駕駛員誘發(fā)振蕩飛行培訓(xùn)和評(píng)定方法研究

楊挺健

(中國(guó)飛行試驗(yàn)研究院 科技部, 陜西 西安 710089)

駕駛員誘發(fā)振蕩飛行培訓(xùn)和評(píng)定方法研究

楊挺健

(中國(guó)飛行試驗(yàn)研究院 科技部, 陜西 西安 710089)

摘要:總結(jié)了駕駛員誘發(fā)振蕩(PIO)飛行培訓(xùn)和PIO等級(jí)評(píng)定(PIOR)方法。根據(jù)PIO發(fā)生的機(jī)理,分析了誘發(fā)PIO的因素。在某變穩(wěn)飛機(jī)中,設(shè)置可能產(chǎn)生PIO的關(guān)鍵系統(tǒng)參數(shù),設(shè)計(jì)了高增益的飛行培訓(xùn)任務(wù),由3名飛行員完成任務(wù)后利用PIOR定量評(píng)估飛機(jī)的PIO趨勢(shì),研究了PIO飛行培訓(xùn)方法和等級(jí)評(píng)定方法。結(jié)果表明,用變穩(wěn)機(jī)進(jìn)行飛行員PIO飛行培訓(xùn)的方法合理可行,用PIOR可有效評(píng)定發(fā)生PIO的趨勢(shì)等級(jí)。

關(guān)鍵詞:駕駛員誘發(fā)振蕩; 飛行培訓(xùn); PIO等級(jí)評(píng)定

0引言

對(duì)于PIO的定義,航空界有很多說法。美軍標(biāo)MIL-STD-1797A中定義PIO為:由于駕駛員試圖控制飛機(jī)而引起的持久的或不可控制的振蕩。 PIO是一種典型的駕駛員-飛機(jī)耦合振蕩現(xiàn)象,如果進(jìn)一步發(fā)展或處理不當(dāng),會(huì)帶來嚴(yán)重的飛行安全問題。

在發(fā)現(xiàn)PIO現(xiàn)象的初級(jí)階段,人們認(rèn)為飛機(jī)的振蕩主要是由飛行員誘發(fā)產(chǎn)生的,將發(fā)生問題的主因歸結(jié)于飛行員;隨著研究的深入,發(fā)現(xiàn)不應(yīng)將引起振蕩及其后果的原因或多或少地經(jīng)常歸罪于飛行員,它是由飛機(jī)、飛行員、外界條件等組成復(fù)雜系統(tǒng)的因素間的相互影響所致。為此,學(xué)者A Harran等提議用“飛機(jī)-駕駛員耦合(Aircraft Pilot Coupling,APC)”來取代通常所用的定義“駕駛員誘發(fā)振蕩(PIO)”。評(píng)定PIO的準(zhǔn)則較多,典型的有1797規(guī)范中的R Smith準(zhǔn)則,此外還有帶寬準(zhǔn)則(又稱霍恩準(zhǔn)則)、Gibson平均相位速率準(zhǔn)則、等效準(zhǔn)則等[1]。除此之外,PIOR是定量評(píng)定PIO趨勢(shì)等級(jí)的基本方法之一。

本文首先分析了發(fā)生PIO趨勢(shì)的機(jī)理和條件,據(jù)此有針對(duì)性地在變穩(wěn)飛機(jī)中設(shè)置可能產(chǎn)生PIO的飛機(jī)系統(tǒng)參數(shù)和飛行任務(wù),通過試飛研究了PIO飛行培訓(xùn)方法和飛行中利用PIOR評(píng)定PIO趨勢(shì)等級(jí)的方法。

1發(fā)生PIO的機(jī)理分析

1.1閉環(huán)耦合

根據(jù)過去數(shù)十年發(fā)生的PIO問題的數(shù)據(jù)分析可知,發(fā)生PIO的主要誘發(fā)因素來自于3個(gè)方面:飛機(jī)系統(tǒng)因素、飛行員因素和外部誘發(fā)因素[2]。3個(gè)方面因素耦合的基本結(jié)構(gòu)如圖1所示。該圖表明了飛行員、飛機(jī)系統(tǒng)、任務(wù)和外部因素的閉環(huán)關(guān)系,當(dāng)其形成一個(gè)緊耦合閉環(huán)(見圖2)時(shí)會(huì)相互影響并可能引發(fā)PIO。

圖1　人-機(jī)閉環(huán)系統(tǒng)Fig.1　Pilot and aircraft closed loop system

圖2　人-機(jī)閉環(huán)系統(tǒng)簡(jiǎn)化圖Fig.2　The simplified diagram of pilot and aircraft closed loop system

在執(zhí)行飛行任務(wù)中,許多飛行任務(wù)是可以通過開環(huán)輸入和熟練的離散指令來完成的,但類似編隊(duì)飛行這樣的任務(wù)需要飛行員持續(xù)地、全神貫注地高增益閉環(huán)操縱才能完成。

在圖2所示的閉環(huán)系統(tǒng)中,結(jié)合具體的飛行操縱和人的特性,根據(jù)McRuer等的研究結(jié)果,對(duì)單自由度補(bǔ)償任務(wù)的飛行員準(zhǔn)線性模型可用下式表示[3]:

(1)

式中:Kp為飛行員模型增益,是實(shí)現(xiàn)最優(yōu)操縱需要調(diào)整的參數(shù)之一,一般為1～100;TL為飛行員對(duì)操縱過程的預(yù)測(cè)需要的超前補(bǔ)償時(shí)間常數(shù),一般為0.0～1.0 s,其值反映了飛行員精神負(fù)荷的大小;TI為中樞信息的傳遞和加工過程時(shí)滯時(shí)間,一般為0.0～1.0 s(可變),其值反映了飛行員體力負(fù)荷的大小;τp為飛行員體內(nèi)的凈傳遞時(shí)間延遲,其值與神經(jīng)傳導(dǎo)和刺激有關(guān),一般為0.06～0.50 s。

考慮到閉環(huán)系統(tǒng)的任務(wù)特點(diǎn),圖2中飛機(jī)系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型一般采用短周期數(shù)學(xué)模型[3]:

(2)

飛機(jī)特性不佳是發(fā)生PIO的主要因素,有專家曾對(duì)30多種類型的飛機(jī)發(fā)生PIO的原因進(jìn)行分析后得出,造成飛機(jī)特性不佳的主要因素有:舵面速率飽和、系統(tǒng)時(shí)間延遲、駕駛桿力特性不佳(操縱靈敏度高)、非線性特征(瞬態(tài)轉(zhuǎn)換特性)、飛機(jī)穩(wěn)定性差等[4]。

1.2外部誘發(fā)因素

PIO發(fā)生過程中一個(gè)重要的刺激因素是誘發(fā)機(jī)制,最典型的是快速改變飛機(jī)狀態(tài),突風(fēng)被認(rèn)為是誘發(fā)因素之一。風(fēng)切變、著陸拉平和糾偏著陸成為飛行員試圖在特定的目標(biāo)區(qū)域著陸時(shí)發(fā)生PIO的誘發(fā)因素。外部誘發(fā)因素不是PIO的起因,對(duì)于一架有可接受飛行品質(zhì)的飛機(jī)來說,外部誘發(fā)因素只不過是迫使飛行員進(jìn)入PIO的特有操縱行為[5]。

需要特別強(qiáng)調(diào)的是:正如前面提到的一樣,構(gòu)成PIO現(xiàn)象的要素包括:飛機(jī)、飛行員和外部誘發(fā)因素,因此盡管采用相同的飛機(jī)和任務(wù)進(jìn)行訓(xùn)練,但由于飛行員在操縱習(xí)慣和增益上的差異,可能會(huì)導(dǎo)致他們獲得的感受是各異的,有時(shí)甚至大相徑庭。比如,同樣的設(shè)置和任務(wù),有些飛行員誘發(fā)了嚴(yán)重的PIO,而另外一些飛行員卻甚至觀察不到任何的PIO趨勢(shì),這主要是由于個(gè)體差異造成的,因?yàn)楫a(chǎn)生PIO在操縱輸入方面有著許多典型的特征,例如:飛行員是否在高增益的無意識(shí)操縱、操縱的頻率和幅值的范圍、感受任務(wù)并施加增益的高低等多種因素。

2飛行任務(wù)設(shè)計(jì)

2.1用于識(shí)別PIO趨勢(shì)的飛行任務(wù)

為降低飛機(jī)產(chǎn)生PIO趨勢(shì)的可能性,在飛機(jī)設(shè)計(jì)階段、地面模擬飛行驗(yàn)證階段,都應(yīng)主動(dòng)研究飛機(jī)和飛行員的耦合狀態(tài),通過增大飛行員的增益和工作負(fù)荷,尤其是產(chǎn)生一種極端緊急的感覺,來增加發(fā)現(xiàn)潛在的PIO趨勢(shì)的可能性。具有飛行員高增益(Kp)或任務(wù)緊迫性的典型跟蹤任務(wù)中更可能產(chǎn)生PIO趨勢(shì),表1基本涵蓋了需要飛行員高增益的飛行任務(wù)[6]。

表1　飛行員高增益飛行任務(wù)

2.2PIO飛行培訓(xùn)任務(wù)設(shè)計(jì)

PIO飛行培訓(xùn)在某變穩(wěn)飛機(jī)上進(jìn)行,教員可設(shè)置偏離原飛機(jī)系統(tǒng)特征的參數(shù);培訓(xùn)任務(wù)由3名有良好飛行經(jīng)驗(yàn)的飛行員完成;為保證飛行安全,所有的飛行任務(wù)都是在并座的帶飛教員指導(dǎo)下進(jìn)行的,飛行前飛行員和教員協(xié)同了出現(xiàn)PIO趨勢(shì)后的應(yīng)急處置方法,緊急情況下由教員操作。

設(shè)計(jì)了6組高增益的閉環(huán)飛行任務(wù),目的是讓飛行員在空中盡可能誘發(fā)出PIO,并體驗(yàn)和分析PIO現(xiàn)象,掌握發(fā)生PIO后的處置方法。

(1)設(shè)置系統(tǒng)時(shí)間延遲的俯仰角截獲

變穩(wěn)系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置:在俯仰和滾轉(zhuǎn)通道同時(shí)設(shè)置偏離原系統(tǒng)200 ms的時(shí)間延遲。

飛行任務(wù)要求:在氣壓高度為4 500 m、起始表速為460 km/h時(shí)配平飛機(jī),交替截獲10°和5°俯仰角。先做一次普通截獲,然后再做急劇的截獲,目的是為了逐步提高飛行員的增益。

(2)設(shè)置系統(tǒng)時(shí)間延遲的滾轉(zhuǎn)角截獲

變穩(wěn)系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置:在俯仰和滾轉(zhuǎn)通道同時(shí)設(shè)置偏離原系統(tǒng)200 ms的時(shí)間延遲。

飛行任務(wù)要求:在氣壓高度為4 500 m、起始表速為460 km/h時(shí)配平飛機(jī),首先在一側(cè)建立30o滾轉(zhuǎn)角,然后向另一側(cè)壓桿截獲同值滾轉(zhuǎn)角。與俯仰姿態(tài)截獲一樣,先做一次平穩(wěn)的截獲,再做一次急劇的截獲。

(3)縱向桿力輕、橫向桿力重的目標(biāo)點(diǎn)截獲

變穩(wěn)系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置:縱向桿力比原系統(tǒng)小7 N,橫向桿力比原系統(tǒng)大5 N。

飛行任務(wù)要求:在氣壓高度為4 500 m、起始表速為460 km/h時(shí)配平飛機(jī),在空中或地面目視選取目標(biāo)(云、小鎮(zhèn)、跑道、湖泊等),調(diào)整姿態(tài)轉(zhuǎn)向目標(biāo)點(diǎn),先做一次平穩(wěn)的截獲,再做一次急劇的截獲。

(4)縱向桿力重、橫向桿力輕的目標(biāo)點(diǎn)截獲

變穩(wěn)系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置:俯仰操縱力比原系統(tǒng)大7 N,滾轉(zhuǎn)操縱力比原系統(tǒng)小5 N。

飛行任務(wù)要求:在氣壓高度為4 500 m、起始表速為460 km/h時(shí)配平飛機(jī),在空中或地面目視選取目標(biāo)(云、小鎮(zhèn)、跑道、湖泊等),調(diào)整姿態(tài)轉(zhuǎn)向目標(biāo)點(diǎn),先做一次平穩(wěn)的截獲,再做一次急劇的截獲。

(5)副翼速率限制的滾轉(zhuǎn)角截獲

變穩(wěn)系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置:限制飛機(jī)的最大滾轉(zhuǎn)速率為20 (°)/s。

飛行任務(wù)要求:在氣壓高度為4 500 m、起始表速為460 km/h時(shí)配平飛機(jī),向一側(cè)壓桿截獲30°滾轉(zhuǎn)角。先做一次平穩(wěn)的截獲,再做一次急劇的截獲。

(6)糾偏著陸飛行

圖3為糾偏著陸飛行示意圖。變穩(wěn)系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置:設(shè)置偏離原系統(tǒng)200 ms的時(shí)間延遲。

飛行任務(wù)要求:在進(jìn)入三邊前(圖3中A點(diǎn))飛機(jī)的構(gòu)型設(shè)置為襟翼20°,起落架放下。三邊及三轉(zhuǎn)彎速度為270 km/h,四轉(zhuǎn)彎處在跑道任意一側(cè)設(shè)置偏差,距跑道中線的偏置距離約為120 m,五邊速度為240 km/h時(shí)(圖3中B點(diǎn))開始修正,要求飛行員盡可能地使飛機(jī)降落在跑道上要求的標(biāo)識(shí)區(qū)域(50 m長(zhǎng)、10 m寬)中心。

圖3　糾偏著陸飛行示意圖Fig.3　Schematic diagram for offset-correction landing

為了飛行安全和對(duì)比體驗(yàn),飛行采用循序漸進(jìn)的方式進(jìn)行,第一次著陸是在正常飛機(jī)狀態(tài)下進(jìn)行的正常著陸,目的是熟悉著陸條件和要求;第二次是在正常飛機(jī)狀態(tài)下的糾偏著陸,目的是掌握糾偏著陸的修正方法;最后進(jìn)行設(shè)置時(shí)間延遲的糾偏著陸,以體驗(yàn)可能發(fā)生的PIO趨勢(shì)。

3等級(jí)評(píng)定方法及結(jié)果分析

3.1等級(jí)評(píng)定方法程序

PIOR是用來評(píng)估PIO趨勢(shì)的一種評(píng)定方法,利用飛行員問答式判斷法,根據(jù)清晰邏輯結(jié)構(gòu)的評(píng)分程序[7](見圖4),最終給出1～6分的PIO等級(jí)

分值。

圖4　PIOR評(píng)定流程Fig.4　PIOR assessment process

3.2飛行結(jié)果分析

完成飛行任務(wù)后按圖4進(jìn)行PIOR等級(jí)評(píng)定,評(píng)定結(jié)果如表2所示。

表2　飛行員評(píng)定結(jié)果

(1)設(shè)置系統(tǒng)時(shí)間延遲的俯仰角截獲

在該飛行任務(wù)中,3名飛行員中有2名給出了PIOR=3的評(píng)分,執(zhí)行飛行任務(wù)過程中飛機(jī)出現(xiàn)了振蕩,完成截獲任務(wù)有一定的難度,需付出額外的工作負(fù)荷,但經(jīng)過努力能夠完成任務(wù)。另外1名飛行員給出了PIOR=2的評(píng)分,任務(wù)出現(xiàn)了較小的超調(diào),但經(jīng)過少量的補(bǔ)償操縱可以完成任務(wù)。

(2)設(shè)置系統(tǒng)時(shí)間延遲的滾轉(zhuǎn)角截獲

在該飛行任務(wù)過程中,3名飛行員中有1名給出PIOR=4的評(píng)分,飛機(jī)出現(xiàn)了較大超調(diào)和橫向振蕩,響應(yīng)的預(yù)測(cè)性很差,無法完成任務(wù)。另外兩名給出了PIOR=3的評(píng)分,任務(wù)出現(xiàn)了超調(diào),需犧牲任務(wù)并進(jìn)行努力操縱才能消除振蕩趨勢(shì)。

(3)縱向桿力輕、橫向桿力重的目標(biāo)點(diǎn)截獲

在截獲目標(biāo)點(diǎn)飛行任務(wù)中,3名飛行員中有1名給出PIOR=5的評(píng)分,一開始做急劇截獲時(shí)飛機(jī)就發(fā)生了振蕩發(fā)散,松桿后振蕩逐漸收斂,PIO趨勢(shì)較為明顯;1名給出PIOR=4的評(píng)分,雖然難以完成截獲任務(wù),并出現(xiàn)了振蕩,但振蕩并未發(fā)散;另外1名給出了PIOR=3的評(píng)分,經(jīng)過飛行員努力操作,完成了目標(biāo)點(diǎn)截獲任務(wù),但是出現(xiàn)了少量振蕩。

(4)縱向桿力重、橫向桿力輕的目標(biāo)點(diǎn)截獲

在該飛行任務(wù)中,3名飛行員全部給出了PIOR=3的評(píng)分,其中有2名飛行員反映比縱向桿力輕、橫向桿力重的截獲目標(biāo)點(diǎn)飛行任務(wù)容易很多,有1名飛行員感覺與前一種設(shè)置執(zhí)行任務(wù)難易程度相當(dāng)。

(5)滾轉(zhuǎn)速率限制的滾轉(zhuǎn)角截獲

在該飛行任務(wù)中,3名飛行員中有1名給出了PIOR=5的評(píng)分,在精確截獲過程中,飛機(jī)出現(xiàn)了大量的超調(diào)、操縱反效和劇烈的且趨于發(fā)散的橫向振蕩,響應(yīng)的預(yù)測(cè)性非常差,無法完成任務(wù),通過凍結(jié)駕駛桿實(shí)現(xiàn)了開環(huán),改出了飛機(jī)振蕩狀態(tài)。另外2名給出了PIOR=4的評(píng)分,在出現(xiàn)振蕩后放棄執(zhí)行任務(wù)并改出機(jī)動(dòng)。

(6)糾偏著陸飛行

在無時(shí)間延遲的正常著陸任務(wù)中,沒有振蕩現(xiàn)象,飛行員都能夠較為容易地將飛機(jī)降落在期望的范圍內(nèi)。在飛機(jī)正常狀態(tài)的糾偏著陸過程中,飛行員仍舊可以輕松地對(duì)準(zhǔn)跑道中線和控制飛機(jī)的下滑軌跡和速度,但由于任務(wù)難度增大,所以任務(wù)完成的質(zhì)量略有下降,接地誤差較正常著陸略大。

在設(shè)置時(shí)間延遲的糾偏著陸飛行任務(wù)中,飛行員為使飛機(jī)對(duì)準(zhǔn)跑道中線和保持下滑角,需要不斷地進(jìn)行橫向和縱向修正,導(dǎo)致發(fā)生了不同程度的縱向和橫向振蕩。1名飛行員給出了PIOR=5的評(píng)分,在接地前對(duì)正中線時(shí)出現(xiàn)了嚴(yán)重的橫向振蕩,飛機(jī)在橫向上的響應(yīng)基本是反效的,滾轉(zhuǎn)響應(yīng)與飛行員的期望存在明顯的相位延遲,并且有抑制不住的發(fā)散趨勢(shì),飛行員感覺機(jī)翼即將接觸跑道,在教員的操縱下實(shí)現(xiàn)了復(fù)飛。另外1名飛行員給出了PIOR=4的評(píng)分,在接地前出現(xiàn)了橫向振蕩,立即拉桿復(fù)飛。最后1名飛行員給出了PIOR=2的評(píng)分,雖然在接地前出現(xiàn)了少量橫向振蕩,但是通過操縱修正后消除,并順利實(shí)現(xiàn)了預(yù)定目標(biāo)的著陸。

分析3名飛行員的PIOR評(píng)分情況,可以發(fā)現(xiàn)如下一些規(guī)律性的現(xiàn)象:

(1)飛機(jī)特性不佳是導(dǎo)致誘發(fā)PIO的主要因素。3名飛行員對(duì)6類飛行任務(wù)中的4類任務(wù)PIOR的打分較為一致,尤其是在飛機(jī)滾轉(zhuǎn)速率限制的飛行任務(wù)中,3名飛行員都給出了PIOR=4和PIOR=5較高的分值。

(2)對(duì)同一飛機(jī)系統(tǒng)狀態(tài)、相同的飛行任務(wù),不同飛行員的操縱導(dǎo)致PIO趨勢(shì)的強(qiáng)弱也有差異。尤其是在糾偏著陸飛行任務(wù)中PIOR分值差異較大,表明了飛行員是形成PIO閉環(huán)中的重要一環(huán)。

(3)PIO現(xiàn)象多發(fā)生在飛行員需要高操縱增益來完成的任務(wù)中,尤其在俯仰角和滾轉(zhuǎn)角截獲任務(wù)中更加明顯,急劇截獲都比普通截獲誘發(fā)出的PIO趨勢(shì)要高。

4結(jié)束語(yǔ)

本文的研究?jī)?nèi)容是國(guó)內(nèi)首次由飛行員在飛行真實(shí)環(huán)境下進(jìn)行的PIO飛行培訓(xùn),飛行員在“特性不佳”的飛機(jī)上充分體驗(yàn)了PIO現(xiàn)象,掌握了發(fā)生PIO趨勢(shì)后的處置方法,并掌握了PIOR評(píng)定方法。本研究對(duì)飛行員培訓(xùn)和飛行試驗(yàn)具有重要的借鑒意義。

由于本文涉及的變穩(wěn)飛機(jī)加裝的測(cè)試設(shè)備有限,因此對(duì)PIO的評(píng)定方法僅限于飛行員的PIOR評(píng)定。下一步計(jì)劃在另一型變穩(wěn)機(jī)中加裝更多的測(cè)試設(shè)備,培訓(xùn)后采用其他PIO評(píng)定準(zhǔn)則進(jìn)行計(jì)算分析,并與飛行員PIOR評(píng)定結(jié)果進(jìn)行對(duì)比研究。

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(編輯：姚妙慧)

Research on the method of PIO flight training and assessment

YANG Ting-jian

(Ministry of Science and Technology, CFTE, Xi’an 710089, China)

Abstract:This paper summarizes the pilot induced oscillation (PIO) flight training and PIO rating (PIOR) method. According to the mechanism of PIO, three factors inducing PIO were analyzed. In variable stability aircraft, key system parameters which could cause PIO were set, high gain flight training tasks were designed. Three pilots completed the tasks,who gave a quantitative evaluation of aircraft PIO tendency using the PIOR. PIO flight training method and assessment method of flight was researched. The results show that it is feasible to perform PIO flight training on variable stability aircraft. PIOR can effectively assess PIO tendency level.

Key words:pilot induced oscillation; flight training; PIO rating assessment

收稿日期:2015-11-27;

修訂日期:2016-03-08; 網(wǎng)絡(luò)出版時(shí)間:2016-03-09 15:59

作者簡(jiǎn)介:楊挺健(1973-),男,甘肅寧縣人,高級(jí)工程師,碩士,研究方向?yàn)轱w行控制系統(tǒng)飛行試驗(yàn)。

中圖分類號(hào)：V212.1

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1002-0853(2016)03-0076-05