淺談空中飛行模擬在電傳民機研發中的應用

金利云，王 磊

（上海飛機設計研究院，上海201210）

淺談空中飛行模擬在電傳民機研發中的應用

金利云，王 磊

（上海飛機設計研究院，上海201210）

電傳民機已經普遍采用控制增穩和主動控制技術，對飛行品質分析以及控制律設計提出了更高的要求。研究空中飛行模擬的發展歷史和優勢，給出其常見應用領域。

變穩飛機；空中飛行模擬；電傳操縱；民機

空中飛行模擬是電傳民機飛行品質分析和控制律設計的一種重要工具。變穩飛機發展始于上個世紀五十年代，最初用于軍用飛機的橫航向操縱品質的檢查[1]。隨著早期變穩機的不斷發展，空中模擬飛機逐步成熟。與地面飛行模擬相比，空中飛行模擬給飛行員提供更為真實的視景和運動感受，特別是置身于真實的空中環境，給飛行員提供更加真實的心理狀態[2]，從而獲得更為可靠的飛行員在環的飛行品質分析結果。

現階段國內民機的研發，僅使用地面模擬器來評估飛行品質和開展控制律設計，其中包括工程模擬器和鐵鳥等試驗平臺。二十世紀七十年代，軍機研發過程中發現只使用地面模擬器有明顯的先天缺陷[1]。由于心理模擬及視景的不完美，飛行員處于低增益狀態。多種飛機在設計后期，首飛之前都會進行空中飛行模擬[1]，盡早發現隱藏的操縱品質問題。未來，國內電傳民機的飛行品質評估和控制律研發，也需要地面和空中模擬相互補充[1]，實現對飛機更為真實的模擬。

本文研究了空中飛行模擬和地面飛行模擬的區別，給出空中飛行模擬的常見應用領域，并建議了一種用于電傳民機研制的空中飛行模擬驗證過程，為未來國內民機研發中的空中飛行模擬提供參考。

1 空中飛行模擬與地面飛行模擬區別

1.1 地面飛行模擬

地面飛行模擬是在地面試驗室基于視景系統、運動系統、模擬駕駛艙、飛行器及系統的數字化模型等進行的飛行模擬，是航空發展的重要技術之一。它具有安全、經濟、可重復使用、不受氣候和空間影響等特點[3]，既可用于飛機研發設計過程，又可用于培訓飛行員。但地面飛行模擬有以下先天缺陷：

（1）視景系統與真實環境光相比，亮度不足[1]；

（2）由于飛行員預知地面模擬的安全性，不能真實模擬實際飛行中的精神負擔和緊張程度，不能有效暴露人機閉環飛行品質問題，比如駕駛員誘發震蕩（PIO）現象；

（3）飛行員感受的加速度、運動幅度等動態暗示受限于地面模擬設備；

（4）視景系統和運動系統響應與飛行員輸入后的實際飛機響應有時間延遲。地面飛行模擬與真實飛行之間的差距較大。因此，空中飛行模擬應運而生，人們開始大力研究和發展空中飛行模擬技術。

1.2 空中飛行模擬

空中飛行模擬是在空中飛行模擬器（又稱空中飛行試驗機或變穩飛機）上，給飛行員提供真實的視景和飛行運動加速度感受，復現被模擬飛機和系統特性的飛行模擬。空中飛行模擬器一般裝有兩套操作系統，一套是安全飛行員操縱的基本飛機的系統，另一套是電傳操縱變穩系統（含氣動變穩和可變人工感受兩套系統）。當模擬機出現故障或被模擬飛機出現不可操縱特性，安全飛行員可斷開變穩系統，恢復成常規操縱飛機。空中飛行模擬器可以進行大范圍的參數調整，與普通飛機試飛相比更靈活。

空中飛行模擬將飛行員置于真實空中環境，能夠校核地面飛行模擬數據，解決地面模擬器無法解決的問題，如PIO現象、故障模態等[4]。空中飛行模擬是地面飛行模擬的重要補充。上個世紀五十年代以來，空中飛行模擬已經成為發達國家飛行試驗的重要技術之一，很多新機的研制都經過空中飛行模擬[4]。最近，飛行模擬的新方向是空-地綜合飛行模擬系統，結合地面和空中飛行模擬的優點，共同完成飛行模擬實驗，將是飛行模擬的更高形式。

2 空中飛行模擬的應用

國外許多采用先進電傳控制技術的民機，均采用空中飛行模擬開展先期驗證與飛行模擬驗證。波音777在研制過程中利用波音757空中驗證平臺對飛行控制系統進行了全面的驗證。空客A320和A380等機型也都使用空中飛行模擬技術驗證電傳操縱系統。國內在研電傳民機具有控制增穩和主動控制等特征，而針對民機驗證的空中飛行模擬仍是空白。針對國內民機研究現狀，未來空中飛行模擬作為地面飛行模擬的重要補充，會貫穿民機設計過程。空中飛行模擬在電傳民機研發中的應用領域主要包括：飛行品質評估、氣動參數辨識以及控制律設計和優化。

2.1 電傳民機飛行品質研發早期評估

先進電傳民機由于電傳操縱系統增益高、階次高、時間延遲較大和非線性較強等特性，在特定情況下易產生PIO現象，給飛行試飛帶來危險和挑戰，甚至導致災難級的事故，因此最好能進行大量的空中模擬飛行試驗[2]。空中飛行模擬提供真實的大氣環境，視景以及心理狀態，用來研究飛行員在環飛行品質問題能得到更佳的結果，起到校核地面飛行模擬結果的作用[2]。在電傳民機的研制早期，空中飛行模擬能夠充分暴露重大飛行品質缺陷，及時改進設計，加快研發進度。

2.2 電傳民機氣動參數辨識研究

氣動參數辨識是應用系統辨識技術從飛行試驗數據求取氣動力系數，從而更新動力學系統的數學模型，用于驗證和校正飛機大量的風洞試驗和理論計算結果，獲取更為真實的氣動數據。先進電傳民機的設計特征，增加了試飛難度，也給參數辨識工作增加了困難。空中飛行模擬由于變穩機具有完備的機載測試和地面監控設備，能測試和記錄飛行員、電傳操縱系統以及飛機運動等靜、動態特性，為氣動參數辨識方法研究提供有利條件，降低了電傳民機試飛的風險[2]。

2.3 電傳民機控制律優化設計

空中飛行模擬利用比地面飛行模擬更真實的環境驗證飛行控制系統，對故障模態、飛控模式切換、不同控制律切換、控制律邏輯等方面進行驗證。在研發早期的空中飛行模擬是對控制律設計需求的確認，研發后期的空中飛行模擬是對控制律設計需求的驗證。空中飛行模擬是電傳民機控制律設計和優化的一種新工具。

3 建議的電傳民機空中飛行模擬驗證過程

空中飛行模擬在電傳民機研發中的建議驗證過程[1]如下：

（1）初期空中飛行模擬：在民機研制早期，作為對地面飛行模擬的補充，進行空中飛行模擬，找出嚴重操縱品質的缺陷，優化控制律；

（2）首飛前的空中飛行模擬：對首飛構型的控制律進行確認和檢查，降低首飛風險；

（3）首飛后的空中飛行模擬：基于參數辨識后的新模型以及優化后的飛行控制系統，在空中模擬器開展飛行驗證工作，降低風險，加快研制進度。

4 結束語

空中飛行模擬在研究電傳民機的飛行品質、研發新的飛行控制系統以及試飛員培訓等方面具有非常重要的意義。未來空中飛行模擬技術會與地面飛行模擬有效結合，貫穿國內電傳民機的設計過程，加快研制進度。

[1]張 勇.模擬器在飛行控制系統開發中的應用[J].系統仿真學報，2011，23（1）：142-147.

[2]湯 鐘.BW-1變穩飛機應用研究及其技術準備[J].飛行力學，1992，10（4）：17-23.

[3]熊端琴，劉寶善，郭 西.現代飛行模擬的進展[J].人類工效學，2004，10（3）：69-71.

[4]袁 東，余 靜.俄羅斯的空中飛行模擬試驗機[J].飛行力學，1993，11（1）：15-20.

A Brief Introduction to In-Flight Simulation used for FBW Civil Airplane Development and Research

JIN Li-yun，WANG Lei
（Shanghai Aircraft Design and Research Institute，Shanghai 201210，China）

Control augmentation system and active control technology are now common used in FBW civil airplane，which raise higher requirements for flying quality analysis and control law design.The history and advantage of In-Flight simulation is researched，and its regular applications are provided.

variable stability aircraft；In-Flight simulation；fly-by-wire；civil airplane

V219

A

1672-545X（2017）08-0133-03

2017-05-11

金利云（1987－），女，江蘇人，碩士，工程師，研究方向：操穩分析和控制律設計；王 磊（1986－），男，廣東人，博士，工程師，研究方向：操穩分析和控制律設計。