試飛駕駛技術地面模擬評價方法研究

張曉敏, 潘運亮, 黨維

(1.中國飛行試驗研究院 中航工業飛行仿真航空科技重點實驗室, 陜西 西安 710089;2.空軍工程大學 航空航天工程學院, 陜西 西安 710038)

0 引言

飛行試驗駕駛技術是飛行試驗技術的重要組成部分,只有通過恰當的飛行試驗方法和準確的飛行動作所獲得的試驗結果才能可靠地驗證飛機/直升機的飛行性能、飛行品質、結構完整性、飛行控制系統、動力裝置及機載系統與戰技指標、相關規范和標準的符合性[1]。近年來的型號工程實踐表明,試飛員的駕駛技術水平將直接影響飛行試驗的質量、效率、安全乃至整體進程,是決定飛行試驗成敗的關鍵[2]。現有試飛員的水平參差不齊,完成試飛動作的質量有一定的差別,卻沒有一套標準的評價方法和體系對試飛員的駕駛技術進行分析,造成現有試飛員駕駛技術培訓效率低下、成本和風險較高的局面。

本文以試飛駕駛技術評價系統研究為目的,建立基于地面模擬的試飛員駕駛技術評價系統。在此基礎上，開展了典型試飛動作的評價方法研究,形成了與每個試飛動作相對應的評價標準;然后設計開發了試飛駕駛技術的評價軟件,用于評價試飛員典型試飛動作的技術水平,同時按照分值給出試飛員駕駛技術評價等級,分別為:優、良、合格和不合格。最后邀請試飛員和試飛工程師開展地面模擬驗證,獲得了能夠真實、客觀反映試飛員駕駛技術水平的地面模擬評價系統。

1 評價系統和評價方法

目前所建立的駕駛技術評價系統可以進行地面典型試飛動作(脈沖、階躍、掃頻等開環試飛動作和姿態截獲、收斂轉彎、協調側滑等閉環試飛動作)的評價,為試飛員提供一個準實時評價結果,用于支持試飛員駕駛技術培訓;也可以進行單個試飛動作的多次操縱評價,試飛員可以獲得對某一動作操縱的成功率。將來,該系統可以對空中試飛動作、或任務單完成情況進行評價,即將試飛數據實時下傳到地面評價系統,此時評價系統相當于一名虛擬地面指揮員,會對試飛情況進行評價并提出正確的指揮要求。圖1為試飛駕駛技術地面模擬評價過程圖。

圖1 試飛駕駛技術地面模擬評價過程圖Fig.1 Evaluation process of the flight test piloting technologies on ground simulation

在GJB624的評價準則的基礎上,本文對試飛駕駛動作進行了細分,將整個試飛動作分為三個階段:配平段、動作段和結束段,并對每一個階段的評價指標也進行了詳細劃分,使得評價更準確、問題定位更具體[3]。由于試飛動作較多,且評價指標均有差異,因此本文僅以俯仰脈沖動作為例進行介紹,其他動作不再贅述。表1為配平段的評價要求,按照等級給出了相應參數的變化范圍,可通過表中參數的變化量進行評價。其中,不合格項中任一參數符合條件,整個配平段則判為低于60分,再根據其他參數的情況確定其最終得分[4]。

表1 配平段評價指標要求Table 1 Evaluation indexes of the trimming section

表2為動作段的評價要求,表3為脈沖動作的結束段評價要求。

表2 動作段評價指標要求Table 2 Evaluation indexes of the maneuvering section

表3 結束段評價指標要求Table 3 Evaluation indexes of the ending section

因為結束段要求飛機自由振蕩,試飛員在自由振蕩未結束前絕對不能有任何輸入，因此這一階段最終的判斷就是試飛員是否有桿、舵輸入。

2 評價軟件設計

本文試飛駕駛技術評價軟件包括試飛駕駛技術評價算法和試飛駕駛技術評價界面。評價算法主要進行評價準則的執行、邏輯判斷、數據計算和存儲等;評價界面主要進行動作、參數等的設置、數據顯示等邏輯控制。評價算法通過反射內存網從操縱加載計算機讀取飛行員操縱量,從動力學仿真計算機讀取飛機飛行參數,為評價提供參數;然后通過UDP網絡從評價界面中獲取評價開始指令、結束指令和動作編號等信息,控制評價算法的運行[5]。當評價算法接收到評價開始指令后,根據動作評價算法對試飛員的操縱進行打分并給出綜合評價。

2.1 試飛駕駛技術評價算法

圖2 試飛動作評價算法流程圖Fig.2 Algorithm flow chart for evaluation of flight test maneuver

評價算法流程如圖2所示。為了客觀真實地評價學員駕駛技術水平,評價算法不僅對試飛動作的階段、參數按照重要性分配相應權重進行評價,而且綜合教員打分和系統打分給出學員綜合得分,二者得分比重分別為50%;最后根據綜合得分給出綜合評價語,為學員判斷駕駛技術水平提供參考[6]。

2.2 試飛駕駛技術評價界面

試飛駕駛技術評價界面包括機動設置界面、曲線顯示界面和綜合評價界面。在機動設置界面主要進行動作設置、參數選擇、教員和學員的確認;曲線顯示界面實時顯示在機動設置界面選擇的參數,為教員提供關注參數,教員可以實時監控學員動作完成情況;綜合評價界面主要為學員提供動作完成情況的評價語,幫助學員了解動作完成的情況,同時給教員提供飛行后講評依據。

3 算例驗證

本文評價方法驗證在基于試飛模擬器開發的試飛駕駛技術地面模擬評價系統上進行。該地面模擬評價系統具有以下特點:(1)飛行動力學模型真實;(2)具有逼真度高的視景系統;(3)具有實時性好的數據傳輸和存儲的網絡系統;(4)具有高逼真度的操縱加載桿系[7]。該模擬器由目前正在試飛的某型戰斗機飛行動力學模型、D級模擬器視景系統和實時反射內存網等系統組成,為試飛駕駛技術評價方法驗證提供了有力的支持。試飛駕駛技術地面模擬評價系統如圖3所示。

圖3 試飛駕駛技術地面模擬評價系統Fig.3 Evaluation system for the flight test piloting technologies based on ground simulation

為了驗證評價系統的評價效果,分別進行了兩組地面模擬驗證:一組邀請具有豐富試飛經驗的試飛員完成水平直線加速飛行模擬;另一組邀請沒有任何飛行駕駛經驗的試飛工程師完成此動作。

圖4為試飛員完成的水平直線加速情況及評價結果,圖5為試飛工程師完成的水平直線加速情況及評價結果。

圖4 試飛員完成的水平直線加速動作結果Fig.4 Results of the level straight accelerating maneuver by test pilot

圖5 試飛工程師完成的水平直線加速動作結果Fig.5 Results of the level straight accelerating maneuver by flight test engineer

由圖4可以看出,教員打分85分,系統打分80分,綜合得分82.5分。綜合評價:(1)評價結果為良;(2)配平保持好;(3)高度保持好;(4)過載保持好;(5)加速過程均勻。

由圖5可以看出,教員打分45分,系統打分30分,綜合得分37.5分。綜合評價:(1)評價結果為不及格;(2)配平保持差;(3)高度保持很差;(4)過載保持很差;(5)加速過程不均勻,且有回調。

通過以上算例驗證發現,該方法能夠如實地反映學員的駕駛技術水平,為學員和教員提供飛行后講評依據,有利于學員駕駛技術水平的提高。該方法采用教員評價和系統評價兩種方式給出學員的綜合得分,使得評價結果更加公正、客觀。

4 結束語

本文通過對試飛駕駛技術地面模擬評價方法研究,建立了可以進行多種典型試飛動作的評價系統,并設計開發了相應的評價軟件。通過地面演示驗證,對評價系統的評價效果進行了測評,獲得了試飛員的好評。后續還需開展如下方面的工作增加試飛駕駛技術評價內容,建立試飛駕駛動作評價庫;對每一個試飛動作的評價參數進行調整、細化,使得評價結果能夠更真實反映試飛員駕駛技術水平;對評價控制界面進行優化、升級,使得界面交互更加友好等,最終能夠形成完善的試飛駕駛技術地面模擬評價體系。

參考文獻：

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[6] 樊瑋,張立.飛行性能評估專家咨詢系統簡介[J].中國民航學院學報,2003,21(S2):224-225.

[7] 楊生民,袁東,章伯定.試飛模擬器及其設計思路[C]//第五屆全國仿真器學術交流會論文集.長春:中國系統仿真學會,2004:71-75.