基于工程模擬器的民機飛行品質評估研究

吳勝亮

摘 要：分析飛行員在環試驗對工模軟硬件仿真度的技術要求，提出將適航條款中有關飛行品質的定性要求轉化為可量化計算指標的思路，研究采用定性分析和定量分析對基于工程模擬器的民機飛行品質進行綜合評估的方法，以便在民機設計過程中即可進行飛行品質的預測和評估，保證滿足適航要求。以縱向操縱-速度恢復試驗科目為例，詳細介紹飛行品質評估試驗的過程及采用定性分析和定量分析對飛行品質進行綜合評估的方法，對飛行品質評估時需要注意的關鍵點進行總結分析，供相關工程設計人員參考。

關鍵詞：飛行品質；民用飛機；定性分析；定量分析；工程模擬

DOI：10.11907/rjdk.172422

中圖分類號：TP319

文獻標識碼：A文章編號：1672-7800（2018）005-0157-05

Abstract：The technical requirements of fidelity of engineering simulator hardware and software for pilots in the loop test were analyzed. The idea of transforming qualitative requirements of relevant airworthiness terms into quantitative calculation was proposed. The method of using qualitative analysis and quantitative analysis to evaluate handling quality of civil aircraft based on engineering simulator was studied so that we can predict and evaluate handling quality in the process of civil aircraft design in order to meet the requirements of airworthiness terms. Taking the test item of longitudinal control for speed recover as an example， the paper introduced the procedure of handling quality test， the method of using qualitative analysis and quantitative analysis to evaluate handling quality. Some key issues of handling quality evaluation were summarized and analyzed so as to offer reference for other relevant engineers and designers when necessary.

Key Words：handling quality；civil aircraft； qualitative analysis ； quantitative analysis； engineering simulator

0 引言

飛行品質貫穿于飛機設計、實驗以及執行任務的全過程，是飛機設計、特別是飛控系統設計的核心內容。飛行品質是飛機質量至關重要的組成部分，在很大程度上決定了人機系統協同工作的協調性，對飛行安全和完成飛行任務具有決定性作用。對飛行品質的評價，最終是通過飛行員根據執行各種任務時的感受和主觀體會形成。好的飛行品質，飛行員評價為“有效”、“安全”、“好飛”。“有效”指飛機快速準確地響應飛行員的指令，能有效跟蹤和控制飛行軌跡；“安全”指飛行中沒有威脅飛行安全的現象出現，飛行員做動作很放心；“好飛”指飛行時不易疲勞，節省體力和腦力。總之，一架飛機如果連飛行員都是滿意的，那么其飛行品質應該是良好的[1]。

民機控制律功能的測試、結合控制律的飛行品質評估是飛機研發、驗證過程中的重要環節。對于采用復雜閉環控制律的飛機，其動力學特性往往與經典形式有較大差異，單靠桌面仿真分析不足以判斷飛機的飛行品質是否達到預期，需要通過飛行員在環飛行品質和控制律評估試驗，由飛行員參與實時操縱，形成一個閉環的人機交互系統，再根據試驗結果和飛行員評語對飛行品質加以驗證，以降低控制律研制風險。工程模擬器試驗的目的是驗證所有控制律（正常、輔助、直接控制律）的功能是否達到設計要求。飛行員對控制律和飛行品質的評估意見將反饋回控制律的設計，以便做進一步的優化。設計人員不斷對控制律進行迭代優化，設計出優良的控制律，從而獲得良好的飛行品質。

本文從在工程模擬器上開展飛行品質評估角度出發，首先分析飛行員在環試驗中對工模軟硬件仿真度的技術要求，其次提出將適航性條例中有關飛行品質的定性要求轉化為可量化計算的指標的思路，并研究采用定性分析和定量分析對基于工程模擬器的民機飛行品質進行綜合評估的方法；接著以縱向操縱-速度恢復試驗科目為例，詳細介紹飛行品質評估試驗的過程，以及采用定性分析和定量分析對飛行品質進行綜合評估的方法；最后對飛行品質評估時需要注意的關鍵點進行總結分析。

1 評估試驗對工模軟硬件仿真度的技術要求分析

1.1 飛行仿真系統軟件

飛行仿真系統軟件包括與控制律設計和飛行品質評估試驗密切相關的飛機動力學和運動學方程、氣動力數據庫、質量特性數據庫和地面控制模塊，通過數學模型解算飛機在地面和空中的運動狀態，需考慮地面效應的影響、收放機構（如起落架、襟縫翼等）和剎車機構的作用對飛機運動的影響，仿真結果要盡可能準確地反映飛機的實際響應特性。

1.2 機載系統仿真軟件

機載系統仿真軟件包括飛控系統、動力系統、燃油系統、液壓系統、起落架系統、航電系統、電源系統和環控系統等仿真軟件，各系統仿真軟件模擬實現的功能和性能應與實際飛機真實系統的響應一致或存在差異的部分不影響對試驗結果的分析。

為了準確地建立反映飛機實際系統功能的各系統數學模型，各系統機載供應商必須提供能準確反映系統功能和特性的相關數據，或采用Re-host方式實現機載軟件在一般工業控制計算機上的加載運行。

1.3 駕駛艙環境模擬

為了使飛行員對控制律設計和飛行品質評估的結果更為有效，駕駛艙內部結構要盡量與所評飛機的狀態保持一致；駕駛艙仿真設備的外形、尺寸、材質以及駕駛艙的布置要與所評飛機的狀態盡可能保持一致；駕駛艙照明和調光盡量要與所評飛機的狀態保持一致；仿真駕駛艙系統的眼位設計安裝，需保證駕駛艙和視景系統理論眼位重合，即視景系統的眼位與飛行員眼位要保持一致。

如果條件允許，駕駛艙內各設備可以使用所評飛機的真實試驗件，以增強飛行員評估意見的準確性。

1.4 時間延遲特性模擬

現代飛行控制系統的時間延遲源于數字計算機的采樣及處理運算、系統濾波、速率限制等因素。模擬器整機綜合后的時間延遲指標過快或過慢都會對評估結果直接產生影響，因此各仿真系統在建模時要充分考慮所評飛機的各相關系統的延遲指標，并按照所評飛機的實際延遲特性進行系統建模。民用飛機工程模擬器的系統傳輸延遲指標可參考《飛行模擬器設備的鑒定和使用規則（CCAR60）》附件1第60.A.1.3條關于D級模擬器傳輸延遲時間（150ms）[2]要求。

1.5 視景和過載特性模擬

為了給飛行員提供實時逼真的視覺和過載感受，一般工程模擬器需配備視景仿真系統和六自由度運動系統。

視景系統利用計算機圖像生成技術，產生逼真的窗外景象，模擬大氣條件包括大氣參數、風和大氣紊流；黎明、白天、黃昏、夜間帶紋理視景圖像；機場地面晝夜變化、機場空域晝夜變化；雨雪霧天、結冰氣象、雷雨氣象等，還包括云底高和能見度設置、機場選擇和機場燈光等；干跑道、濕跑道以及跑道長度、寬度、坡度、場高以及跑道材質和粗糙度等。

六自由度運動系統可實現模擬飛機六個自由度的運動，包括俯仰、滾轉、偏航、垂直升降、橫向和縱向直線運動；飛機各種飛行條件的變化引起的運動；著陸接地姿態和碰撞以及使用剎車時出現的運動；在接近真實飛機頻率處的振動和抖振以及大氣紊流和風在對應自由度上引進的抖振和相對于起落架收放時的動態特性以及不同地面的滑跑特性等。

2 民機飛行品質評估方法

飛機的飛行品質研究始于1903年，發展歷程具有以下幾個主要特點：

（1）突出人作為飛行品質評價的主體。飛行品質最初的指標只有一條：飛機結構足夠簡單，并且能夠使飛行員在合理的時間內能熟練的使用，充分地肯定了人作為飛行品質的主體地位，隨著飛行品質的發展，這種主體地位越來越強。

（2）在飛行品質發展過程中采取典型的模態特性對飛機進行評價。從1969年修訂MIL-F-8785B的飛行品質開始，采用了長短周期荷蘭滾螺旋滾轉等模態特性對飛機的動態響應特性進行了量化描述，進一步明確了飛行品質的具體內容。

（3）重視飛機的高階特性。從MIL-STD-1797開始，針對電傳飛機的出現，飛行品質中考慮了飛機的高階特性。

飛行品質是飛機設計人員與飛行員最為關心問題，在飛機的設計、研發、測試和使用中始終扮演著重要角色。因此，為了實際評估的需要，需采用定性分析和定量分析相結合的方式對民機飛行品質進行綜合評估，獲取良好的飛行品質，確保飛機安全飛行及順利完成既定飛行任務。

2.1 定性分析

在評價飛行品質時，只有飛行員的評估才能確切反映出人-機系統性能與執行任務的工作負擔之間的相互關系。為使飛行員的評估有一個共同的衡量尺度和描述術語，采用庫伯-哈伯準則[3]作為試驗的評估尺度，這個尺度從飛機的操縱性和飛行員完成飛行任務的工作負擔兩個方面，用文字描述給出了10個不同的評價尺度。經過40多年軍機和民機的實踐檢驗，被公認為是飛行員在環評估所采用的一種標準化方法和評判尺度[4-5]。庫伯-哈伯準則如圖1所示。

進行飛行品質計算時，必須給出不依賴于飛行員直接評分且與飛行環境無關的客觀評分標準。美國軍用規范中規定了3個等級，在民機飛行品質評估中可以借鑒并使用[1]。3個等級分別具有的飛行品質如下所示：

等級1：飛行品質明顯地適合完成任務的飛行階段；

等級2：飛行品質適合于完成任務的飛行階段，但飛行員的工作負擔有所增加，或完成任務的效果有所降低，或兩者兼而有之；

等級3：飛行品質滿足安全操縱飛行的要求，但飛行員工作負擔過重，或完成任務效果不好，或兩者兼而有之。

上述3個等級與C-H評價尺度的關系如圖1所示。

CCAR-25-R4中有關民機飛行品質要求需要經過試飛員、試飛工程師和適航部門綜合評定，只有滿意和不滿意之分。雖然C-H評價尺度和飛行品質等級概念是針對軍機提出來的，在民機飛行品質分析和預測時，仍然可以借鑒使用該評價體系。在飛行控制律設計階段使用3個等級評價飛行品質，其優點在于有助飛行控制系統設計者了解修改飛行控制律之后，飛行品質的改善趨勢和改善程度，并容易在多個飛行品質中取得平衡。

2.2 定量分析

中國民用航空規章第25部是“運輸類飛機適航標準”（CCAR-25-R4）[6] ，包含了民機飛行性能、飛行品質、結構與構造、動力裝置和機載設備等方面的適航性要求，其中對民機飛行品質的要求主要集中在CCAR-25-R4的B部分。民機飛行品質的適航性要求主要包括飛機的操縱性和機動性、配平、穩定性、失速特性、地面和水面操縱性、抖振、高速特性和失配平八大飛行品質指標[6-9]。

CCAR-25有關飛行品質的要求大都是定性的，不便于在新機飛行控制系統設計中貫徹實施。為了便于在設計階段評估飛機的飛行品質，需將這些定性要求定量化。CCAR-25-R4的定量化就是將定性的要求轉化為可計算、量化的指標，這些指標通常可用飛機及飛行控制系統的性能參數表示。量化的目的是便于在飛機及飛行控制系統數學模型的基礎上進行計算，進而評估其飛行品質是否達到適航條例的要求。適航性條例定量化可分為兩個步驟，其一是將適航性的各個定性要求轉化為對飛機及飛行控制系統某些參數的要求，其二是根據各種試飛試驗以及飛機本身的設計要求，確定各參數的具體數值要求。

針對電傳飛控系統穩定性與操作性的要求，可采用縱向低階等效系統擬配方法、縱向帶寬準則（人機閉環穩定性）、閉環尼爾-史密斯準則、俯仰角速率準則、時域-頻域Gibson響應準則等進行縱向飛行品質定量分析；采用橫航向低階等效系統擬配方法、橫航向時域準則（俄羅斯準則）等進行橫航向飛行品質定量分析；另外，考慮采用航跡角峰值超調評價準則、回路分離參數法、波音公司的人-機閉環系統品質要求等對民機起飛著陸特性進行分析；采用俯仰機動桿力梯度和短周期阻尼比檢查、俯仰PIO相位滯后準則、俯仰PIO幅值準則、Smith-Geddes準則和Gibson相位速率準則等對飛行員誘發振蕩（PIO）進行預測分析。

由于影響飛行品質的因素很多，加之每種準則都有一定的局限性，目前尚沒有一種準則能單獨勝任，因此建議使用多種準則同時評價。但是，使用多種準則可能會使評估結論發生不一致的情況，大量經驗表明，一種準則暴露出其它準則不能暴露的飛行品質缺陷，如果飛機能滿足多種準則要求，多數飛行員滿意的可能性就會大一些。

3 飛行品質評估示例

本文以縱向操縱-速度恢復為例，介紹民機飛行品質評估過程及分析方法。

3.1 試驗目的

演示在1.23VSR 和失速標志（判明速度）之間的任何速度，必須有可能使機頭下沉，以便很快加速到選定的配平速度。

3.2 驗證條款

驗證CCAR-25.145（a）。

3.3 約束條件

確定失速速度和失速特性之后。

3.4 可接受判據

飛機在失速或接近失速時的推桿機動，要求飛機具有足夠的機頭下俯操縱效能，使飛機恢復到原始配平速度。

3.5 HQR任務

在失速速度操縱飛機附近恢復初始速度。

3.6 試驗平臺

民機工程模擬器。

3.7 試飛內容

（1）試驗狀態點。參考AC25-7C[11] ，挑選試飛試驗點狀態如表1所示。

（2）試驗方法。①工程模擬器復位后，正常運行且處于初始狀態；②設置工程模擬器“飛行凍結”狀態；③通過綜合控制臺及駕駛艙相關操縱器件，設置試驗科目所要求的飛機狀態；④在規定狀態下配平飛機到穩定直線平飛；⑤以1節/秒 的減速率使飛機保持機翼水平減速到失速速度附近；⑥迅速使機頭下俯，加速到初始配平速度，不改變配平位置；⑦對于最大連續推力試驗，機動不必進行到超過失速警告開始后1s；⑧記錄相關試驗數據；⑨完成試驗科目后，工程模擬器“飛行凍結”；⑩工程模擬器復位。

3.8 定性分析

在飛行員在環評估試驗過程中，飛行員按照試驗科目的動作要求完成試驗動作，參試人員根據庫伯-哈伯準則解釋評分依據對試驗科目評分，同時全面、詳細記錄飛行員的評估意見，以便評估結束后進行討論和確認。

3.9 定量分析

從操縱性和機動性及安全的角度來看，該條款就是要求飛機在失速速度Vs或者失速迎角αs的附近有足夠的縱向操縱效能或俯仰能力，以免在失速迎角αs附近出現不可抑制的機頭上仰，造成飛機失速。縱向操縱效能可以分解為以下量化指標：

①單位過載所需桿力Fnze、桿位移dnze、升降舵偏度δnze；②桿力-桿位移特性Fe=f（de）。

對于采用電傳飛行控制系統的飛機，操縱桿與對應氣動舵面之間沒有直接機械連接，桿力-桿位移特性由人感系統提供。桿力、桿位移與升降舵偏度的關系可通過縱向通道增益進行調節，因此，縱向操縱效能應重點考察單位過載所需的升降舵偏度δnze。在過載不便于計算時，也可用單位俯仰角加速度所需升降度偏度表征縱向操縱效能。

由以上分析可知，縱向操縱效能可由單位過載所需升降舵偏度δnze表征。

考察飛機由定常平飛轉入以一定過載做定直拉升運動的情況。與同飛行高度、飛行速度的定直平飛相比，為增加法向過載實現軌跡上彎，須相應增加迎角Δα；同時，為保持飛行器高度拉升過程中迎角不變，飛行器的俯仰角速度q必須與圓周運動角速度Ω相等。而Δα和q的大小均與法向過載增量Δnz有關。

波音公司經過大量實驗，給出了評價縱向操縱效能的定量準則[10]：

式中：δe是升降舵偏轉角度，θ··表示俯仰角加速度。俯仰角加速度θ··表征飛機俯仰運動的加速能力和俯仰力矩的大小，反映了飛機規避無意機頭上仰的能力。

3.10 記錄參數及分析

根據定量化分析結果，記錄以下試驗參數并應用縱向飛行品質定量準則進行分析：①重量、重心、襟縫翼位置、起落架位置；②高度、速度；③縱向操縱力、縱向操縱位移；④升降舵偏度、水平安定面偏度；⑤俯仰角、滾轉角；

⑥迎角；⑦法向過載；⑧俯仰角速度；⑨發動機油門桿位置。

4 飛行品質評估關鍵問題說明

4.1 評估試驗對飛行員的要求

飛行員作為評估試驗回路中的一個重要環節，選擇飛行員時需要嚴格要求飛行員的資質與背景，盡量選擇具有多種主流型號民用飛機飛行經驗的飛行員，盡量使飛行員的飛行時間、飛機型號、年齡、身高等方面形成梯度化，并具有較大的跨度。飛行員在環評估試驗對飛行員的具體要求見表2。

4.2 評估試驗前準備工作

（1）構型控制。在評估試驗之前，需評估其模擬器構型狀態能否滿足評估試驗的構型要求。在模擬器硬件方面，從平臺設備、試驗件、仿真件對工程模擬器試驗設備技

術狀態及是否符合試驗要求進行說明。在模擬器軟件方面，從工程模擬器平臺軟件和工程模擬器飛機本體及系統仿真模型的版本以及技術狀態進行說明。

（2）模型測試。為了確保工程模擬器代表完整與真實的飛控系統和系統環境，在工程模擬器用于評估試驗之前，系統集成人員對工程模擬器的氣動力、控制律、傳感器、作動器、發動機推力等模型進行測試驗證。

4.3 評估試驗后的決策

由于飛行員在飛行時間、所飛機型、年齡以及對電傳飛機操縱原理的理解等存在差異，對同一個試驗科目的評估意見可能差異很大，甚至可能是完全相反的，如何在有限的飛行員意見中進行取舍，是一件非常難以抉擇的事。控制律設計專業通過定量化分析試驗結果數據，結合飛行員的資質以及適航規章對飛行員評估意見篩選并酌情采納，對于會產生重大設計更改的意見，控制律設計人員將根據適航風險、型號研制進度和更改設計成本等因素對飛行員意見進行深入地權衡分析，最終形成明確的整改意見。

4.4 定量化分析的難點

飛行品質定量化分析是一項長期的工作，CCAR-25中有關飛行品質的定性要求轉化為對飛機和飛行控制系統參數的要求需要大量的實際工作經驗和研究；同時，要研究這些指標的具體取值范圍與飛行品質好壞程度的對應關系，需要通過試飛、仿真等大量試驗，才能確定飛行品質各個等級的指標要求。經過不斷研究，民機飛行品質定量化評估應當遵循以下原則和方法：

（1）民機飛行品質評估必須以適航性條例為基礎，應當在最大范圍內將適航條例的定性要求定量化。

（2）可以借用成熟的軍機飛行品質的評價方法，但必須深入研究，對具體指標進行修改，使之適合民機飛行品質評估。

5 結語

本文從工程模擬器上開展民機飛行品質評估角度出發，詳細闡述了使用定性分析和定量分析相結合的方式對民機飛行品質綜合評估的思路，并通過具體評估試驗實例驗證飛行品質評估試驗分析方法的可行性、有效性和完備性，并對飛行品質評估需要注意的關鍵點進行了總結分析。本文介紹的飛行品質評估方法和評估流程為探究使用工程模擬器開展飛行品質的綜合評估提供了參考，具有工程實踐意義。

參考文獻：

[1] 孫國慶.飛行品質軟件包設計與開發[D].西安：西安電子科技大學，2006.

[2] 中國民用航空總局.CCAR-60-2005.中國民用航空規章第60部，飛行模擬設備的鑒定和使用規則[S].

[3] COOPER R J， HAEPER R J Jr. The use of pilot rating scale in the evaluation of aircraft handling qualities [J]. NASA TND-5313， 1969.

[4] HARPER R P， COOPER G E . Handing qualities and pilot evaluation[C]. Wright Brothers Lectureship in Aeronautics， Virginia， 1984.

[5] MAYER J， COX T H. Evaluation of two unique side stick controllers in a fixed-base flight simulator[R]. NASA/TM-2003-212042，Dec 2003.

[6] 中國民用航空總局. CCAR-25-R4-2001.中國民用航空規章第60部，飛行模擬設備的鑒定和使用規則[S].

[7] 王立新.適航性條例、飛行品質規范和設計準則[J].飛行力學，2000，18（2）：1-4.

[8] 張雅妮，李巖，金鐳.電子飛控飛機的飛行品質適航驗證[J].飛行力學，2012，30（2）：118-119.

[9] 高金源，等.飛機飛行品質[M].北京：國防工業出版社，2003.

[10] 程澤蔭.民航飛機適航飛行品質初探 [J].飛行力學，1994，12（1）：13-22.

[11] Flight test guide for certification of transport category airplanes. 25-7C[S]. Federal Aviation Administration ANM-110， 2012.

（責任編輯：江 艷）