虛擬試飛關鍵技術及應用研究

沈 玙 肖 剛* 魯岱曉 田 蓓

(1. 上海交通大學，上海 200240； 2. 上海飛機設計研究院，上海 201210)

1 虛擬試飛概念

虛擬試飛(Virtual Flight Test，簡稱VFT)的概念在1995年由Ratliff等人首次提出[1-2]。為了使地面測試設施和飛行器飛行實驗活動在設計階段就參與進飛行器的生命周期，從而削減實驗成本，提升設計效率，美國阿諾德工程發展中心(Anold Engineering Development Center，簡稱AEDC)的Ratliff等人將現場或場外的風洞等多種地面設施進行連接，從而對多個子系統整合形成的飛行器復雜整體系統進行測試，實現了基于風洞的虛擬試飛。

在該階段，他們將VFT定義為：運行于模擬飛行場景下，基于包括地面測試設施、指令單元、控制單元、戰場調度單元等設施在內的現場/場外測試與評估(Test and Evaluation，簡稱T&E)設施間的閉環連接，同時測試評估各子系統運行情況，在試飛前確認、驗證、認證飛行系統運行情況的粗略模擬手段[1-2]。

在之后的發展過程中，飛行模擬、空地一體化試飛、數字試飛等概念隨著計算機技術的演進不斷被提出，虛擬試飛這一概念指涉的范圍開始逐漸擴大，同時也在逐漸模糊。國防科技大學的HUANG Min認為VFT應當特指基于風洞的虛擬試飛，而空地一體化虛擬試飛應當使用飛行模擬(Flight Simulation)指代[3]。南京航空航天大學的顧宏斌認為，分析虛擬試飛概念，應當對飛行過程中所涉及的人員、飛行器、環境是真實的還是采用了數字仿真等等效手段進行討論。凡是其中含有一個或多個采用了仿真手段的“虛”環節的，即可稱為虛擬試飛。而在虛擬試飛中間，依照不同的“虛”環節，又可以分為幾大子類，如表1所示。

表1 虛擬試飛分類

上述虛擬試飛手段與傳統的實機試飛相比，具有以下幾點不同：

1)可靠性

實機試飛幾乎能夠完全模擬出飛行器投入使用后真實運行的情況，逼真度高，試飛得出的結果、結論可靠性強，也是目前法定的驗證手段。

虛擬試飛結果的可靠性需要視建模數據、模型方法等綜合判斷。目前虛擬試飛的模型精確度尚未發展到足以取代或部分取代實機試飛的程度，中國的適航條款也尚不允許使用虛擬試飛技術取得的結果替代實機試飛工作。

2)經濟性

虛擬試飛成本低廉，模型在完成建立后，其維護成本、運行成本極低。

實機試飛技術難度大，飛行器運行過程中需要消耗燃油，試飛任務之間需要對試飛駕機進行維護、改裝，都會產生巨大成本。

3)安全性

實機試飛當中，難以進行故障狀態試飛，試飛危險科目時需要承擔極大風險。一些具有極高危險性，或將會對飛行器造成重大損傷的科目，如雙發失效、火災等，無法在實機試飛中進行。在試飛較危險科目時，一旦發生意外，也將造成巨大的人員損失和經濟損失。實機試飛中，一旦可能出現危險情況，必須馬上改出，無法繼續完成試飛任務。

進行虛擬試飛時，對高危險性科目限制較少，尤其是進行虛擬程度較高的飛行模擬或數字試飛時，在此方面幾乎不存在限制。

4)環境依賴度

在進行實機試飛時，一方面，部分科目對氣候環境有特殊要求，如要求大側風、高寒、高濕、高熱等等，因而對外部氣候環境高度依賴。另一方面，在執行一般科目時，外部的氣候環境不可能保持處處均勻穩定，因而有可能在數據分析時因為外部環境影響而引入無關變量，給數據分析造成困難。

而在虛擬試飛中，外部環境是可以調節的參數，因此既不存在需要等待某種氣候現象出現的情況，也不存在需要排除外部環境引入的無關變量的情況，環境依賴度低。

5)反饋速度

實機試飛一般發生在產品生命周期中靠后的環節，對設計環節的反饋周期長，影響研發效率。

虛擬試飛可以參與從需求分析、方案論證、設計、試飛直至訓練使用的全生命周期，試驗周期短，反饋速度快，可以提升研發效率，允許設計人員在項目初期以較少的時間和經濟代價對設計方案進行優化。

2 地面試飛

2.1 概念界定

在虛擬試飛過程中不對飛行員和飛行器進行模擬，但通過特定手段在地面實驗室環境中對飛行過程中的外部環境進行仿真模擬的虛擬試飛手段被定義為地面試飛。1995年，在VFT概念誕生之初， Ratliff的團隊[1-2]通過在風洞中安置飛行器，研究氣體流動及其與模型的相互作用，這種基于風洞的虛擬試飛方法就是地面試飛的一種。

2.2 應用范圍

在概念誕生之初，美國阿諾德工程發展中心主要使用基于風洞的VFT實現對原始設計概念的確認、驗證與評估，評估各子系統的運行情況，在試飛前粗略地對整合后的飛行系統運作情況進行初步模擬，也使用VFT手段進行快速地配平計算。在該階段VFT不能代替真實的飛行測試，只能起輔助作用[1-2]。

2002年Baltes提到，隨著虛擬試飛概念的不斷成熟，EADS在軍機上使用基于風洞的VFT手段進行飛行測試的預演，以檢查飛行任務單中的飛行機動項目以及試飛科目順序是否具備可行性。同時，EADS也使用VFT手段進行飛行包線的拓展和總體武器系統性能的確認。在這一階段，EADS可以使用VFT代替一定占比的真實試飛任務[4]。

2.3 實現方法

基于風洞的虛擬試飛實現原理如圖1所示[5]。一套允許被測試物體在若干自由度上自由運動的設備將需要進行虛擬試飛的硬件懸掛在風洞中，隨后控制指令從自動駕駛單元傳輸到被測試物體上的控制執行機構。控制執行機構被激活后，在被測試物體發生響應時，相應的空氣動力學載荷和模型的移動將會被測量。測得信息被傳送到數據獲取計算機，計算機隨后依據測得信息給出飛行器在真實飛行狀況下應當給出的響應。該響應信息進一步通過遙測技術被反饋到自動駕駛單元。在控制指令依據新的反饋信息給出更新過后的控制指令后，新的指令被發送到被測試物體上的控制執行機構。

圖1 基于風洞的虛擬試飛原理示意圖

通過不斷迭代這一過程，被測試物體在虛擬意義上飛行在風洞環境當中，從而提供了一套地面模擬結果。基于這一地面模擬結果，可以相應地演示和評估集成后的飛機器結構與飛控系統的工作表現。

3 空地一體試飛

3.1 概念界定

米毅等認為空地一體化試飛可以被定義為一種具有“試飛員在環”特征的地面飛行模擬。這一技術能夠在空中試飛員執行試飛任務過程中實時采集其對飛機的輸入(如側桿、腳蹬及油門情況等)，從而驅動高逼真試飛模型。利用這一技術可允許地面試飛人員獲取精確的、同步的飛機模擬仿真結果，并進一步通過數據同步軟件實現對飛行模擬仿真結果與空中實機試飛數據的實時監控與對比。通過分析對比監控偏差的幅值，監控人員可以對試飛機組給出當前試驗點或下一個試驗點的執行建議，甚至在危險情況下叫停試飛任務[6]。

根據美國NASA的論斷，空地一體試飛技術被認為是一種“非常重要的新機試飛工具”。20世紀90年代，NASA就已在其進行的X-29飛機項目當中首次進行了空地一體監控試飛，通過實時對比試飛數據與仿真數據，保障試飛安全。

3.2 應用范圍

2013年，劉華勇在《航空器虛擬試飛技術》[7]中總結了虛擬試飛的五類應用領域，分別是：

(1)試飛預研課題所需飛行動態仿真數據生成；

(2)試飛任務單在環優化驗證；

(3)試飛定常狀態信息定量預測；

(4)實時試飛動作質量監控；

(5)實時試飛安全對比監控。

總體而言，空地一體化虛擬試飛的應用范圍較基于風洞的虛擬試飛而言更為廣泛。

3.3 實現方法

空地一體化虛擬試飛實現原理如圖2[6]所示。

圖2 空地一體化虛擬試飛原理示意圖

試驗機在空中執行試飛任務的同時，通過遙測技術將操縱信息、飛行狀態傳回地面設施。傳回的遙測數據經預處理后傳入模型仿真系統。由預先根據實際情況建立的動力學模型、發動機模型等各子模型整合形成的模型仿真系統對傳入的實時數據進行快速計算，輸出實時仿真數據。

一方面，實時仿真數據經由若干決策支持模塊處理后，傳遞給試飛工程人員，提供實時決策能力支持；另一方面，實時遙測數據當中包含的飛行器真實飛行狀態與模型仿真系統輸出的理論設計狀態，即實時仿真數據被一并傳入實時輔助監控模塊，進行對比分析，以便試飛工程人員及時發現飛行器可能遭遇的異常情況。

接收來自決策支持系統和實時輔助監控模塊的信息后，試飛工程人員結合實際情況、模擬結果、兩者間的偏離情況，綜合作出判斷，并對空中的試飛人員實時給出補點、改出等建議。試飛人員結合地面信息對飛行器下達操縱指令，并且飛行器再次將操縱指令信息和飛行器響應信息傳回地面。這一過程不斷循環，直到試飛任務結束。

同時，空地一體化虛擬試飛系統也可以脫離試驗機，通過向模型仿真系統傳入特定的飛行狀態信息、指令信息，以單機離線形式給出飛行模擬結論。

4 應用現狀

近幾年，以波音、空客為首的裝備制造商為加快適航取證進度，逐步開展了空地一體虛擬試飛的研究，并應用于型號試飛，已完成飛行試驗的轉型升級[8]。空地一體化虛擬試飛技術是當前波音、空客等公司建立“預測-飛行-比較”空地一體化試飛技術體系和構建數字化試飛平臺的核心技術，通過空地數據鏈路傳輸將空中飛機的實時響應與地面虛擬試飛結果進行同步對比監控，根據對比偏差監控試飛質量、保障試飛安全，從而為企業帶來良好的社會效益和經濟效益。典型代表包括：波音公司針對其787夢想客機所開發的ZA000虛擬地面仿真平臺；NASA Langley研究中心開發出的AirSTAR實驗平臺；瑞典薩博集團公司開發的基于實時同步模擬的試飛仿真驗證系統等。

國內的虛擬試飛研究，尤其是在民機方面的研究水平相對國際先進水平差距明顯，但也已經取得了很多成果，既有針對虛擬試飛理論框架的研究[9]，也有基于虛擬試飛的評估方法研究[10-13]，一些較為典型的研究成果如下：2008年，北京航空航天大學的李敬磊等闡述了虛擬試飛系統的組成及功能，以短周期運動為例，對虛擬試飛方法和虛擬試飛技術進行了研究[14]；2012年，中國飛行試驗研究院的王延路等以某型客機適航審定試飛工程為背景，提出了一套適合民機適航審定試飛的空地一體化綜合監控網絡系統解決方案[15]；2012年，中航工業試飛中心設計了飛行試驗實時與仿真數據綜合監控平臺，經過驗證完全可以達到設計需求[16]；2015年，成都飛機工業集團有限責任公司飛行試驗中心研究了高精度飛行動態仿真數據生成、試飛任務在環優化驗證、試飛安全實時對比監控等技術，初步創建了“虛擬試飛”的基本模式[7]。

5 應用研究

分析虛擬試飛的國內外應用現狀可以發現，目前國內的空地一體試飛技術以研究為主，輔助實際飛行試驗的應用案例較少。對于如何對空地一體試飛平臺進行裝備論證，以便后續實際應用空地一體試飛作為飛行試驗的輔助手段，本文提出一種方案。

5.1 流程概述

空地一體試飛平臺實際應用前的裝備論證流程，應當包括平臺架構分析、業務分析、服務設計、系統架構等四個階段。各階段基本實現內容如下：

1)平臺架構分析：在全局視角下，定義典型業務場景；在能力視角下定義業務場景需求的頂層能力。

2)業務分析：在活動視角下，分析體系業務流程，梳理實現頂層能力所需活動。

3)服務設計：在服務視角下，分析具體活動由哪些功能來實現。

4)系統架構：在系統視角下，梳理具體節點功能由哪些系統來實現。

5.2 平臺架構分析

明確空地一體試飛平臺應用于哪些運行場景，需要滿足運行場景中何種應用需求，需要具備何種能力，將業務場景作為需求的源頭進行科學分析，以確保空地一體試飛平臺的論證工作始終保持正確的方向；并且針對試飛任務中產生的實際需求，對使命任務進行分解，為全面進行系統設計和系統論證提供支持。

5.3 業務分析

業務流程分析從運行層面考慮空地一體試飛平臺運行過程中不同業務執行單位如何配合以完成相應任務，最終達成運行使命需求。在此階段主要分析運行過程中業務執行單位間的關聯關系以及整個業務流程。通過業務使命/任務分解，確定相應的業務執行單位；確定業務執行單位參與的運行任務，然后進行運行活動分析，在此過程中應盡可能詳細地考慮運行過程中的各種不確定因素。然后逐條分析運行規則，確認業務執行單位應具備的狀態以及運行活動。

5.4 服務設計

在完成業務流程分析和建模后，參與空地一體試飛平臺架構的業務執行單位尚不清楚如何劃分具體的執行系統，以使用空地一體試飛平臺輔助完成試飛任務。服務行為分析的主要內容是針對空地一體試飛平臺架構中的業務執行單位進行分析，定義服務節點和服務接口，將服務接口與業務接口實現連接，然后進行服務功能分析，在此過程中應盡可能詳細地考慮服務執行過程中的各種不確定因素。然后逐條分析執行規則，確認服務節點應具備的狀態以及執行活動。通過服務行為的分析，明確空地一體試飛平臺架構中的業務執行單位可劃分成哪些具體的執行系統。

5.5 系統架構

系統行為分析的主要內容是針對空地一體試飛需求，設計空地一體試飛平臺典型運行場景，以及空地一體試飛任務具體執行系統的體系架構。首先進行的是執行系統方案選擇，確定可參與的執行系統，接下來進行空地一體試飛流程分析，對每個空地一體試飛能力分配相應的執行系統功能。對執行系統的接口、系統活動、系統時序、系統狀態轉換進行分析。

6 結論

本文對虛擬試飛概念的提出、演進過程進行了研究，對現況下虛擬試飛這一技術概念應當包含的具體內容進行了討論，認為凡是試飛環節中含有一個或多個采用了仿真手段的環節的，即可被稱為虛擬試飛的定義是合理的。本文進一步研究了地面試飛和空地一體試飛這兩種典型的虛擬試飛形式，分析了其具體技術概念、適用范圍、實現原理、應用現狀等，并針對國內空地一體試飛實際應用較少的情況，提出了一套用于評估在實際飛行試驗中引入空地一體試飛平臺可行性的裝備論證方案。在下一階段的研究中，可以依照此方案對空地一體試飛平臺在中國民機行業當前發展情況下，對飛行試驗工作的適用性進行詳細論證。

致謝：

特別感謝上海航多航空技術有限公司的朱亮博士在成稿過程中提供的指導幫助。