持續(xù)載荷飛行模擬器過(guò)失速機(jī)動(dòng)過(guò)載模擬

潘文俊 王立新 譚詳升

(北京航空航天大學(xué) 航空科學(xué)與工程學(xué)院，北京 100191)

持續(xù)載荷飛行模擬器過(guò)失速機(jī)動(dòng)過(guò)載模擬

潘文俊 王立新 譚詳升

(北京航空航天大學(xué) 航空科學(xué)與工程學(xué)院，北京 100191)

對(duì)新型的持續(xù)載荷飛行模擬器(SGFS，Sustained G-load Flight Simulator)模擬過(guò)失速機(jī)動(dòng)過(guò)載的方法進(jìn)行了研究.針對(duì)過(guò)失速機(jī)動(dòng)中飛機(jī)角運(yùn)動(dòng)劇烈的特點(diǎn)，推導(dǎo)了考慮飛機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)帶來(lái)的附加過(guò)載的飛機(jī)飛行員過(guò)載計(jì)算公式.在SGFS過(guò)載模擬數(shù)學(xué)模型中應(yīng)用此公式，以典型的過(guò)失速機(jī)動(dòng)動(dòng)作.Herbst機(jī)動(dòng)為例，對(duì)機(jī)動(dòng)時(shí)的飛行員過(guò)載進(jìn)行了仿真研究.仿真中SGFS能夠較精確地跟蹤輸入的飛行員三軸過(guò)載指令，最大誤差小于0.2g.研究結(jié)果表明:過(guò)失速機(jī)動(dòng)時(shí)飛機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)引起的附加過(guò)載不可忽略，同時(shí)也表明SGFS可較好地用于對(duì)過(guò)失速機(jī)動(dòng)飛行員過(guò)載的模擬.

離心機(jī);加速度;飛行模擬器;持續(xù)載荷飛行模擬器;過(guò)失速機(jī)動(dòng);Herbst機(jī)動(dòng)

過(guò)失速機(jī)動(dòng)是新一代戰(zhàn)斗機(jī)的典型技術(shù)特征之一.過(guò)失速機(jī)動(dòng)中飛機(jī)速度、迎角、姿態(tài)角的變化率和范圍均較大，并可在多個(gè)方向上對(duì)飛行員造成持續(xù)性的過(guò)載作用，極大地影響到飛行員的空間感及飛機(jī)的飛行安全［1］.在地面飛行模擬器上進(jìn)行過(guò)失速機(jī)動(dòng)飛行的模擬訓(xùn)練可使飛行員熟練地掌握過(guò)失速機(jī)動(dòng)動(dòng)作，從而在空戰(zhàn)中充分發(fā)揮先進(jìn)戰(zhàn)斗機(jī)高機(jī)動(dòng)的優(yōu)勢(shì).

現(xiàn)有的普通固定基座飛行模擬器不能產(chǎn)生過(guò)載，采用Stewart六自由度運(yùn)動(dòng)平臺(tái)的飛行模擬器［2］只能產(chǎn)生瞬時(shí)的小過(guò)載，這兩種模擬器都不具有持續(xù)過(guò)載模擬能力，無(wú)法滿足過(guò)失速機(jī)動(dòng)飛行訓(xùn)練的要求.新型的持續(xù)載荷飛行模擬器(SGFS，Sustained G-load Flight Simulator)以載人離心機(jī)為運(yùn)動(dòng)平臺(tái)，可對(duì)持續(xù)性的高過(guò)載進(jìn)行模擬，綜合視景和運(yùn)動(dòng)仿真，飛行模擬的逼真度較高.目前，國(guó)外已開(kāi)始采用SGFS進(jìn)行飛行員的過(guò)失速機(jī)動(dòng)飛行訓(xùn)練［3］，國(guó)內(nèi)尚未研制出實(shí)用的SGFS，但對(duì)相關(guān)的仿真原理開(kāi)展過(guò)一些有價(jià)值的研究［4－6］.

本文詳細(xì)推導(dǎo)了考慮飛機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)附加過(guò)載的飛機(jī)飛行員過(guò)載計(jì)算公式，并在SGFS過(guò)載模擬模型中應(yīng)用該公式，通過(guò)對(duì)Herbst機(jī)動(dòng)過(guò)載進(jìn)行仿真，研究了SGFS對(duì)過(guò)失速機(jī)動(dòng)中飛行員三軸過(guò)載的模擬能力.

1 飛機(jī)飛行員過(guò)載

飛行員過(guò)載G定義為作用于飛行員的合加速度ap和重力加速度g之差與重力加速度常數(shù)g 之比［7］，表達(dá)式為

飛機(jī)飛行員過(guò)載指實(shí)際飛行時(shí)飛行員在飛機(jī)座艙內(nèi)感受到的過(guò)載，其3個(gè)分量記為Gxa(胸-背向過(guò)載)，Gya(右-左向過(guò)載)，Gza(頭-足向過(guò)載).過(guò)失速機(jī)動(dòng)過(guò)程中飛機(jī)角運(yùn)動(dòng)劇烈，考慮到飛機(jī)座艙與飛機(jī)質(zhì)心并不重合，則飛行員除承受飛機(jī)質(zhì)心過(guò)載n(平動(dòng)過(guò)載)外，還承受由飛機(jī)角運(yùn)動(dòng)引起的附加過(guò)載(轉(zhuǎn)動(dòng)過(guò)載).

設(shè)飛機(jī)飛行員心臟位置Op在機(jī)體坐標(biāo)系下的坐標(biāo)為(xp，yp，zp)，如圖 1所示，地面坐標(biāo)系Ogxgygzg為慣性參考系，機(jī)體坐標(biāo)系Obxbybzb為運(yùn)動(dòng)參考系，Op為運(yùn)動(dòng)參考系中固定的一點(diǎn)，由理論力學(xué)推導(dǎo)可得Op處的慣性加速度［apxapyapz］T為

式中，ax，ay，az為飛機(jī)質(zhì)心加速度，可由飛機(jī)質(zhì)心動(dòng)力學(xué)方程確定.飛行員與飛機(jī)的相對(duì)位置固定，即xp，yp，zp均為常值，其對(duì)時(shí)間的一階、二階導(dǎo)數(shù)均為0.對(duì)于單座飛機(jī)，飛行員處于飛機(jī)縱向?qū)ΨQ平面內(nèi)，則yp=0，式(2)可化簡(jiǎn)為

圖1 飛機(jī)飛行員加速度

重力加速度矢量g在機(jī)體坐標(biāo)系Obxbybzb的投影為

將式(3)、式(4)代入式(1)，并結(jié)合飛行員過(guò)載方向的定義，整理得到飛機(jī)飛行員過(guò)載表達(dá)式:

由式(5)可見(jiàn)，飛機(jī)飛行員過(guò)載由飛機(jī)質(zhì)心過(guò)載［nxnynz］T和飛機(jī)角運(yùn)動(dòng)引起的附加過(guò)載［ΔGxaΔGyaΔGza］T兩部分組成.式(5)也適用于其他需要精確解算飛機(jī)飛行員過(guò)載的情況.

2 SGFS過(guò)載模擬模型

如圖2所示，SGFS以載人離心機(jī)為運(yùn)動(dòng)平臺(tái)，并在其旋臂末端安裝有可進(jìn)行滾轉(zhuǎn)、俯仰偏轉(zhuǎn)的二自由度飛行仿真吊艙，模擬飛行座椅安裝在俯仰框內(nèi).改變旋臂角速度ωc可以改變SGFS過(guò)載的大小;改變仿真吊艙滾轉(zhuǎn)角φc與俯仰角θc可以改變SGFS受訓(xùn)飛行員相對(duì)SGFS過(guò)載矢量的體位，進(jìn)而可以模擬對(duì)應(yīng)于實(shí)際飛行的真實(shí)過(guò)載.

SGFS飛行員過(guò)載的3個(gè)分量記為Gxc，Gyc，Gzc，利用SGFS進(jìn)行過(guò)載模擬即是通過(guò)控制SGFS的運(yùn)動(dòng)，在SGFS上復(fù)現(xiàn)實(shí)際飛行時(shí)飛行員所感受的過(guò)載環(huán)境.對(duì)于SGFS難以模擬的小于1g的Gza過(guò)載，采用“基礎(chǔ) G 值”的方法［8］進(jìn)行近似模擬(Gza在輸入SGFS進(jìn)行模擬前先轉(zhuǎn)換為G'za).本文采用文獻(xiàn)［6］建立的SGFS過(guò)載模擬模型，在解算飛機(jī)飛行員過(guò)載時(shí)采用了本文推導(dǎo)的更為精確的式(5)，模型框圖如圖3所示.

圖2 SGFS運(yùn)動(dòng)平臺(tái)示意

圖3 SGFS過(guò)載模擬框圖

3 SGFS過(guò)失速機(jī)動(dòng)過(guò)載模擬仿真

Herbst機(jī)動(dòng)［9］是一種典型的空間過(guò)失速機(jī)動(dòng)，一般被認(rèn)為是檢驗(yàn)飛機(jī)過(guò)失速機(jī)動(dòng)能力的標(biāo)準(zhǔn)飛行動(dòng)作，機(jī)動(dòng)中飛行員受多軸過(guò)載作用.本文通過(guò)Herbst機(jī)動(dòng)仿真來(lái)研究SGFS對(duì)過(guò)失速機(jī)動(dòng)多軸過(guò)載的模擬能力.

給定SGFS旋臂半徑 R=8 m，基礎(chǔ)G值為1.4g.圖4為某次Herbst機(jī)動(dòng)仿真中的飛機(jī)飛行員過(guò)載，飛機(jī)初始飛行高度1 000 m，飛行速度150m/s.機(jī)動(dòng)開(kāi)始后飛機(jī)迅速建立大迎角并伴隨著速度驟減，Gza最大達(dá)到了4.9g;機(jī)動(dòng)中由于飛機(jī)的偏航角運(yùn)動(dòng)，飛機(jī)機(jī)頭指向快速改變180°，Gya最大達(dá)到了0.45g;機(jī)動(dòng)后期飛機(jī)重新加油門恢復(fù)速度，Gxa最大達(dá)到了0.95g.

圖5為機(jī)動(dòng)中飛機(jī)角運(yùn)動(dòng)引起的附加過(guò)載，對(duì)比圖4與圖5可發(fā)現(xiàn)飛行員所受的右-左向過(guò)載Gya主要由飛機(jī)角運(yùn)動(dòng)引起.

圖6為模擬Herbst機(jī)動(dòng)過(guò)載時(shí)SGFS控制參數(shù)的變化情況.由模擬“基礎(chǔ)G值”的需要，初始時(shí)旋臂角速度 ωc為62(°)/s，吊艙滾轉(zhuǎn)角 φc為45°.ωc隨著所模擬過(guò)載的增加而增大，最大達(dá)到了140(°)/s;φc在 ωc增加時(shí)協(xié)同改變(向左滾轉(zhuǎn))，主要用于模擬較大的Gza過(guò)載，但其中也包含了用于模擬Gya的偏轉(zhuǎn)量;θc初始為0°，在模擬正的Gxa過(guò)載時(shí)θc負(fù)向增加(向后仰).

圖4 Herbst機(jī)動(dòng)中的飛行員過(guò)載

圖5 Herbst機(jī)動(dòng)中飛機(jī)角運(yùn)動(dòng)引起的附加過(guò)載

整個(gè)模擬過(guò)程中，φc與θc的偏轉(zhuǎn)范圍分別為23°～79°，－37°～12°，這與Herbst機(jī)動(dòng)中飛機(jī)姿態(tài)角的變化差別較大.SGFS吊艙的滾轉(zhuǎn)和俯仰不可直接用來(lái)模擬飛機(jī)的滾轉(zhuǎn)和俯仰，僅用來(lái)模擬飛行員所受的過(guò)載，飛機(jī)角運(yùn)動(dòng)的模擬則主要靠視景仿真來(lái)實(shí)現(xiàn).

圖6 Herbst機(jī)動(dòng)過(guò)載模擬中SGFS控制參數(shù)變化

圖7為SGFS對(duì)Herbst過(guò)載模擬的仿真結(jié)果.仿真中SGFS能夠較精確地跟蹤輸入的飛機(jī)飛行員過(guò)載指令 Gxa，Gya，G'za.Gzc相對(duì)指令 G'za有一定的滯后，主要是由SGFS旋臂驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的慣性造成的，延遲時(shí)間約為150ms，符合運(yùn)動(dòng)基座飛行模擬器的時(shí)延標(biāo)準(zhǔn)［10］.

仿真開(kāi)始后G'za迅速加載又很快卸載，由于模擬器驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的功率有限，吊艙滾轉(zhuǎn)框與俯仰框不能及時(shí)偏轉(zhuǎn)改變飛行員的體位，使得Gxa，Gya的模擬均出現(xiàn)了一定誤差，但最大誤差值不超過(guò)0.2g.滿足 SGFS 產(chǎn)生 G'za時(shí)允許寄生的 Gxa，Gya過(guò)載的要求(0.3g ～0.6g)［4］.

圖7 Herbst機(jī)動(dòng)過(guò)載模擬結(jié)果

4 結(jié) 束 語(yǔ)

本文推導(dǎo)了一種飛機(jī)飛行員過(guò)載計(jì)算公式，并以Herbst機(jī)動(dòng)過(guò)載為例對(duì)SGFS過(guò)載模擬進(jìn)行了數(shù)值仿真，研究結(jié)果表明采用離心機(jī)為運(yùn)動(dòng)平臺(tái)的SGFS可較好地對(duì)過(guò)失速機(jī)動(dòng)中的飛行員多軸過(guò)載進(jìn)行持續(xù)模擬，過(guò)載模擬的時(shí)間延遲及精度均符合相關(guān)要求.值得注意的是，SGFS吊艙滾轉(zhuǎn)和俯仰僅用于模擬過(guò)載，不可直接用來(lái)模擬飛機(jī)的角運(yùn)動(dòng)，后者主要由模擬器的視景系統(tǒng)近似模擬.

References)

［1］ Tripathy N K，Tyagi PK.Analysis of multi-axis acceleration profile in a supermanoeuvrable aircraft［J］.Indian Journal of Aerospace Medicine，2006，50(2):7 －12

［2］郭洪波，劉永光，李洪人.六自由度Stewart平臺(tái)動(dòng)力學(xué)模型的特性分析［J］.北京航空航天大學(xué)學(xué)報(bào)，2007，33(8):940－944 Guo Hongbo，Liu Yongguang，Li Hongren.Characteristics analysis of dynamic model of 6-DOF Stewart platform［J］.Journal of Beijing University of Aeronautics and Astronautics，2007，33(8):940－944(in Chinese)

［3］ Masica R M.A study to evaluate the suitability of a centrifuge as a dynamic flights imulator for F/A-18 strike fightermission training［D］. Knoxville:Space Institute， University of Tennessee，2009

［4］陸惠良.載人離心機(jī)及其應(yīng)用［M］.北京:國(guó)防工業(yè)出版社，2004 Lu Huiliang.Human centrifuge and its application［M］.Beijing:National Defense Industry Press，2004(in Chinese)

［5］由勇，吳澄，由俊生，等.持續(xù)載荷飛行模擬器運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)研究［J］.系統(tǒng)仿真學(xué)報(bào)，2007，19(5):1154 －1156 You Yong，Wu Cheng，You Junsheng，et al.Study of motion system of flight simulator of persisted load［J］.Journal of System Simulation，2007，19(5):1154 －1156(in Chinese)

［6］潘文俊，王立新.持續(xù)載荷飛行模擬器過(guò)載模擬新原理［J］.航空學(xué)報(bào)，2010，31(11):2159 －2165 Pan Wenjun，Wang Lixin.Principles of G-load simulation for a novel sustained-G flight simulator［J］.Acta AeronauticaetAstronautica Sinica，2010，31(11):2159 －2165(in Chinese)

［7］劉光遠(yuǎn)，沈羨云，陳滌明.重力生理學(xué):理論與實(shí)踐［M］.北京:國(guó)防工業(yè)出版社，1993:2－4 Liu Guangyuan，Shen Xianyun，Chen Diming.Gravity physiology:theory and practice［M］.Beijing:National Defense Industry Press，1993:2 －4(in Chinese)

［8］ Crosbie R J，Kiefer D A.Controlling the human centrifuge as a force and motion platform for the dynamic flight simulator［R］.AIAA-85-1742，1985

［9］方振平，陳萬(wàn)春，張曙光.航空飛行器飛行動(dòng)力學(xué)［M］.北京:北京航空航天大學(xué)出版社，2005:133－134 Fang Zhenping，Chen Wanchun，Zhang Shuguang.Aviation aircraft flight dynamics［M］.Beijing:Beijing University of Aeronautics and Astronautics Press，2005:133 －134(in Chinese)

［10］CCAR-60飛行模擬設(shè)備的鑒定和使用規(guī)則［S］CCAR-60 Qualification and use of flight simulation device［S］(in Chinese)

(編 輯:李 晶)

Simulation of G-loads in post-stall maneuver on sustained G-load flight simulator

Pan Wenjun Wang Lixin Tan Xiang sheng

(School of Aeronautic Science and Engineering，Beijing University of Aeronautics and Astronautics，Beijing 100191，China)

Methods of simulating G-loads in post-stall maneuvers on a novel sustained G-load flight simulator(SGFS)was studied.Considering features of intense angular motion of the aircraft in post-stall maneuvers，additional G-loads generated by the rotation of the aircraft were also counted in the calculation of G-loads on pilot，which was later employed in the mathematical model for SGFS G-load simulation.G-loads on pilot in a typical post-stall maneuver known as Herbst maneuver were simulated by using the model.SGFS tracked 3-axis G-loads command precisely with the maximal error less than 0.2g during the simulation.The results indicate that additional G-loads on pilot generated by aircraft rotation could not be neglected and show SGFS could meet the requirements of post-stall maneuver G-loads simulation.

centrifuge;acceleration;flight simulator;sustained G-load flight simulator;post-stall maneuver;Herbstmaneuver

V 216.7

A

1001-5965(2011)06-0635-04

2010-03-10

潘文俊(1985 －)，男，陜西榆林人，博士生，power@ase.buaa.edu.cn.