民用飛機控制律設計與飛行品質評估試驗方案研究

吳勝亮

摘 要：針對民用飛機控制律優化設計，提出了一種適用于控制律設計和飛行員在環評估飛行品質的試驗方案。闡述了評估工具——工程模擬器，詳細介紹了評估方法、評估流程和控制律優化流程，并通過評估試驗實例表明該試驗方案的可行性和有效性。該試驗方案為應用工程模擬器開展其他飛行員在環評估試驗提供了參考，具有一定的工程實踐意義。

關鍵詞：工程模擬器；控制律設計；飛行品質評估；試驗方案

DOIDOI：10.11907/rjdk.171312

中圖分類號：TP319

文獻標識碼：A 文章編號文章編號：1672-7800（2017）008-0160-04

0 引言

控制律決定了飛行員指令和飛機響應之間的關系，優良的控制律可以有效地控制和增穩飛機，使飛機在整個飛行包線范圍內具有令人滿意的飛行品質，減輕機組工作負擔、提高乘客舒適性，使飛機的俯仰、滾轉和偏航運動能夠實現要求的控制功能。飛行員在環評估試驗是飛機控制律設計過程中重要的設計與評估環節，也是控制律設計人員與飛行員互動的關鍵環節，能夠較好地暴露控制律設計中的不足和缺陷。控制律設計人員通過模擬飛行來驗證在各種構形和飛行條件下的控制律功能，評估飛機飛行品質，并根據飛行員評估意見優化控制律。

工程模擬器是現代先進民用飛機研制必不可少的設計和驗證試驗設備，波音、空客等著名飛機制造商在其飛機研制中都使用了工程模擬器[1]。目前，經過多年的探索，國內逐漸具備了應用工程模擬器開展軍用飛機飛行員在環評估試驗的能力[2]，而應用民用飛機工程模擬器開展控制律設計和飛行員在環評估飛行品質的試驗尚無經驗可以借鑒，該技術歷來是發達國家嚴格限制出口與轉讓的關鍵技術。為此，本文探討應用民用飛機工程模擬器開展控制律設計和飛行品質評估的思路。

1 工程模擬器簡介

1.1 工程模擬器功能

在飛機研制過程中，發展和使用相應的工程飛行模擬器的最大優點在于利用人在回路中的仿真特點，讓工程設計人員和機組人員充分利用較為真實的環境，較早地參與飛機設計，評價設計方案，確定設計參數，特別是對飛機動力學特性、飛機操縱系統、駕駛艙顯示、導航系統、應急和故障條件下的飛行性能等進行評定，以及對飛行操縱性和穩定性、飛行控制系統控制律等方面進行研究，從而及時地改進設計、完善方案、減少返工、節約成本。同時，工程模擬器也可以用于型號飛機飛行手冊的編寫，對試飛機組進行飛行培訓，以及對維修人員的培訓等。在試飛過程中，工程模擬器可以用于對試飛過程中發現的問題實施復現和排故方法的研究[3-5]；在型號飛機適航取證過程中，工程模擬器還可以用于MOC8試驗，驗證相關設計對適航要求的符合性[6]。

1.2 工程模擬器組成

某飛機工程模擬器主要由駕駛艙結構與駕駛艙設備仿真系統、主飛行仿真系統、飛控仿真系統、航電仿真系統、視景系統、六自由度運動系統、聲音仿真系統、綜合控制臺系統、硬件接口系統、計算機實時仿真及網絡系統和環境與支持系統等分系統組成，通過建模與仿真技術，模擬飛機的運動和姿態以及外界飛行環境。飛行員通過操縱飛機，觀察飛行儀表，感受窗外視景、過載和音響等來評定飛機的飛行控制律和飛行品質。工程模擬器架構如圖 1所示。

2 評估試驗方案設計

2.1 對飛行員的要求

飛行員作為評估試驗回路中的一個重要環節，必須具有多種主流型號民用飛機的飛行經驗，飛行員在環評估試驗對飛行員的具體要求如表 1所示。

飛行員或試飛員[]航線飛行員經歷的機型有差異；具備B737、B777、A320、A330、A340機型優先；同時具備空客、波音機型優先；同時具備B777/A320機型優先[]來自航空公司的現役航線，具有不低于5 000小時飛機飛行經驗，教員優先，具有一定的試飛經歷[]飛行員年齡分布具有差異，為30～70歲[]能夠獨立和準確地表達駕駛艙操縱設備的操縱特性和操縱感覺

2.2 評估試驗有效性

在評估試驗前，模擬器技術人員將與控制律設計與飛行品質評估試驗相關的氣動力模型、控制律模型、作動器模型、傳感器模型、質量模型、發動機模型等在工程模擬器上進行加載測試，并調試工程模擬器平臺，出具正式的測試報告，表明工程模擬器功能和性能滿足試驗要求，保證在工程模擬器上進行的試驗相對于真實飛機是真實有效的。

2.3 評估試驗方法

飛行員在環評估試驗采用庫伯-哈伯準則[7]作為試驗的評估尺度，如圖 2所示。庫伯-哈伯準則是由Cooper G E和Harper R P在1969年創立的，經過40多年軍機和民機的實踐檢驗，被公認為飛行員在環評估采用的一種標準化方法和評判尺度[8-9]。

2.4 評估試驗流程

為了保證試驗的順利進行和試驗結果的有效性，須制定完善的試驗流程，具體流程如圖 3所示。

2.4.1 評估試驗前準備

在進行試驗前， 需要進行如下準備工作：①根據試驗需求撰寫試驗任務書， 明確試驗目的、試驗要求、試驗科目、試驗參數、試驗進度、分工和責任；②根據試驗任務書撰寫試驗大綱， 給出試驗目的、試驗判據、試驗參試設備技術狀態、試驗項目名稱、試驗步驟、試驗記錄、試驗異常情況處理程序、試驗任務分工、參與試驗人員資質要求、質量保證要求；③根據試驗任務書和試驗大綱，編制每個試驗科目的試驗任務單；④根據試驗任務書，建立試驗所需的系統仿真模型，并在工程模擬器上加載測試系統仿真模型以及調試工程模擬器平臺，直到工程模擬器功能和性能滿足試驗要求。

2.4.2 評估試驗實施過程

在評估試驗開始前召開早會，參試技術人員和參試飛行員一起檢查當天的試驗科目和操作程序，討論試驗科目的目的和動作要領；在評估試驗過程中，飛行員按照試驗科目的動作要求完成試驗動作，參試技術人員詳細記錄飛行員的操縱感受和打分等級；評估試驗結束后，參試技術人員與參試飛行員召開講評會，一起回顧當天的試驗內容和試驗細節，參試技術人員認真聽取并記錄飛行員的補充講評意見。endprint

2.4.3 評估試驗后的決策

由于飛行員在飛行時間、所飛機型、年齡以及對電傳飛機操縱原理的理解等方面差異，對同一個試驗科目的評估意見可能差異很大，甚至可能是完全相反的。如何在有限的飛行員意見中進行取舍，是一件非常困難的事。控制律設計人員通過分析試驗結果數據，結合飛行員的資質以及適航規章對飛行員評估意見進行篩選并酌情采納。對于會產生重大設計更改的意見，控制律設計人員將根據適航風險、型號研制進度和設計更改成本等因素對飛行員意見進行深入地權衡分析，最終形成明確的整改意見。

3 控制律優化流程

控制律設計人員根據飛行員評估意見和試驗結果數據優化控制律，再加載到工程模擬器上，邀請飛行員在環評估，經反復的評估、修改，將飛行員的經驗融合到控制律設計中，從而獲得滿意的飛行品質，并最終凍結到飛機上。控制律優化過程如圖 4所示。

4 評估試驗實例

民用飛機控制律設計和飛行品質評估的試驗項目主要包括：①縱向、橫向和航向配平；②單發失效時的配平；③縱向和橫航向靜穩定性及演示；④動穩定性；⑤縱向操縱效能；⑥飛行軌跡穩定性；⑦橫航向模態特性；⑧滾轉操作、滾轉操縱靈敏度；⑨橫向操縱—全發工作和偏航操縱等試驗科目[10-12]。

本文以正常控制律的縱向配平試驗科目為例，給出了應用工程模擬器進行控制律設計和飛行品質評估試驗的過程。

4.1 試驗判據

飛機配平后，松桿飛行10s，飛機姿態不發生較大變化，能夠維持配平。

4.2 試驗程序

試驗程序如下：①工程模擬器復位后，正常運行且處于初始狀態；②設置工程模擬器為“飛行凍結”狀態；③通過綜合控制臺及駕駛艙相關操縱器件，設置試驗科目所要求的飛機狀態；④飛機解凍前在目標空速±30km配平；⑤解凍后僅通過操縱側桿配平飛機到目標狀態點；⑥松桿讓飛機繼續飛行10s，觀察飛機狀態；⑦記錄相關試驗數據；⑧完成試驗科目后，工程模擬器“飛行凍結”；⑨工程模擬器復位。

4.3 評估試驗結果

（1）試驗結果數據。

按照試驗任務書和試驗大綱要求，在工程模擬器后臺記錄需分析處理的變量參數，包括時間、側桿位移、平尾偏度、發動機推力等飛機狀態參數以及速度、俯仰角等飛機響應參數。參數采樣頻率設為80Hz，參數精度取至小數點后4位。試驗數據文件依照試驗項目的編號與日期命名，保存名稱為：試驗項目編號—試驗日期—飛行員姓名—備注，輸出參數的記錄格式為.DAT。

（2）飛行員評估意見。飛行員評估意見如表 2所示。

4.4 設計決策

通過分析試驗結果數據并結合飛行員評估意見可知，飛機縱向配平的響應基本滿足設計要求。針對評估試驗過程中部分飛行員反映油門臺和側桿本身的設計偏差影響評估效果的問題，控制律設計人員將與相關專業一起排查，并進行相應整改.待整改完成后，擇機再次邀請飛行員參與評估。

5 結語

本文詳細闡述了應用工程模擬器開展控制律設計和飛行品質評估的試驗方案，并通過具體評估試驗實例表明該試驗方案的可行性和有效性。該試驗方案介紹的評估方法和評估流程為應用民機工程模擬器開展其它飛行員評估試驗提供了參考，具有一定的工程實踐意義。

參考文獻：

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