novel sustained G-load flight simulator(SGFS)was studied.Considering features of intense angular motion of the aircraft in post-stall maneuvers，additional G-loads generated by the rotation of the aircraft were also counted in the calculation of G-loads on pilot，which was later employed in the mathematical model for SGFS G-load simulation.G-loads on pilot in a typical post-stall maneuver known as Herbst maneuver were simulated by using the model.SGFS tracked 3-axis G-loads command precisely with the maximal error less than 0.2g during the simulation.The results indicate that additional G-loads on pilot generated by aircraft rotation could not be neglected and show SGFS could meet the requirements of post-stall maneuver G-loads simulation.

centrifuge;acceleration;flight simulator;sustained G-load flight simulator;post-stall maneuver;Herbstmaneuver

V 216.7

A

1001-5965(2011)06-0635-04

2010-03-10

潘文俊(1985 －)，男，陜西榆林人，博士生，power@ase.buaa.edu.cn.