飛行仿真技術在模擬飛行實習與訓練中的應用

賈慈力, 隋成城, 匡江紅, 黨淑雯, 顧　瑩

(上海工程技術大學 航空運輸學院(飛行學院), 上海　201620)

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飛行仿真技術在模擬飛行實習與訓練中的應用

賈慈力, 隋成城, 匡江紅, 黨淑雯, 顧瑩

(上海工程技術大學 航空運輸學院(飛行學院), 上海201620)

為降低飛行實習與訓練成本、提高訓練效率,實現民航飛行員訓練模式的改革,上海工程技術大學研制了三自由度飛行模擬器和固定飛行模擬器,以替代真實飛機進行模擬器飛行實習與訓練。利用該模擬器能進行開關車、起落飛行、空域特技飛行、大航線飛行、暗艙儀表飛行、晝間復雜氣象飛行、夜航簡單氣象飛行等普通民用飛機90%的飛行課目和特殊情況處置訓練,為民航飛行學員的選拔、培養提供了一種安全、高效、經濟的訓練手段。

飛行模擬器； 仿真技術； 飛行訓練

飛行模擬器訓練能夠顯著降低飛行訓練成本、提高訓練效率,已部分替代真飛機空中訓練的內容,是培養初級飛行學員、職業飛行員復訓評估等必不可少的重要環節。聯合國國際民用航空組織(International Civil Aviation Organization,ICAO)向各成員國推行多人制機組駕駛員執照(multi-crew pilot license,MPL)訓練新模式[1],國家民航局已正式推廣,并于2012年發布了《多人制機組駕駛員執照訓練和管理辦法》,規定在完成110小時真飛機飛行和20次起降外,還需在各個等級的飛行模擬器上訓練230小時[2],才能獲得MPL,參加航線飛行。此舉大大減少了空中飛行時間、提高了安全性、降低了培養成本。

1　飛行仿真技術與飛行模擬器

飛行仿真技術是集成了飛行仿真建模與解算、運動系統仿真、仿真計算機及網絡、座艙設備仿真、視景系統仿真、航空電子系統仿真、航空氣象和環境仿真等多項技術的綜合性技術[3]。

通過仿真技術,依據飛機性能和機載設備狀態參數,對飛機的運動進行實時仿真計算,模擬飛機的動態飛行性能、空中飛行的視聽覺和座艙環境[4],以及滑行、顛簸、空中氣流等動感[5],使飛行模擬器在飛機的性能、系統工作狀態、信息顯示、特殊情況告警以及飛行員操作等方面與真飛機上實際狀況一致[6]。目前,飛行仿真技術已經在航空航天、民航運輸、軍事訓練等領域得到了廣泛應用。

飛機模擬器主要分為工程模擬器和飛行模擬器兩大類。

工程模擬器主要用于飛機研制過程中,對飛機性能以及各種機載設備工作狀態進行仿真、計算、試飛、檢驗[7],確保飛機系統與結構設計的安全性和可靠性,從而縮短飛機研制的設計周期、節約成本、提高開發效率[8]。很多飛機制造商(例如波音公司、空客公司)每一個新型號飛機的研制,都要首先研制工程模擬器。

飛行模擬器按等級又分全任務飛行模擬器和飛行訓練器兩類,主要用于飛行員飛行訓練、轉換機型、技術升級、年度復訓、熟練檢查。飛行模擬器不受場地、天氣等條件的制約,可以縮短飛行員訓練周期,且不消耗航油、無危險、環保經濟,尤其適合在真飛機上無法進行的絕大多數特情處置訓練。通常,民用航空公司每20～25架飛機需配1臺飛行模擬器。

2　三自由度民航飛行模擬器系統結構

上海工程技術大學是上海市唯一一所培養民航飛行技術人才的普通高校,2010年該校飛行技術專業被列為教育部首批卓越工程師教育培養計劃試點專業。為選拔、培養飛行學員,進行航理實驗教學和飛行訓練,學校在上海市教委、科委、經信委的支持下,研制了三自由度民航飛行模擬器。該模擬器以某型民航大型運輸機為仿真對象,由飛行性能仿真系統、座艙系統、視景系統、音響系統、動感系統、綜合環境系統、計算機與網絡系統、系統控制臺系統、輔助系統等共9個分系統組成,系統原理如圖1所示。

圖1　三自由度民航飛行模擬器系統原理框圖

飛行性能仿真系統是模擬器系統的核心,主要用于飛機飛行系統的數學建模和解算、實現飛機飛行性能的仿真計算、為其他系統提供飛行參數及對外設進行控制[9]。

視景系統由直徑7 m/220°球帶形投影幕、Matrix3000型短焦距投影器、可調節式投影器支架等組成,采用5通道實像直投方式,投影區域水平視場角210°、垂直視場角45°,以飛行員視點高為垂直視場角界線,上視角20°、下視角25°。

艙內設備主要有主操縱機構、中央儀表板、中央操縱臺、兩側控制臺、操縱負荷系統等。其中,駕駛盤機構靜態位置誤差≤2%,負荷精度≤0.1%,最大輸出力縱向127 N,橫向89 N,行程最大角度前推17°、后拉20°、左右各90°,腳蹬機構靜態位置誤差≤2.5%,負荷精度≤0.1%,最大輸出力179 N,前后極限位置相對位移100 mm。

動感系統采用三自由度電動平臺(如圖2所示),動載能力指標垂直位移±100 mm,俯仰角±5.3°,傾斜角±9.1°,垂直瞬時線加速度0.5g,瞬時速度300 mm/s,通頻率2 Hz,產生俯仰、偏航、橫滾3個方向的動態載荷感覺,模擬飛機在地面滑跑和空中飛行的動感。

圖2　動感系統及座艙結構組成

模擬器整體設計為雙層階梯式半封閉結構,如圖3所示。該模擬器能進行飛行開關車練習、起落飛行、空域特技飛行、大航線飛行、暗艙儀表飛行、晝間復雜氣象飛行、夜航簡單氣象飛行等普通民用飛機90%的飛行課目和特殊情況處置訓練,具有安全可靠、使用方便、訓練成本低廉、可重復訓練、不受氣象條件限制等優點,且具有訓練過程回放和智能評分功能,便于教員進行技術分解講評。

3　模擬器飛行實習與訓練

模擬器飛行是飛行技術專業學生必修的實驗實習教學內容。上海工程技術大學以自主研發的固定飛行模擬器和三自由度飛行模擬器裝備了飛行模擬器訓練中心,為學生提供了飛行模擬器實習實訓平臺,用于飛行技術專業基本飛行技能訓練階段和初級訓練階段的實習實訓教學。可進行飛行員操作規范實訓、飛行程序實習、儀表飛行、五邊飛行等基本飛行技能實習實訓。對于不正常飛行狀態改出、發動機火警、發動機停車、起落架收放故障等在真飛機飛行時不可能進行的特情處置訓練課目,更是利用飛行模擬器進行飛行實習的主要教學內容,對培養飛行學員的應急處置、威脅和差錯管理能力具有不可替代的作用。

圖3　三自由度飛行模擬器

此外,利用飛行模擬器開設了飛行儀表功能與指示實驗、駕駛艙資源管理實驗、飛行檢查單實驗、操縱系統與飛機姿態實驗等通用性實驗課程,同樣也適用于航空機務維修專業,還可開設民用航空器維修基礎培訓大綱的部分實驗實習教學內容。以真實飛機數據包為基礎,利用仿真技術逼真地模擬實際工作場景,有利于培養學生解決復雜問題的技術能力和工程創新意識[10-12]。

4　結語

模擬器飛行訓練風險低、收益高,能大幅減少空中飛行訓練時間,且安全可靠,不受氣候環境等因素影響,縮短訓練周期。模擬飛行訓練可大量節省航空燃料,減少燃燒尾氣和二氧化碳的排放量,環保效益巨大、經濟效益可觀。隨著民航業的迅速發展,對飛行員的需求急劇增加,航校訓練量和對飛行模擬器的需求也將快速增長。我校開展飛行仿真技術研究和飛行模擬器研發、飛行實習與訓練,積累了一定的研制經驗和教學經驗,獲得了較好的社會效益和經濟效益。

取得三自由度飛行模擬器與固定飛行模擬器、六自由度工程/飛行模擬器等系列成果的“運輸機飛行仿真系統研發及應用”項目,已于2010年7月通過教育部科技成果鑒定。鑒定委員會認為該項研究成果達到國際先進水平,為國產大型飛機研制和飛行模擬器研發打下了堅實的基礎,建議加快形成產業化推廣和應用。

References)

[1] Allerton D．飛行仿真原理[M]．劉興科,譯．北京:電子工業出版社,2013．

[2] AC-61-FS-2012-13R1．多人制機組駕駛員執照訓練和管理辦法[S]．北京:中國民用航空局飛行標準司,2012．

[3] 汪泓,謝東來．運輸機飛行仿真技術及應用[M]．北京:清華大學出版社,2013．

[4] 王行仁．飛行實時仿真系統及技術[M]．北京:北京航空航天大學出版社,1998．

[5] 李小奇,盧穎．動感仿真技術[M]．長春:吉林人民出版社,2002．

[6] 趙旭東,賈榮珍．ARJ21飛機工程模擬器關鍵技術研究[J]．系統仿真學報,2009,21(21):56-59．

[7] 汪泓,隋成城,謝晨．某型運輸機工程飛行仿真研究[J]．上海工程技術大學學報,2013,27(2):97-100．

[8] 張玲,陳寧,姬云,等．飛行模擬器飛行仿真系統集成與方法研究[J]．飛行力學,2010,28(3):39-42．

[9] 孫振宇,隋成城,陳曦,等．某型飛機工程飛行仿真數據管理系統[J]．上海工程技術大學學報,2013,27(2):107-110．

[10] 何偉剛,吳其琦,黃亞群．仿真技術應用于移動通信實驗教學的創新實踐[J]．實驗技術與管理,2014,31(10):132-135．

[11] 陳麗霞,范士勇,劉鑫．虛擬仿真技術在現代通信網實驗教學中的應用[J]．實驗技術與管理,2015,32(4):133-135．

[12] 初漢芳,朱燕空．創業虛擬仿真實驗教學中心的實踐與探索[J]．實驗技術與管理,2014,31(12):97-100．

Application of flight simulation technology in flight simulation practice and training

Jia Cili, Sui Chengcheng, Kuang Jianghong, Dang Shuwen, Gu Ying

(School of Air Transportation/Flying, Shanghai University of Engineering Science, Shanghai 201620, China)

To keep up with the improvement of airline pilot training mode, by researching and using flight simulation technology, several levels of flight simulators are developed for flight simulator practice and training instead of real aircraft. In order to know how to practice on the simulator, and how to fly on real aircraft, the simulator should meet the requirements of flight procedures practice, instrument flight training, basic flying skills training, and provide safe, efficient and economic training means for civil aviation students’ selection and training.

flight simulator; simulation technology; flight training

10.16791/j.cnki.sjg.2016.03.030

2015- 08- 20

上海市科委科研計劃項目(14170501400)；上海市地方高校“十二五”內涵建設項目(nhjx-2014-09)；上海工程技術大學教育科學研究項目(y201408001)

賈慈力(1966—),男,上海,碩士,副教授,副院長,研究方向為機械制造、交通運輸工程.

E-mail:jiacili@sues.edu.cn

G484；V323.11

B

1002-4956(2016)3- 0120- 03