民用飛機(jī)工程模擬器設(shè)計研究①

徐奎

了一般民用飛機(jī)工程模擬器的頂層結(jié)構(gòu)、網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)及軟件頂層設(shè)計方法，總結(jié)了一般民用飛機(jī)工程模擬器研制過程中所涉及的關(guān)鍵技術(shù)，最后對民用飛機(jī)工程模擬器在型號研制中的工程應(yīng)用進(jìn)行了闡述，對于民用飛機(jī)工程模擬器的研制和在飛機(jī)型號研制中的應(yīng)用具有一定的工程借鑒意義。

關(guān)鍵詞：工程模擬器 飛行仿真 控制律 飛行品質(zhì)

中圖分類號：V249.4 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1672-3791（2013）03（b）-0007-02

工程模擬器是現(xiàn)代先進(jìn)民用飛機(jī)研制必不可少的設(shè)計和驗(yàn)證試驗(yàn)設(shè)備。波音、空客等著名飛機(jī)制造商在其飛機(jī)研制中都使用了工程模擬器。二戰(zhàn)期間，德國人率先用電器機(jī)械部件研制了世界上第一臺工程模擬器進(jìn)行導(dǎo)彈飛行控制系統(tǒng)的研究[1]。空客A320飛機(jī)在研制過程中使用了三種構(gòu)型的工程模擬器，分別用于飛行控制與自動飛行控制系統(tǒng)設(shè)計評估、操縱特性與人機(jī)接口的研究、PFD試驗(yàn)、飛行管理系統(tǒng)試驗(yàn)等任務(wù)。通過飛行員在模擬器上參與評估，對飛行控制律的設(shè)計與優(yōu)化，飛行品質(zhì)的改進(jìn)，相關(guān)系統(tǒng)操縱部件特性的改善，大大縮短了飛機(jī)相關(guān)任務(wù)的研制周期，降低了試飛風(fēng)險。

1 工程模擬器功能

根據(jù)對工程模擬器設(shè)計需求及要求承擔(dān)任務(wù)的不同，工程模擬器可具備相應(yīng)的功能。一般來說，民用飛機(jī)工程模擬器可承擔(dān)以下飛機(jī)研制任務(wù)。

（1）飛行控制律設(shè)計、驗(yàn)證與優(yōu)化。

（2）飛機(jī)操縱性、穩(wěn)定性和飛行品質(zhì)的分析與評估。

（3）飛行控制系統(tǒng)風(fēng)險科目驗(yàn)證試驗(yàn)。

（4）飛機(jī)相關(guān)系統(tǒng)操縱部件特性評估。

（5）飛機(jī)各相關(guān)系統(tǒng)性能匹配性研究和評估。

（6）首飛試飛機(jī)組初步培訓(xùn)。

（7）支持飛機(jī)改型設(shè)計等。

2 工程模擬器組成

一般來說，對于固定基座的民用飛機(jī)工程模擬器主要由以下分析系統(tǒng)組成。

（1）主飛行仿真系統(tǒng)：主要包括飛機(jī)的飛行動力學(xué)仿真和運(yùn)動學(xué)仿真，風(fēng)模擬仿真，發(fā)動機(jī)系統(tǒng)仿真，液壓系統(tǒng)仿真，起落架和剎車系統(tǒng)仿真，APU系統(tǒng)仿真，電源和燃油系統(tǒng)仿真等功能。

（2）飛行控制仿真系統(tǒng)：主要模擬主飛行控制系統(tǒng)，高升力系統(tǒng)和自動飛行系統(tǒng)功能。

（3）操縱負(fù)荷系統(tǒng)：操縱負(fù)荷系統(tǒng)主要為飛行員提供逼真的座艙操縱感覺，在飛行、地面滑行過程中，以及故障狀態(tài)下的操縱特性模型。

（4）座艙結(jié)構(gòu)：主要模擬真實(shí)的飛機(jī)駕駛艙結(jié)構(gòu)布局以及模擬器試驗(yàn)所需的平臺。

（5）駕駛艙設(shè)備仿真：主要模擬飛機(jī)相關(guān)系統(tǒng)的操縱部件、各類控制開關(guān)和控制板等。

（6）航電仿真系統(tǒng)：主要模擬通信系統(tǒng)、指示和記錄系統(tǒng)、導(dǎo)航/監(jiān)視系統(tǒng)等功能。

（7）視景和音響系統(tǒng)：主要模擬飛機(jī)運(yùn)行的環(huán)境和音響效果。

（8）接口及網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)：主要實(shí)現(xiàn)駕駛艙操縱部件與主飛行仿真計算機(jī)以及其它各模擬系統(tǒng)之間通訊和數(shù)據(jù)傳輸功能。

（9）仿真控制臺：對整個模擬器系統(tǒng)進(jìn)行有效的監(jiān)視和控制，可實(shí)現(xiàn)模擬器試驗(yàn)所需的參數(shù)設(shè)置及數(shù)據(jù)記錄等功能。

如需要模擬比較真實(shí)的過載，還可以增加六自由度運(yùn)動系統(tǒng)，來模擬飛機(jī)的瞬時過載動感、一定范圍內(nèi)的姿態(tài)角變化動感和部分抖動沖擊信號等引起的飛機(jī)響應(yīng)。

3 工程模擬器總體設(shè)計

3.1 工程模擬器頂層結(jié)構(gòu)設(shè)計

工程模擬器駕駛艙操縱器件、各類開關(guān)手柄信號通過接口系統(tǒng)采集到后，經(jīng)計算處理后再通過千兆以太網(wǎng)或反射內(nèi)存網(wǎng)建立內(nèi)部通訊，實(shí)現(xiàn)主飛行仿真系統(tǒng)、飛行控制仿真系統(tǒng)、航電仿真系統(tǒng)、視景仿真系統(tǒng)、仿真控制臺等相關(guān)信號相互之間的傳輸，一般民用飛機(jī)工程模擬器的頂層結(jié)構(gòu)圖見圖1。

3.2 工程模擬器網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)總體設(shè)計

民用飛機(jī)工程模擬器的網(wǎng)絡(luò)構(gòu)架主要包括實(shí)時計算機(jī)、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備和計算機(jī)軟件。實(shí)時計算機(jī)是整個工程模擬器的主控計算機(jī)，實(shí)現(xiàn)主要系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型的實(shí)時解算，通過建立分布式實(shí)時計算網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，將主飛行仿真系統(tǒng)、飛行控制仿真系統(tǒng)、接口系統(tǒng)、視景系統(tǒng)、聲音仿真系統(tǒng)、操縱負(fù)荷系統(tǒng)、航電仿真系統(tǒng)、仿真控制臺等連接起來，實(shí)現(xiàn)運(yùn)行同步控制和數(shù)據(jù)交互。一般民用飛機(jī)工程模擬器的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)見圖2。

3.3 工程模擬器軟件設(shè)計

民用飛機(jī)工程模擬器軟件設(shè)計可采用模塊化的設(shè)計思想，各仿真系統(tǒng)的模型都作為獨(dú)立的運(yùn)算模塊，各模塊之間的信號傳輸類型盡量同飛機(jī)類似。

工程模擬器軟件涵蓋飛機(jī)各系統(tǒng)及應(yīng)用控制軟件模塊，模塊數(shù)量很多，需頂層協(xié)調(diào)好各軟件模塊的計算頻率和時序控制，正確實(shí)現(xiàn)各軟件模塊之間的數(shù)據(jù)傳輸。各系統(tǒng)可由初始化軟件模塊和主程序模塊組成，各系統(tǒng)外部接口與其它系統(tǒng)軟件的數(shù)據(jù)交換通過數(shù)據(jù)共享區(qū)實(shí)現(xiàn)。各系統(tǒng)內(nèi)部接口功能模塊之間的數(shù)據(jù)交換通過交聯(lián)變量實(shí)現(xiàn)。圖3是以飛行控制仿真系統(tǒng)為例進(jìn)行的軟件架構(gòu)及各功能模塊的調(diào)用關(guān)系。

4 工程模擬器研制所涉及的關(guān)鍵技術(shù)

4.1 仿真模型及數(shù)據(jù)包開發(fā)

各系統(tǒng)仿真模型的準(zhǔn)確度是反映飛機(jī)總體性能、飛行品質(zhì)的關(guān)鍵，準(zhǔn)確地建立各系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型及各種飛行數(shù)據(jù)庫對工程模擬器成功研制至關(guān)重要。各仿真系統(tǒng)采用數(shù)學(xué)模型進(jìn)行描述，要盡可能準(zhǔn)確地模擬，就需要能反映各系統(tǒng)真實(shí)特性的大量數(shù)據(jù)，特別是后期的試飛數(shù)據(jù)。國外在各種型號飛機(jī)飛行仿真、模擬器研制過程中建立了大量的飛行數(shù)據(jù)庫，同時也積累了豐富的經(jīng)驗(yàn)，擁有成熟技術(shù)。目前，盡管國內(nèi)在系統(tǒng)建模上取得了一些成果，在工程模擬器上得到了應(yīng)用，但系統(tǒng)仿真模型及數(shù)據(jù)包的開發(fā)，仍是工程模擬器成功研制中的關(guān)鍵技術(shù)。

4.2 實(shí)時仿真技術(shù)

實(shí)時操作系統(tǒng)能夠在確定的時間內(nèi)執(zhí)行計算或處理功能，并對外部的異步事件做出響應(yīng)[2]。在系統(tǒng)的硬件已經(jīng)確定的條件下，實(shí)時系統(tǒng)的性能很大程度上取決于所采用的實(shí)時操作系統(tǒng)，因此，對于實(shí)時操作系統(tǒng)的選擇對工程模擬器的研制非常重要。在實(shí)時仿真、半實(shí)物仿真中，QNX、VxWorks、RTX這3種操作系統(tǒng)應(yīng)用較為廣泛；在嵌入式應(yīng)用方面，QNX、VxWorks的可靠性很高，而很少采用RTX。在工程模擬器研制方面，這3種操作系統(tǒng)在實(shí)時性方面均能滿足模擬器要求。在國內(nèi)各模擬器應(yīng)用單位中，都根據(jù)各自已有的資源以及工程師對相關(guān)實(shí)時操作系統(tǒng)技術(shù)的掌握情況，選擇了不同的實(shí)時操作系統(tǒng)應(yīng)用到模擬器的實(shí)時仿真技術(shù)中。

4.3 模擬器綜合集成和調(diào)試

工程模擬器是集多種飛機(jī)模擬系統(tǒng)為一體的高度綜合化的試驗(yàn)設(shè)備，處理的數(shù)據(jù)類型很多，包括各類模擬量和數(shù)字量；相關(guān)接口也很復(fù)雜，有模擬離散量接口，有傳輸總線接口，有軟件模塊之間的接口，還有實(shí)物與仿真設(shè)備之間的接口；仿真計算量也很大，并且計算精度要求高，不僅要求各系統(tǒng)逼真度高，更重要的是要求各仿真系統(tǒng)必須能夠協(xié)調(diào)工作，在整體上給人以真實(shí)感，由于高度復(fù)雜的系統(tǒng)交聯(lián)關(guān)系，因此在全系統(tǒng)集成和調(diào)試時難度較大。

5 工程模擬器的應(yīng)用

工程模擬器的應(yīng)用貫穿于飛機(jī)設(shè)計的全過程。

在設(shè)計初期，可以使用工程模擬器對飛機(jī)總體及飛機(jī)相關(guān)系統(tǒng)技術(shù)方案、駕駛艙布局等進(jìn)行評定。

在研制階段，工程模擬器為飛行員提供了盡可能逼真的飛行環(huán)境，飛行員通過操縱工程模擬器，觀察飛行儀表，感受窗外視景、過載、音響等來評定飛機(jī)的飛行控制律、飛行品質(zhì)和飛機(jī)相關(guān)系統(tǒng)操縱部件的特性，并給出反饋意見。工程師依據(jù)飛行員的意見對飛行軟件、系統(tǒng)操縱部件特性以及再駕駛艙內(nèi)布局等進(jìn)行修改后，讓飛行員再到工程模擬器上去飛行，經(jīng)過多次迭代而設(shè)計出滿意的飛機(jī)飛行控制律、飛行品質(zhì)和飛機(jī)相關(guān)系統(tǒng)操縱部件等。

在設(shè)計后期，還可以在工程模擬器上安裝真實(shí)的飛機(jī)相關(guān)系統(tǒng)操縱設(shè)備及計算機(jī)，進(jìn)行部分高風(fēng)險科目驗(yàn)證試驗(yàn)和首飛試飛員的初步培訓(xùn)工作。

6 結(jié)語

工程模擬器是現(xiàn)代先進(jìn)民用飛機(jī)研制必不可少的高度綜合化的試驗(yàn)設(shè)備，本文介紹了一般民用飛機(jī)工程模擬器的功能和組成，給出了一般民用飛機(jī)工程模擬器的頂層結(jié)構(gòu)、網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)和軟件的設(shè)計方法，對工程模擬器的研制及在型號中的應(yīng)用具有一定的工程借鑒意義。

參考文獻(xiàn)

[1]向立學(xué).工程模擬器是現(xiàn)代飛機(jī)設(shè)計必不可少的工具[J].國際航空，1995（7）：41-43.

[2]劉松強(qiáng).實(shí)時計算機(jī)系統(tǒng)[M].北京：學(xué)苑出版社，1994：24-47.

[3]王精業(yè).仿真器的現(xiàn)狀與發(fā)展[C].第五屆全國仿真器學(xué)術(shù)會議論文集，2004（8）：2-8.

[4]王行仁.飛行實(shí)時仿真系統(tǒng)及技術(shù)[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社，1998.

[5]U.S Federal Aviation Administration， Helicopter Simulator Qualification， Advisory Circular AC 120-63[Z]. November，1994.

[6]張雅妮，李巖，金鐳.電子飛控飛機(jī)的飛行品質(zhì)適航驗(yàn)證[J].飛行力學(xué)，2012，30（2）：118-119.