過失速機動飛行仿真系統建立與研究

摘 要：為滿足我國新一代殲擊機的研制和技術驗證需求，為其試飛關鍵技術研究和演示驗證提供必要的技術支持，以更好更快地開展相關試飛方法的研究，開發了一套過失速機動飛行仿真系統。該仿真系統基于3種典型的過失速氣動模型，采用動態逆控制方法，最終通過VP軟件編程實現虛擬仿真環境，對各個部分的原理、方法和技術難點進行介紹和研究。該系統已用于試飛員的模擬飛行試驗中，試驗結果和試飛員評述表明：該系統完全達到了試飛員過失速機動初級飛行培訓的要求。

關鍵詞：過失速 仿真 控制 系統

中圖分類號：V212.1 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2014）05（b）-0032-03

1 基本概述

近年來，隨著我國綜合國力的提升，在世界多極格局中扮演著越來越重要的角色，表現之一就在于航空武器裝備的迅速發展。目前，世界各強國殲擊機技術已經普及到三代機，而第四代飛機的研究與開發也取得了重大成果，部分世界一流強國已經將第四代飛機少量裝配部隊。而第四代飛機區別于前幾代飛機的最主要特點就是具有過失速機動的能力。

相對于常規包線內的飛行，過失速機動飛行中，飛機的機動動作快、氣動力呈現出很強的非定常、非線性特征，并且失速后飛機氣動操縱面效率急劇降低、甚至失效，主要依靠推力矢量控制來補償，此時為了獲得試飛員可接受的操縱品質，常規的線性控制理論已無法解決氣動力嚴重的非線性和操縱面的冗余問題。因此，利用現代計算機仿真技術，建立過失速機動飛行仿真系統，對于開展現代飛機過失速機動性能分析、戰效評估、飛行試驗方法驗證等方面研究具有重要意義。

2 過失速機動飛行仿真系統的基礎構架

過失速機動飛行仿真系統得基礎構架主要包括：座艙系統、視景系統、數據處理及控制系統、航跡規劃模塊、飛行解算模塊和虛擬儀表模塊。如圖1所示，座艙系統是基于某通用殲擊機座艙布局設計，座艙儀表采用虛擬儀表方式實現，其具體解算由單獨的計算機控制。座艙的操縱指令輸出到中央控制系統后，通過數據處理系統，然后進行飛行解算和航跡規劃，中央計算機解算出當前的飛行姿態后，實時顯示到視景系統上，從而被駕駛者捕獲，形成閉環回路。由于篇幅所限，對于該仿真系統的具體結構和構架不再贅述，具體實現方式如圖1。

3 過失速機動飛行仿真系統開發

對于一個飛行仿真系統而言，硬件的投資可以很直接的改善系統性能，但其核心要素還是其軟件的設計。過失速機動飛行仿真系統軟件設計主要包括三個部分：（1）動力學模型開發；（2）飛行控制軟件開發；（3）視景系統開發；（4）虛擬儀表開發。

3.1 過失速機動動力學模型開發

區別于常規飛行狀態的動力學模型，過失速機動動力學模型需要對其大迎角下的氣動力模型和推力矢量發動機模型進行分別建模。

3.1.1 大迎角其動力模型

根據風洞試驗理論，過失速機動的大迎角氣動力模型可以分為大迎角靜態氣動力，圓錐運動氣動力，振蕩運動氣動力，以及非定常氣動力。[1]

（1）大迎角靜態氣動力

3.1.2 推力矢發動機模型

對推力矢量的描述是假定飛機有二維推力矢量控制，即俯仰和偏航控制。單臺發動機的推力矢量（以右發為例）在機體坐標系下的分量為：

式中，T為發動機推力，為右發俯仰推力矢量偏角（左右發等值差動偏轉，左發為），為偏航推力矢量偏角（左右發同步偏轉）。[3]

3.2 過失速機動飛行控制原理

根據過失速機動的動力學模型，有多種方法可以對其進行控制，本文采用內外環的動態逆控制方法。將飛機的過失速機動控制狀態變量分為兩個回路：內環快變量回路控制和外環慢變量回路控制，[4]具體的控制原理圖如圖2所示。

3.3 基于VP的視景系統開發

目前，世界上有很多的虛擬現實軟件用于模擬器視景系統的開發，在對比了集中典型的虛擬現實軟件后，筆者在本仿真系統中采用Vega Prime（VP）平臺進行視景系統的開發，其主要優點是VP軟件的主要模塊可以方便地通過C/C++語言進行訪問，可以通過給出的相關函數進行視景系統的每一個元素進行控制。

3.3.1 仿真地形的建立

針對過失速機動飛行仿真，由于更多的是要反映飛機姿態的變化，因此必須在飛機機動時，要給試飛員以足夠的參照物，以辨識目前的飛機姿態。針對這個特點，通過VP平臺的專用建模軟件Creator為該仿真系統建立了一個200*200 km的仿真地形，其中黑線表示飛機軌跡，在該軌跡上飛機進行過失速機動時，具有最佳的顯示效果。

3.3.2 第三視角機動模型的建立

在進行飛機過失速機動飛行動作體驗或專項培訓時，必須建立第三視角的觀察窗口，以便于讓飛機員更加直觀地了解飛機的姿態。因此，需要對飛機當前姿態、實際飛行軌跡和預定軌跡進行建模。[5]如圖4所示，綠線為飛機的實際飛行軌跡，黑線為預定動作軌跡，從該圖中觀察者和試飛員都能清楚地了解到當前機動的飛機姿態和動作的準確性。

3.4 虛擬儀表開發

座艙下顯模塊采用計算機純虛擬方式實現，用一個觸摸屏代替原有儀表操作。綜合虛擬儀表采用VP平臺的專用儀表工具開發，包括兩塊多功能下顯（MFD）、飛控狀態選擇板、飛機狀態指示板、駕駛桿/腳蹬位置指示板、起落架控制手柄等子模塊。由于過失速機動的特殊性，MFD部分需要顯示當前桿力的狀態，這樣能夠使試飛員更好地把握住過失速機動飛行的操縱特性。[6]綜合虛擬儀表典型畫面如圖5所示。

4 仿真系統的模擬飛行驗證

在采用某典型的三代飛機的大迎角風洞試驗數據的基礎上，在本過失速機動飛行仿真系統上，開展有人在環的過失速機動飛行模擬，并根據模擬飛行數據進行評價。在完成了仿真系統設計后，筆者及團隊進行了多種過失速機動的驗證，如“眼鏡蛇”機動（Cobra）、“尾沖”機動（Bell）、“J轉彎”機動（Herbst）等，均取得了較好的仿真效果。篇幅所限，僅列舉“眼鏡蛇”機動（Cobra）的模擬飛行數據。

如圖6所示，試飛員按照迎角指令模式完成的“眼鏡蛇”機動，速度在5 s內迅速降低到0.2 M，迎角達到105°，并在該狀態保持2 s，從進入到改出整個機動過程中飛行高度基本保持不變，也未出現偏離及其它指令性的運動。

5 結語

目前該過失速機動飛行仿真系統已經應用于試飛員的模擬飛行、飛行試驗方法驗證等實際工程應用中，對新型飛機機動能力的預先研究起到了極大的推動作用，獲得了各方面的一致好評。但由于本文篇幅所限，部分關鍵技術的原理、軟件的實現過程并沒有列舉。同時，該型仿真系統雖然已經有了實際工程應用，但與國外的先進模擬器還存在一定的差距，這也是筆者后續繼續研究的方向。

參考文獻

[1]高浩，朱培申，高正紅，等.高等飛行動力學[M].北京：國防工業出版社，2004.

[2]李永富，陳洪.研究尾旋的風洞試驗技術[M].北京：國防工業出版社，2002.

[3]張曙光.機敏性和超機動飛行與控制[D].西北工業大學博士論文，1995.

[4]許洲，高浩.三種典型過失速機動的仿真[J].飛行力學，1999，17（3）：11-16.

[5]白穆，莊達民，張磊.飛機操縱裝置優化布局[J].中國民航飛行學院學報，2010（1）.

[6]王芳.飛行模擬器操縱負荷系統研究[D].南京航空航天大學，2008.