直升機(jī)模擬器的現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢(shì)研究

衡寧波，汪 沛

（空軍航空大學(xué)軍事仿真技術(shù)研究所，吉林 長(zhǎng)春 130022）

目前，軍用直升機(jī)已逐步成為一種現(xiàn)代化的高技術(shù)軍事裝備，受到世界各國(guó)的關(guān)注。而能否擁有型號(hào)齊全、技術(shù)先進(jìn)、性能優(yōu)越的軍用直升機(jī)，已成為衡量一支軍隊(duì)現(xiàn)代化水平的標(biāo)志之一，同時(shí)也是衡量一個(gè)國(guó)家武器裝備先進(jìn)程度的標(biāo)志之一。據(jù)統(tǒng)計(jì)，在世界196個(gè)國(guó)家和地區(qū)中，有155個(gè)國(guó)家和地區(qū)擁有各種不同類(lèi)型的軍用直升機(jī)，也就是說(shuō)全世界近80%的國(guó)家和地區(qū)擁有并使用軍用直升機(jī)，尤其是美國(guó)的軍用直升機(jī)的數(shù)量近乎占了全世界軍用直升機(jī)總數(shù)量的一半。這進(jìn)一步證明了軍用直升機(jī)在軍事裝備建設(shè)和現(xiàn)代化戰(zhàn)爭(zhēng)中的重要地位。

近幾年，世界各國(guó)在直升機(jī)的許多新概念、新技術(shù)、新功能等方面對(duì)戰(zhàn)術(shù)對(duì)抗、戰(zhàn)法演練、協(xié)同作戰(zhàn)、裝備訓(xùn)練提出了新的要求，而隨著仿真技術(shù)的日漸成熟，直升機(jī)模擬器的出現(xiàn)，成為解決這些課題的重要手段。直升機(jī)模擬器應(yīng)用于軍事領(lǐng)域，主要表現(xiàn)在飛行試驗(yàn)、飛行駕駛訓(xùn)練和聯(lián)網(wǎng)軍事訓(xùn)練等方面。運(yùn)用直升機(jī)模擬器進(jìn)行訓(xùn)練，可以不受外界氣象條件、飛行場(chǎng)地和空域的限制，降低飛行人員和飛機(jī)的風(fēng)險(xiǎn)，節(jié)約訓(xùn)練經(jīng)費(fèi)。另外，模擬器還可以模擬特情設(shè)置和訓(xùn)練，評(píng)定飛機(jī)性能，考核飛行訓(xùn)練技能。整個(gè)模擬訓(xùn)練過(guò)程具有可控性、可靠性、經(jīng)濟(jì)性和無(wú)破壞性。

直升機(jī)模擬器，按其類(lèi)型和復(fù)雜程度的不同，結(jié)構(gòu)也就不盡相同。一般的數(shù)字計(jì)算機(jī)控制的直升機(jī)模擬器，其基本分為以下5個(gè)部分：計(jì)算機(jī)系統(tǒng)、視景系統(tǒng)、運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)、教員指揮控制臺(tái)和模擬座艙。直升機(jī)模擬器的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

圖1 直升機(jī)模擬器的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

1 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)

計(jì)算機(jī)系統(tǒng)是直升機(jī)模擬器中最重要的部分，相當(dāng)于直升機(jī)模擬器的神經(jīng)中樞，該系統(tǒng)承擔(dān)著控制各個(gè)系統(tǒng)和解算數(shù)學(xué)模型的任務(wù)。計(jì)算機(jī)將實(shí)時(shí)采集的飛行員操縱信息和教員控制指令信息與直升機(jī)各個(gè)系統(tǒng)變化規(guī)律進(jìn)行解算，并將計(jì)算得到的各種參數(shù)輸往視景、儀表、音響、運(yùn)動(dòng)等各個(gè)系統(tǒng)，使飛行員從視覺(jué)、觸覺(jué)、聽(tīng)覺(jué)等方面感受“飛機(jī)”的飛行情況。計(jì)算機(jī)系統(tǒng)通常由數(shù)字計(jì)算機(jī)、過(guò)程通道和軟件系統(tǒng)等組成。這里主要介紹軟件系統(tǒng)，即直升機(jī)飛行動(dòng)力學(xué)系統(tǒng)。

飛行動(dòng)力學(xué)系統(tǒng)是模擬器中最主要的一個(gè)軟件系統(tǒng)，主要進(jìn)行仿真直升機(jī)空氣動(dòng)力特性，解算直升機(jī)的六自由度非線(xiàn)性全量運(yùn)動(dòng)方程，仿真直升機(jī)飛行時(shí)旋翼、機(jī)身和尾槳等及其相互間影響的力和力矩，模擬大氣環(huán)境對(duì)飛直升機(jī)的影響。典型飛行動(dòng)力學(xué)系統(tǒng)的組成如圖2所示，其主要由氣動(dòng)模塊、運(yùn)動(dòng)方程模塊、旋翼模塊、尾槳模塊、質(zhì)量模塊、環(huán)境模塊和動(dòng)力模塊等組成。

圖2 直升機(jī)飛行動(dòng)力學(xué)系統(tǒng)的組成框圖

1.1 發(fā)展現(xiàn)狀

直升機(jī)模擬器的氣動(dòng)理論，主要建立在直升機(jī)相關(guān)理論基礎(chǔ)上，國(guó)內(nèi)外在直升機(jī)空氣動(dòng)力學(xué)領(lǐng)域的某些理論和技術(shù)，取得了突破性進(jìn)展，主要表現(xiàn)在以下3個(gè)方面：

（1）旋翼氣動(dòng)理論和方法及其應(yīng)用研究。旋翼空氣動(dòng)力學(xué)是直升機(jī)空氣動(dòng)力學(xué)的關(guān)鍵和基礎(chǔ)，目前對(duì)旋翼氣動(dòng)理論和方法的研究，主要進(jìn)行自由尾跡方法和旋翼CFD方法的研究。目前對(duì)于旋翼自由尾跡的研究，國(guó)外構(gòu)建了以松弛尾跡求解準(zhǔn)定常氣動(dòng)特性和時(shí)間推進(jìn)方法分析非定常氣動(dòng)特性的兩大計(jì)算體系，并逐步引入槳葉彈性影響分析旋翼的氣動(dòng)彈性響應(yīng)特性[1]。鑒于直升機(jī)旋翼流場(chǎng)較固定翼的復(fù)雜性，對(duì)旋翼CFD方法的研究經(jīng)歷了4個(gè)階段，即小擾動(dòng)位勢(shì)方程、全位勢(shì)方程、Euler方程和Navier-Stokes方程階段[2]，但對(duì)于旋翼CFD方法的研究，還只是處于理論階段，離工程實(shí)用階段還需要進(jìn)一步的努力。

直升機(jī)飛行動(dòng)力學(xué)研究核心，是具有直升機(jī)運(yùn)動(dòng)特性的飛行動(dòng)力學(xué)數(shù)學(xué)仿真模型。目前的飛行動(dòng)力學(xué)模型，主要采用彈性槳葉模型，并且將自由尾跡分析引入飛行動(dòng)力學(xué)建模，但此模型存在數(shù)值穩(wěn)定性較差和計(jì)算量較大等問(wèn)題，還無(wú)法用于實(shí)時(shí)飛行仿真研究。系統(tǒng)辨識(shí)方法已成為新機(jī)研制和改型設(shè)計(jì)中的重要工具，其主要是從飛行測(cè)試得到的操縱輸入和直升機(jī)響應(yīng)之間的關(guān)系，辨識(shí)出直升機(jī)的氣動(dòng)導(dǎo)數(shù)和操縱導(dǎo)數(shù)，從而得到基于飛行試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析結(jié)果的飛行動(dòng)力學(xué)模型。

（2）直升機(jī)氣動(dòng)試驗(yàn)研究。目前，直升機(jī)氣動(dòng)試驗(yàn)技術(shù)和手段比較成熟。在翼型氣動(dòng)特性試驗(yàn)方面，對(duì)于翼型的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)氣動(dòng)特性（分離、轉(zhuǎn)捩位置等參數(shù)）的測(cè)量較為準(zhǔn)確。在孤立旋翼氣動(dòng)特性試驗(yàn)方面，對(duì)旋翼性能、流場(chǎng)、槳葉表面壓力分布、載荷等方面的試驗(yàn)研究較為成熟，還具有開(kāi)展邊界狀態(tài)的非定常氣動(dòng)特性試驗(yàn)?zāi)芰ΑＴ谠囼?yàn)手段方面，LDV和PIV應(yīng)用技術(shù)、微型動(dòng)態(tài)壓力傳感器、壓敏漆PSP技術(shù)、噪聲測(cè)量技術(shù)以及試驗(yàn)結(jié)果處理技術(shù)都比較成熟。

1.2 發(fā)展趨勢(shì)

（1）高精度、高效率的CFD方法將成為分析直升機(jī)氣動(dòng)特性的主要理論，同時(shí)通過(guò)對(duì)旋翼CFD方法與CSD方法和噪聲理論的耦合研究，可以綜合解決直升機(jī)的氣動(dòng)和動(dòng)力學(xué)問(wèn)題。

（2）直升機(jī)的氣動(dòng)設(shè)計(jì)更加注重多目標(biāo)、多學(xué)科的綜合優(yōu)化設(shè)計(jì)，通過(guò)提升基于氣動(dòng)、動(dòng)力學(xué)、聲學(xué)等多學(xué)科的直升機(jī)性能、振動(dòng)、噪聲等目標(biāo)特性最優(yōu)的設(shè)計(jì)能力，將有效地提高直升機(jī)的舒適度、安全性，延長(zhǎng)使用壽命。

（3）氣動(dòng)分析和設(shè)計(jì)研究逐步使用壓敏漆PSP技術(shù)、微型動(dòng)態(tài)壓力傳感器、LDV和PIV應(yīng)用技術(shù)、噪聲測(cè)量技術(shù)等先進(jìn)技術(shù)。

2 視景系統(tǒng)

視景系統(tǒng)是可視操縱模擬系統(tǒng)的重要子系統(tǒng)，飛行員在實(shí)際操縱時(shí)，可以從視景系統(tǒng)提供的視景畫(huà)面中，獲得操縱對(duì)象運(yùn)動(dòng)的環(huán)境狀況的視覺(jué)信息，并由此做出操縱決策和操縱動(dòng)作。視景系統(tǒng)要不斷接收計(jì)算機(jī)的輸入信號(hào)，當(dāng)模擬飛機(jī)沿著所模擬的飛行路線(xiàn)飛行時(shí)，計(jì)算機(jī)不斷計(jì)算飛機(jī)的位置和姿態(tài)，從而不斷地提供適合于每一個(gè)位置和姿態(tài)的視野[3]。

視景系統(tǒng)中運(yùn)用的主要技術(shù)，就是視景仿真技術(shù)，是虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的最重要表現(xiàn)形式。視景仿真綜合運(yùn)用了計(jì)算機(jī)技術(shù)、圖形處理與圖像生成技術(shù)、信息合成技術(shù)、立體影像和音響技術(shù)、顯示技術(shù)等高新技術(shù)。在開(kāi)發(fā)軟件方面，主要利用三維視景建模軟件Multigen Creator建立了直升機(jī)、地形場(chǎng)景的視景模型，以三維仿真軟件包OpenGVS作為圖形開(kāi)發(fā)引擎，利用DOF(Degrees of Freedom)技術(shù)實(shí)現(xiàn)了直升機(jī)旋翼、尾翼以及儀表指針的動(dòng)態(tài)交互，基于VC++集成開(kāi)發(fā)環(huán)境，應(yīng)用Vega API編程技術(shù)，實(shí)現(xiàn)直升機(jī)視景仿真應(yīng)用系統(tǒng)的全部設(shè)計(jì)功能[4]。

3 運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)

運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)主要用來(lái)模擬飛機(jī)的姿態(tài)和速度變化，使飛行員感覺(jué)到飛機(jī)的運(yùn)動(dòng)，并且與真實(shí)飛機(jī)的動(dòng)感相一致。運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)主要運(yùn)用動(dòng)感仿真技術(shù)，即應(yīng)用計(jì)算機(jī)軟件生成特定的驅(qū)動(dòng)激勵(lì)信號(hào)，去驅(qū)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)，同時(shí)產(chǎn)生運(yùn)動(dòng)或抖振的實(shí)時(shí)仿真技術(shù)。

動(dòng)感仿真主要有平臺(tái)式運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)、抖振座椅、抗荷服過(guò)載座椅等方法。動(dòng)感仿真領(lǐng)域主要運(yùn)用六自由度平臺(tái)運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)，其中以飛行模擬器應(yīng)用最多。并聯(lián)六自由度機(jī)構(gòu)有電動(dòng)、氣動(dòng)及液壓驅(qū)動(dòng)3種方式。目前國(guó)內(nèi)外的六自由度運(yùn)動(dòng)平臺(tái)，廣泛采用液壓驅(qū)動(dòng)方式，即由6只液壓缸，上下各6只鉸鏈和上下2個(gè)平臺(tái)組成。下平臺(tái)固定在基礎(chǔ)上，通過(guò)計(jì)算機(jī)軟件和液壓伺服系統(tǒng)來(lái)控制6只液壓缸的伸縮運(yùn)動(dòng)，完成上平臺(tái)在空間6個(gè)自由度的運(yùn)動(dòng)，從而模擬出各種空間運(yùn)動(dòng)姿態(tài)[5]。平臺(tái)的運(yùn)動(dòng)學(xué)特性，利用ADAMS分析軟件進(jìn)行了模擬與仿真[6]。目前國(guó)外出現(xiàn)的電驅(qū)動(dòng)和電、氣混和動(dòng)力的六自由度平臺(tái)技術(shù)，其承載能力也越來(lái)越強(qiáng)，應(yīng)用將會(huì)更加廣泛。

4 教員指揮控制臺(tái)

教員指揮控制臺(tái)是直升機(jī)模擬器的監(jiān)控中心，是教員控制直升機(jī)模擬器各部分的工作，監(jiān)視和控制飛行員操作訓(xùn)練的裝置。一般都有儀表板、航跡記錄儀、控制板、飛行條件給定板、計(jì)算機(jī)的外部設(shè)備、通信設(shè)備和故障設(shè)置板等幾個(gè)部分。

其主要功能為：設(shè)置各種初始參數(shù)（如起飛位置、起飛航向、油量）及氣象條件（場(chǎng)面氣壓、氣溫、風(fēng)速、風(fēng)向、能見(jiàn)度）、記錄飛行參數(shù)和飛行軌跡、設(shè)置故障等。先進(jìn)的教控臺(tái)，還具有維護(hù)檢測(cè)、考核、鑒定等功能。

5 模擬座艙

模擬座艙是直升機(jī)模擬器的主體。直升機(jī)模擬器座艙內(nèi)部的形狀、儀表、信號(hào)設(shè)置、操縱設(shè)備的布局，以及各儀表的指示部分形狀和制式現(xiàn)象，都要與所模擬的真實(shí)直升機(jī)完全一樣，以給飛行員座艙環(huán)境的逼真感。現(xiàn)在多數(shù)直升機(jī)模擬器的座艙，安裝在運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)的上平臺(tái)上，座艙內(nèi)的操縱設(shè)備通常連接著產(chǎn)生負(fù)荷的裝置，稱(chēng)為操縱負(fù)荷系統(tǒng)，可根據(jù)飛行條件產(chǎn)生相應(yīng)的負(fù)荷，使飛行員的手和腳上有操作力的感覺(jué)。座艙內(nèi)還裝有音響模擬系統(tǒng)，可以產(chǎn)生飛行中飛行員所能聽(tīng)到的某些音響效果。

6 結(jié)束語(yǔ)

直升機(jī)模擬器的發(fā)展，有助于新型直升機(jī)的研制與訓(xùn)練，而其中空氣動(dòng)力學(xué)新理論、新方法、新技術(shù)的突破和發(fā)展，直接推動(dòng)著直升機(jī)模擬器的發(fā)展、性能和逼真度的提高。本文重點(diǎn)綜述了直升機(jī)空氣動(dòng)力學(xué)的相關(guān)理論與技術(shù)方法的研究現(xiàn)狀及未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)，論述了直升機(jī)模擬器的研究過(guò)程中仍然存在的難題，提出了一些研究的可行性方法。

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