淺述用于飛行品質培訓的飛行模擬器構建

摘 要 針對試飛員飛行品質評價訓練的需求，以飛機動力學原理為基礎，在根據飛行品質特性反推氣動導數進行動力學建模的基礎上，利用六自由度運動系統及可變人感特性的操縱加載系統，建立了一套專門用于試飛員飛行品質評價訓練的地面飛行模擬系統，實現了不同飛行品質特性的全量飛行模擬，提高了試飛員飛行品質評價訓練的效率和安全性，降低了培訓成本。

關鍵詞 飛行品質;動力學建模;飛行模擬器;試飛員培訓

引言

試飛員飛行品質評價訓練是試飛員培訓的一項關鍵內容，變穩飛機在試飛員飛行品質培訓方面有非常重要的作用[1]，它通過控制律調參來改變飛機的飛行品質，可以讓試飛員在同一飛行條件下感受不同的飛行品質特性，但受平臺飛機能力的限制，變穩飛機能夠模擬的飛行品質特性的范圍和種類有限，而飛行模擬器在這方面沒有限制，而且具有培訓成本低、效率高的優勢[2]。本文針對試飛員飛行品質評價訓練的需求，在根據飛行品質特性反推氣動導數進行動力學建模的基礎上，利用六自由度運動系統以及可變人感特性的操縱加載系統，建立了一套專門用于試飛員和試飛工程師飛行品質體驗及評價訓練的地面飛行模擬系統。通過該系統，學員可以體驗不同的飛行品質特性以及操縱系統特性，實現了不同飛行品質特性的全量飛行模擬。

1飛行動力學建模

有人駕駛飛機（固定翼）飛行品質標準[2]對于不同類型、不同等級的飛行品質特性有不同的要求，針對試飛員飛行品質評價訓練的需求，按照需要模擬的飛行品質特性，以某飛機的氣動參數為基礎，根據這些飛行品質特性要求去反推所需的氣動參數，經過適當的簡化后，通過常規的飛機動力學建模和仿真方法，來實現不同飛行品質特性的全量飛行模擬，以滿足試飛員和試飛工程師飛行品質體驗和評價訓練的需求[3]。

1.1 縱向動力學建模

縱向需要模擬的飛行品質特性主要包括縱向靜穩定性、機動穩定性和短周期模態，要模擬不同的縱向飛行品質特性，需要反推的氣動導數有、和，得到這些氣動導數后，就可以實時解算飛機的縱向操縱響應。

縱向靜穩定性主要由決定，縱向機動穩定性主要由和決定，表達式見公式（1）和公式（2），式中和別為機翼和平尾產生的附加升力，和分別為機翼和平尾的氣動力力臂。移動重心將直接改變機翼氣動力力臂和平尾氣動力力臂，其實質是改變了和，但力臂通常要比大得多，而重心移動的范圍又非常小，所以近似地認為是不變的。建模時可通過僅改變來模擬重心位置的移動對飛機靜穩定性和機動穩定性的影響。

由于、相對較小，影響飛機短周期頻率的主要參數為，影響短周期阻尼比的主要參數為，因此在給定短周期頻率與阻尼比的情況下，通過調整飛機氣動參數、和，就可以使模型能夠呈現期望的頻率和阻尼比。

1.2 ?橫航向動力學建模

橫航向需要模擬的飛行品質主要包括航向靜穩定性、橫向靜穩定性、有利/不利偏航、荷蘭滾模態、滾轉模態和螺旋模態，需要反推的氣動導數有、和等，得到這些氣動導數后，就可以實時解算飛機的橫航向操縱響應。

航向靜穩定性主要由決定，其表達式為公式（4）。建模時固定橫航向其他氣動參數，僅通過改變即可模擬不同的航向穩定性。

螺旋模態的穩定條件由“”的值決定，大于零時，螺旋模態收斂;小于零時，螺旋模態發散;等于零時，螺旋模態為中性。因此，建模時利用荷蘭滾模態確定氣動導數、和的基礎上，通過調整，即可模擬不同性質、不同品質等級的螺旋模態。

2人感系統

為了使試飛員能夠體驗不同的操縱系統特性，采用了可變人感特性的電動操縱加載系統[5]。電動操縱加載系統能夠提供光滑、平穩的力感覺，可對操縱系統的啟動力、死區、阻尼比、摩擦力、最大操縱力、最大操縱速度、最大操縱位移等特性進行設置。操縱加載系統能夠在不同的模式下工作，包括正常飛行（力回路）、凍結、配平、零力、彈簧等。

針對試飛員培訓的需求，羅列了俯仰通道和滾轉通道需要模擬的操縱特性，內容如表1所示。在培訓過程中，可通過控制臺軟件，實時對操縱系統特性進行更改，提高培訓的效率。

3運動系統

運動系統可模擬飛機縱向、升降、橫向、俯仰、橫滾和航向六自由度運動，能夠為駕駛員提供瞬時過載感覺，并可對飛機起飛、著陸觸地和失速抖振等特殊效果進行模擬。運動系統對于飛行品質體驗和評價訓練非常重要，能夠給訓練人員提供接近真實飛機駕駛艙內的運動感覺，提高訓練的逼真度。運動系統采用六自由度電動運動平臺，具有響應速度快、可靠性高、使用維護方便、噪聲小等優點。該系統由運動系統機械結構、電氣控制柜、氣動支撐系統和運動控制計算機及其軟件組成，其主要技術指標見表2。

4控制臺軟件

控制臺軟件主要負責飛行品質評價訓練內容的設置、運動平臺狀態的監控以及整個模擬流程的控制（包括停止、復位、運行、暫停等功能）。

5任務考核

學員在建立的飛行品質評價訓練模擬器上完成相應的培訓后，教員可以通過控制臺設置不同的飛行品質特性和操縱系統特性，讓學員在模擬器上進行模擬飛行任務考核，學員通過自己設計試飛方法，去判斷飛機縱向和橫航向的品質特性以及操縱系統特性，最后將評價結果和控制臺設置的內容進行對比，判斷評價的準確性。

6結束語

本文在根據飛行品質評價訓練需求反推氣動導數進行動力學建模的基礎上，利用六自由度運動系統以及可變人感特性的操縱加載系統，建立了一套專門用于試飛員飛行品質評價訓練的地面飛行模擬系統。通過該系統，學員可以體驗不同的飛行品質特性以及操縱系統特性，進行不同飛行品質特性的全量飛行模擬，相比變穩飛機的飛行培訓，提高了試飛員飛行品質評價訓練的效率和安全性，降低了培訓成本，對試飛員培訓工作的開展具有重要作用。

參考文獻

[1] 周自全，趙永杰.空中飛行模擬與電傳飛機飛行試驗[J].飛行力學， 2005，23（1）：19-22.

[2] 張曉敏，潘運亮，黨維.試飛駕駛技術地面模擬評價方研究[J].飛行力學，2014，32（3）：273-276.

[3] GJB185-86.有人駕駛飛機（固定翼）飛行品質[S]. 北京：中國標準出版社，1986.

[4] 劉超，劉智漢，黨維.用于飛行品質評價訓練的動力學建模方法[J].飛行力學，2014，32（3）：193-196.

[5] 夏書潔.飛行模擬機液壓與電動操縱加載系統的對比[J].航空維修與工程，2012，（5）：66-67.

作者簡介

劉智漢（1983-），男;學歷：碩士，工程師，現就職單位：中國飛行試驗研究院，研究方向：飛行仿真。