駕駛員誘發振蕩飛行培訓和評定方法研究

楊挺健

(中國飛行試驗研究院 科技部, 陜西 西安 710089)

駕駛員誘發振蕩飛行培訓和評定方法研究

楊挺健

(中國飛行試驗研究院 科技部, 陜西 西安 710089)

摘要:總結了駕駛員誘發振蕩(PIO)飛行培訓和PIO等級評定(PIOR)方法。根據PIO發生的機理,分析了誘發PIO的因素。在某變穩飛機中,設置可能產生PIO的關鍵系統參數,設計了高增益的飛行培訓任務,由3名飛行員完成任務后利用PIOR定量評估飛機的PIO趨勢,研究了PIO飛行培訓方法和等級評定方法。結果表明,用變穩機進行飛行員PIO飛行培訓的方法合理可行,用PIOR可有效評定發生PIO的趨勢等級。

關鍵詞:駕駛員誘發振蕩; 飛行培訓; PIO等級評定

0引言

對于PIO的定義,航空界有很多說法。美軍標MIL-STD-1797A中定義PIO為:由于駕駛員試圖控制飛機而引起的持久的或不可控制的振蕩。 PIO是一種典型的駕駛員-飛機耦合振蕩現象,如果進一步發展或處理不當,會帶來嚴重的飛行安全問題。

在發現PIO現象的初級階段,人們認為飛機的振蕩主要是由飛行員誘發產生的,將發生問題的主因歸結于飛行員;隨著研究的深入,發現不應將引起振蕩及其后果的原因或多或少地經常歸罪于飛行員,它是由飛機、飛行員、外界條件等組成復雜系統的因素間的相互影響所致。為此,學者A Harran等提議用“飛機-駕駛員耦合(Aircraft Pilot Coupling,APC)”來取代通常所用的定義“駕駛員誘發振蕩(PIO)”。評定PIO的準則較多,典型的有1797規范中的R Smith準則,此外還有帶寬準則(又稱霍恩準則)、Gibson平均相位速率準則、等效準則等[1]。除此之外,PIOR是定量評定PIO趨勢等級的基本方法之一。

本文首先分析了發生PIO趨勢的機理和條件,據此有針對性地在變穩飛機中設置可能產生PIO的飛機系統參數和飛行任務,通過試飛研究了PIO飛行培訓方法和飛行中利用PIOR評定PIO趨勢等級的方法。

1發生PIO的機理分析

1.1閉環耦合

根據過去數十年發生的PIO問題的數據分析可知,發生PIO的主要誘發因素來自于3個方面:飛機系統因素、飛行員因素和外部誘發因素[2]。3個方面因素耦合的基本結構如圖1所示。該圖表明了飛行員、飛機系統、任務和外部因素的閉環關系,當其形成一個緊耦合閉環(見圖2)時會相互影響并可能引發PIO。

圖1　人-機閉環系統Fig.1　Pilot and aircraft closed loop system

圖2　人-機閉環系統簡化圖Fig.2　The simplified diagram of pilot and aircraft closed loop system

在執行飛行任務中,許多飛行任務是可以通過開環輸入和熟練的離散指令來完成的,但類似編隊飛行這樣的任務需要飛行員持續地、全神貫注地高增益閉環操縱才能完成。

在圖2所示的閉環系統中,結合具體的飛行操縱和人的特性,根據McRuer等的研究結果,對單自由度補償任務的飛行員準線性模型可用下式表示[3]:

(1)

式中:Kp為飛行員模型增益,是實現最優操縱需要調整的參數之一,一般為1～100;TL為飛行員對操縱過程的預測需要的超前補償時間常數,一般為0.0～1.0 s,其值反映了飛行員精神負荷的大小;TI為中樞信息的傳遞和加工過程時滯時間,一般為0.0～1.0 s(可變),其值反映了飛行員體力負荷的大小;τp為飛行員體內的凈傳遞時間延遲,其值與神經傳導和刺激有關,一般為0.06～0.50 s。

考慮到閉環系統的任務特點,圖2中飛機系統的數學模型一般采用短周期數學模型[3]:

(2)

飛機特性不佳是發生PIO的主要因素,有專家曾對30多種類型的飛機發生PIO的原因進行分析后得出,造成飛機特性不佳的主要因素有:舵面速率飽和、系統時間延遲、駕駛桿力特性不佳(操縱靈敏度高)、非線性特征(瞬態轉換特性)、飛機穩定性差等[4]。

1.2外部誘發因素

PIO發生過程中一個重要的刺激因素是誘發機制,最典型的是快速改變飛機狀態,突風被認為是誘發因素之一。風切變、著陸拉平和糾偏著陸成為飛行員試圖在特定的目標區域著陸時發生PIO的誘發因素。外部誘發因素不是PIO的起因,對于一架有可接受飛行品質的飛機來說,外部誘發因素只不過是迫使飛行員進入PIO的特有操縱行為[5]。

需要特別強調的是:正如前面提到的一樣,構成PIO現象的要素包括:飛機、飛行員和外部誘發因素,因此盡管采用相同的飛機和任務進行訓練,但由于飛行員在操縱習慣和增益上的差異,可能會導致他們獲得的感受是各異的,有時甚至大相徑庭。比如,同樣的設置和任務,有些飛行員誘發了嚴重的PIO,而另外一些飛行員卻甚至觀察不到任何的PIO趨勢,這主要是由于個體差異造成的,因為產生PIO在操縱輸入方面有著許多典型的特征,例如:飛行員是否在高增益的無意識操縱、操縱的頻率和幅值的范圍、感受任務并施加增益的高低等多種因素。

2飛行任務設計

2.1用于識別PIO趨勢的飛行任務

為降低飛機產生PIO趨勢的可能性,在飛機設計階段、地面模擬飛行驗證階段,都應主動研究飛機和飛行員的耦合狀態,通過增大飛行員的增益和工作負荷,尤其是產生一種極端緊急的感覺,來增加發現潛在的PIO趨勢的可能性。具有飛行員高增益(Kp)或任務緊迫性的典型跟蹤任務中更可能產生PIO趨勢,表1基本涵蓋了需要飛行員高增益的飛行任務[6]。

表1　飛行員高增益飛行任務

2.2PIO飛行培訓任務設計

PIO飛行培訓在某變穩飛機上進行,教員可設置偏離原飛機系統特征的參數;培訓任務由3名有良好飛行經驗的飛行員完成;為保證飛行安全,所有的飛行任務都是在并座的帶飛教員指導下進行的,飛行前飛行員和教員協同了出現PIO趨勢后的應急處置方法,緊急情況下由教員操作。

設計了6組高增益的閉環飛行任務,目的是讓飛行員在空中盡可能誘發出PIO,并體驗和分析PIO現象,掌握發生PIO后的處置方法。

(1)設置系統時間延遲的俯仰角截獲

變穩系統參數設置:在俯仰和滾轉通道同時設置偏離原系統200 ms的時間延遲。

飛行任務要求:在氣壓高度為4 500 m、起始表速為460 km/h時配平飛機,交替截獲10°和5°俯仰角。先做一次普通截獲,然后再做急劇的截獲,目的是為了逐步提高飛行員的增益。

(2)設置系統時間延遲的滾轉角截獲

變穩系統參數設置:在俯仰和滾轉通道同時設置偏離原系統200 ms的時間延遲。

飛行任務要求:在氣壓高度為4 500 m、起始表速為460 km/h時配平飛機,首先在一側建立30o滾轉角,然后向另一側壓桿截獲同值滾轉角。與俯仰姿態截獲一樣,先做一次平穩的截獲,再做一次急劇的截獲。

(3)縱向桿力輕、橫向桿力重的目標點截獲

變穩系統參數設置:縱向桿力比原系統小7 N,橫向桿力比原系統大5 N。

飛行任務要求:在氣壓高度為4 500 m、起始表速為460 km/h時配平飛機,在空中或地面目視選取目標(云、小鎮、跑道、湖泊等),調整姿態轉向目標點,先做一次平穩的截獲,再做一次急劇的截獲。

(4)縱向桿力重、橫向桿力輕的目標點截獲

變穩系統參數設置:俯仰操縱力比原系統大7 N,滾轉操縱力比原系統小5 N。

飛行任務要求:在氣壓高度為4 500 m、起始表速為460 km/h時配平飛機,在空中或地面目視選取目標(云、小鎮、跑道、湖泊等),調整姿態轉向目標點,先做一次平穩的截獲,再做一次急劇的截獲。

(5)副翼速率限制的滾轉角截獲

變穩系統參數設置:限制飛機的最大滾轉速率為20 (°)/s。

飛行任務要求:在氣壓高度為4 500 m、起始表速為460 km/h時配平飛機,向一側壓桿截獲30°滾轉角。先做一次平穩的截獲,再做一次急劇的截獲。

(6)糾偏著陸飛行

圖3為糾偏著陸飛行示意圖。變穩系統參數設置:設置偏離原系統200 ms的時間延遲。

飛行任務要求:在進入三邊前(圖3中A點)飛機的構型設置為襟翼20°,起落架放下。三邊及三轉彎速度為270 km/h,四轉彎處在跑道任意一側設置偏差,距跑道中線的偏置距離約為120 m,五邊速度為240 km/h時(圖3中B點)開始修正,要求飛行員盡可能地使飛機降落在跑道上要求的標識區域(50 m長、10 m寬)中心。

圖3　糾偏著陸飛行示意圖Fig.3　Schematic diagram for offset-correction landing

為了飛行安全和對比體驗,飛行采用循序漸進的方式進行,第一次著陸是在正常飛機狀態下進行的正常著陸,目的是熟悉著陸條件和要求;第二次是在正常飛機狀態下的糾偏著陸,目的是掌握糾偏著陸的修正方法;最后進行設置時間延遲的糾偏著陸,以體驗可能發生的PIO趨勢。

3等級評定方法及結果分析

3.1等級評定方法程序

PIOR是用來評估PIO趨勢的一種評定方法,利用飛行員問答式判斷法,根據清晰邏輯結構的評分程序[7](見圖4),最終給出1～6分的PIO等級

分值。

圖4　PIOR評定流程Fig.4　PIOR assessment process

3.2飛行結果分析

完成飛行任務后按圖4進行PIOR等級評定,評定結果如表2所示。

表2　飛行員評定結果

(1)設置系統時間延遲的俯仰角截獲

在該飛行任務中,3名飛行員中有2名給出了PIOR=3的評分,執行飛行任務過程中飛機出現了振蕩,完成截獲任務有一定的難度,需付出額外的工作負荷,但經過努力能夠完成任務。另外1名飛行員給出了PIOR=2的評分,任務出現了較小的超調,但經過少量的補償操縱可以完成任務。

(2)設置系統時間延遲的滾轉角截獲

在該飛行任務過程中,3名飛行員中有1名給出PIOR=4的評分,飛機出現了較大超調和橫向振蕩,響應的預測性很差,無法完成任務。另外兩名給出了PIOR=3的評分,任務出現了超調,需犧牲任務并進行努力操縱才能消除振蕩趨勢。

(3)縱向桿力輕、橫向桿力重的目標點截獲

在截獲目標點飛行任務中,3名飛行員中有1名給出PIOR=5的評分,一開始做急劇截獲時飛機就發生了振蕩發散,松桿后振蕩逐漸收斂,PIO趨勢較為明顯;1名給出PIOR=4的評分,雖然難以完成截獲任務,并出現了振蕩,但振蕩并未發散;另外1名給出了PIOR=3的評分,經過飛行員努力操作,完成了目標點截獲任務,但是出現了少量振蕩。

(4)縱向桿力重、橫向桿力輕的目標點截獲

在該飛行任務中,3名飛行員全部給出了PIOR=3的評分,其中有2名飛行員反映比縱向桿力輕、橫向桿力重的截獲目標點飛行任務容易很多,有1名飛行員感覺與前一種設置執行任務難易程度相當。

(5)滾轉速率限制的滾轉角截獲

在該飛行任務中,3名飛行員中有1名給出了PIOR=5的評分,在精確截獲過程中,飛機出現了大量的超調、操縱反效和劇烈的且趨于發散的橫向振蕩,響應的預測性非常差,無法完成任務,通過凍結駕駛桿實現了開環,改出了飛機振蕩狀態。另外2名給出了PIOR=4的評分,在出現振蕩后放棄執行任務并改出機動。

(6)糾偏著陸飛行

在無時間延遲的正常著陸任務中,沒有振蕩現象,飛行員都能夠較為容易地將飛機降落在期望的范圍內。在飛機正常狀態的糾偏著陸過程中,飛行員仍舊可以輕松地對準跑道中線和控制飛機的下滑軌跡和速度,但由于任務難度增大,所以任務完成的質量略有下降,接地誤差較正常著陸略大。

在設置時間延遲的糾偏著陸飛行任務中,飛行員為使飛機對準跑道中線和保持下滑角,需要不斷地進行橫向和縱向修正,導致發生了不同程度的縱向和橫向振蕩。1名飛行員給出了PIOR=5的評分,在接地前對正中線時出現了嚴重的橫向振蕩,飛機在橫向上的響應基本是反效的,滾轉響應與飛行員的期望存在明顯的相位延遲,并且有抑制不住的發散趨勢,飛行員感覺機翼即將接觸跑道,在教員的操縱下實現了復飛。另外1名飛行員給出了PIOR=4的評分,在接地前出現了橫向振蕩,立即拉桿復飛。最后1名飛行員給出了PIOR=2的評分,雖然在接地前出現了少量橫向振蕩,但是通過操縱修正后消除,并順利實現了預定目標的著陸。

分析3名飛行員的PIOR評分情況,可以發現如下一些規律性的現象:

(1)飛機特性不佳是導致誘發PIO的主要因素。3名飛行員對6類飛行任務中的4類任務PIOR的打分較為一致,尤其是在飛機滾轉速率限制的飛行任務中,3名飛行員都給出了PIOR=4和PIOR=5較高的分值。

(2)對同一飛機系統狀態、相同的飛行任務,不同飛行員的操縱導致PIO趨勢的強弱也有差異。尤其是在糾偏著陸飛行任務中PIOR分值差異較大,表明了飛行員是形成PIO閉環中的重要一環。

(3)PIO現象多發生在飛行員需要高操縱增益來完成的任務中,尤其在俯仰角和滾轉角截獲任務中更加明顯,急劇截獲都比普通截獲誘發出的PIO趨勢要高。

4結束語

本文的研究內容是國內首次由飛行員在飛行真實環境下進行的PIO飛行培訓,飛行員在“特性不佳”的飛機上充分體驗了PIO現象,掌握了發生PIO趨勢后的處置方法,并掌握了PIOR評定方法。本研究對飛行員培訓和飛行試驗具有重要的借鑒意義。

由于本文涉及的變穩飛機加裝的測試設備有限,因此對PIO的評定方法僅限于飛行員的PIOR評定。下一步計劃在另一型變穩機中加裝更多的測試設備,培訓后采用其他PIO評定準則進行計算分析,并與飛行員PIOR評定結果進行對比研究。

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[7]劉艷,高正紅,趙濤,等.民用飛機適航取證中APC/PIO評估方法[J].飛行力學,2010,28(6):6-10.

(編輯：姚妙慧)

Research on the method of PIO flight training and assessment

YANG Ting-jian

(Ministry of Science and Technology, CFTE, Xi’an 710089, China)

Abstract:This paper summarizes the pilot induced oscillation (PIO) flight training and PIO rating (PIOR) method. According to the mechanism of PIO, three factors inducing PIO were analyzed. In variable stability aircraft, key system parameters which could cause PIO were set, high gain flight training tasks were designed. Three pilots completed the tasks,who gave a quantitative evaluation of aircraft PIO tendency using the PIOR. PIO flight training method and assessment method of flight was researched. The results show that it is feasible to perform PIO flight training on variable stability aircraft. PIOR can effectively assess PIO tendency level.

Key words:pilot induced oscillation; flight training; PIO rating assessment

收稿日期:2015-11-27;

修訂日期:2016-03-08; 網絡出版時間:2016-03-09 15:59

作者簡介:楊挺健(1973-),男,甘肅寧縣人,高級工程師,碩士,研究方向為飛行控制系統飛行試驗。

中圖分類號：V212.1

文獻標識碼：A

文章編號：1002-0853(2016)03-0076-05