民用飛機(jī)控制律設(shè)計(jì)與飛行品質(zhì)評估試驗(yàn)方案研究

吳勝亮

摘 要：針對民用飛機(jī)控制律優(yōu)化設(shè)計(jì)，提出了一種適用于控制律設(shè)計(jì)和飛行員在環(huán)評估飛行品質(zhì)的試驗(yàn)方案。闡述了評估工具——工程模擬器，詳細(xì)介紹了評估方法、評估流程和控制律優(yōu)化流程，并通過評估試驗(yàn)實(shí)例表明該試驗(yàn)方案的可行性和有效性。該試驗(yàn)方案為應(yīng)用工程模擬器開展其他飛行員在環(huán)評估試驗(yàn)提供了參考，具有一定的工程實(shí)踐意義。

關(guān)鍵詞：工程模擬器；控制律設(shè)計(jì)；飛行品質(zhì)評估；試驗(yàn)方案

DOIDOI：10.11907/rjdk.171312

中圖分類號：TP319

文獻(xiàn)標(biāo)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(jī)響應(yīng)之間的關(guān)系，優(yōu)良的控制律可以有效地控制和增穩(wěn)飛機(jī)，使飛機(jī)在整個(gè)飛行包線范圍內(nèi)具有令人滿意的飛行品質(zhì)，減輕機(jī)組工作負(fù)擔(dān)、提高乘客舒適性，使飛機(jī)的俯仰、滾轉(zhuǎn)和偏航運(yùn)動(dòng)能夠?qū)崿F(xiàn)要求的控制功能。飛行員在環(huán)評估試驗(yàn)是飛機(jī)控制律設(shè)計(jì)過程中重要的設(shè)計(jì)與評估環(huán)節(jié)，也是控制律設(shè)計(jì)人員與飛行員互動(dòng)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，能夠較好地暴露控制律設(shè)計(jì)中的不足和缺陷。控制律設(shè)計(jì)人員通過模擬飛行來驗(yàn)證在各種構(gòu)形和飛行條件下的控制律功能，評估飛機(jī)飛行品質(zhì)，并根據(jù)飛行員評估意見優(yōu)化控制律。

工程模擬器是現(xiàn)代先進(jìn)民用飛機(jī)研制必不可少的設(shè)計(jì)和驗(yàn)證試驗(yàn)設(shè)備，波音、空客等著名飛機(jī)制造商在其飛機(jī)研制中都使用了工程模擬器[1]。目前，經(jīng)過多年的探索，國內(nèi)逐漸具備了應(yīng)用工程模擬器開展軍用飛機(jī)飛行員在環(huán)評估試驗(yàn)的能力[2]，而應(yīng)用民用飛機(jī)工程模擬器開展控制律設(shè)計(jì)和飛行員在環(huán)評估飛行品質(zhì)的試驗(yàn)尚無經(jīng)驗(yàn)可以借鑒，該技術(shù)歷來是發(fā)達(dá)國家嚴(yán)格限制出口與轉(zhuǎn)讓的關(guān)鍵技術(shù)。為此，本文探討應(yīng)用民用飛機(jī)工程模擬器開展控制律設(shè)計(jì)和飛行品質(zhì)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(jī)研制過程中，發(fā)展和使用相應(yīng)的工程飛行模擬器的最大優(yōu)點(diǎn)在于利用人在回路中的仿真特點(diǎn)，讓工程設(shè)計(jì)人員和機(jī)組人員充分利用較為真實(shí)的環(huán)境，較早地參與飛機(jī)設(shè)計(jì)，評價(jià)設(shè)計(jì)方案，確定設(shè)計(jì)參數(shù)，特別是對飛機(jī)動(dòng)力學(xué)特性、飛機(jī)操縱系統(tǒng)、駕駛艙顯示、導(dǎo)航系統(tǒng)、應(yīng)急和故障條件下的飛行性能等進(jìn)行評定，以及對飛行操縱性和穩(wěn)定性、飛行控制系統(tǒng)控制律等方面進(jìn)行研究，從而及時(shí)地改進(jìn)設(shè)計(jì)、完善方案、減少返工、節(jié)約成本。同時(shí)，工程模擬器也可以用于型號飛機(jī)飛行手冊的編寫，對試飛機(jī)組進(jìn)行飛行培訓(xùn)，以及對維修人員的培訓(xùn)等。在試飛過程中，工程模擬器可以用于對試飛過程中發(fā)現(xiàn)的問題實(shí)施復(fù)現(xiàn)和排故方法的研究[3-5]；在型號飛機(jī)適航取證過程中，工程模擬器還可以用于MOC8試驗(yàn)，驗(yàn)證相關(guān)設(shè)計(jì)對適航要求的符合性[6]。

1.2 工程模擬器組成

某飛機(jī)工程模擬器主要由駕駛艙結(jié)構(gòu)與駕駛艙設(shè)備仿真系統(tǒng)、主飛行仿真系統(tǒng)、飛控仿真系統(tǒng)、航電仿真系統(tǒng)、視景系統(tǒng)、六自由度運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)、聲音仿真系統(tǒng)、綜合控制臺系統(tǒng)、硬件接口系統(tǒng)、計(jì)算機(jī)實(shí)時(shí)仿真及網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)和環(huán)境與支持系統(tǒng)等分系統(tǒng)組成，通過建模與仿真技術(shù)，模擬飛機(jī)的運(yùn)動(dòng)和姿態(tài)以及外界飛行環(huán)境。飛行員通過操縱飛機(jī)，觀察飛行儀表，感受窗外視景、過載和音響等來評定飛機(jī)的飛行控制律和飛行品質(zhì)。工程模擬器架構(gòu)如圖 1所示。

2 評估試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

2.1 對飛行員的要求

飛行員作為評估試驗(yàn)回路中的一個(gè)重要環(huán)節(jié)，必須具有多種主流型號民用飛機(jī)的飛行經(jīng)驗(yàn)，飛行員在環(huán)評估試驗(yàn)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(jīng)歷的機(jī)型有差異；具備B737、B777、A320、A330、A340機(jī)型優(yōu)先；同時(shí)具備空客、波音機(jī)型優(yōu)先；同時(shí)具備B777/A320機(jī)型優(yōu)先[]來自航空公司的現(xiàn)役航線，具有不低于5 000小時(shí)飛機(jī)飛行經(jīng)驗(yàn)，教員優(yōu)先，具有一定的試飛經(jīng)歷[]飛行員年齡分布具有差異，為30～70歲[]能夠獨(dú)立和準(zhǔn)確地表達(dá)駕駛艙操縱設(shè)備的操縱特性和操縱感覺

2.2 評估試驗(yàn)有效性

在評估試驗(yàn)前，模擬器技術(shù)人員將與控制律設(shè)計(jì)與飛行品質(zhì)評估試驗(yàn)相關(guān)的氣動(dòng)力模型、控制律模型、作動(dòng)器模型、傳感器模型、質(zhì)量模型、發(fā)動(dòng)機(jī)模型等在工程模擬器上進(jìn)行加載測試，并調(diào)試工程模擬器平臺，出具正式的測試報(bào)告，表明工程模擬器功能和性能滿足試驗(yàn)要求，保證在工程模擬器上進(jìn)行的試驗(yàn)相對于真實(shí)飛機(jī)是真實(shí)有效的。

2.3 評估試驗(yàn)方法

飛行員在環(huán)評估試驗(yàn)采用庫伯-哈伯準(zhǔn)則[7]作為試驗(yàn)的評估尺度，如圖 2所示。庫伯-哈伯準(zhǔn)則是由Cooper G E和Harper R P在1969年創(chuàng)立的，經(jīng)過40多年軍機(jī)和民機(jī)的實(shí)踐檢驗(yàn)，被公認(rèn)為飛行員在環(huán)評估采用的一種標(biāo)準(zhǔn)化方法和評判尺度[8-9]。

2.4 評估試驗(yàn)流程

為了保證試驗(yàn)的順利進(jìn)行和試驗(yàn)結(jié)果的有效性，須制定完善的試驗(yàn)流程，具體流程如圖 3所示。

2.4.1 評估試驗(yàn)前準(zhǔn)備

在進(jìn)行試驗(yàn)前， 需要進(jìn)行如下準(zhǔn)備工作：①根據(jù)試驗(yàn)需求撰寫試驗(yàn)任務(wù)書， 明確試驗(yàn)?zāi)康摹⒃囼?yàn)要求、試驗(yàn)科目、試驗(yàn)參數(shù)、試驗(yàn)進(jìn)度、分工和責(zé)任；②根據(jù)試驗(yàn)任務(wù)書撰寫試驗(yàn)大綱， 給出試驗(yàn)?zāi)康摹⒃囼?yàn)判據(jù)、試驗(yàn)參試設(shè)備技術(shù)狀態(tài)、試驗(yàn)項(xiàng)目名稱、試驗(yàn)步驟、試驗(yàn)記錄、試驗(yàn)異常情況處理程序、試驗(yàn)任務(wù)分工、參與試驗(yàn)人員資質(zhì)要求、質(zhì)量保證要求；③根據(jù)試驗(yàn)任務(wù)書和試驗(yàn)大綱，編制每個(gè)試驗(yàn)科目的試驗(yàn)任務(wù)單；④根據(jù)試驗(yàn)任務(wù)書，建立試驗(yàn)所需的系統(tǒng)仿真模型，并在工程模擬器上加載測試系統(tǒng)仿真模型以及調(diào)試工程模擬器平臺，直到工程模擬器功能和性能滿足試驗(yàn)要求。

2.4.2 評估試驗(yàn)實(shí)施過程

在評估試驗(yàn)開始前召開早會，參試技術(shù)人員和參試飛行員一起檢查當(dāng)天的試驗(yàn)科目和操作程序，討論試驗(yàn)科目的目的和動(dòng)作要領(lǐng)；在評估試驗(yàn)過程中，飛行員按照試驗(yàn)科目的動(dòng)作要求完成試驗(yàn)動(dòng)作，參試技術(shù)人員詳細(xì)記錄飛行員的操縱感受和打分等級；評估試驗(yàn)結(jié)束后，參試技術(shù)人員與參試飛行員召開講評會，一起回顧當(dāng)天的試驗(yàn)內(nèi)容和試驗(yàn)細(xì)節(jié)，參試技術(shù)人員認(rèn)真聽取并記錄飛行員的補(bǔ)充講評意見。endprint

2.4.3 評估試驗(yàn)后的決策

由于飛行員在飛行時(shí)間、所飛機(jī)型、年齡以及對電傳飛機(jī)操縱原理的理解等方面差異，對同一個(gè)試驗(yàn)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(jìn)行取舍，是一件非常困難的事。控制律設(shè)計(jì)人員通過分析試驗(yàn)結(jié)果數(shù)據(jù)，結(jié)合飛行員的資質(zhì)以及適航規(guī)章對飛行員評估意見進(jìn)行篩選并酌情采納。對于會產(chǎn)生重大設(shè)計(jì)更改的意見，控制律設(shè)計(jì)人員將根據(jù)適航風(fēng)險(xiǎn)、型號研制進(jìn)度和設(shè)計(jì)更改成本等因素對飛行員意見進(jìn)行深入地權(quán)衡分析，最終形成明確的整改意見。

3 控制律優(yōu)化流程

控制律設(shè)計(jì)人員根據(jù)飛行員評估意見和試驗(yàn)結(jié)果數(shù)據(jù)優(yōu)化控制律，再加載到工程模擬器上，邀請飛行員在環(huán)評估，經(jīng)反復(fù)的評估、修改，將飛行員的經(jīng)驗(yàn)融合到控制律設(shè)計(jì)中，從而獲得滿意的飛行品質(zhì)，并最終凍結(jié)到飛機(jī)上。控制律優(yōu)化過程如圖 4所示。

4 評估試驗(yàn)實(shí)例

民用飛機(jī)控制律設(shè)計(jì)和飛行品質(zhì)評估的試驗(yàn)項(xiàng)目主要包括：①縱向、橫向和航向配平；②單發(fā)失效時(shí)的配平；③縱向和橫航向靜穩(wěn)定性及演示；④動(dòng)穩(wěn)定性；⑤縱向操縱效能；⑥飛行軌跡穩(wěn)定性；⑦橫航向模態(tài)特性；⑧滾轉(zhuǎn)操作、滾轉(zhuǎn)操縱靈敏度；⑨橫向操縱—全發(fā)工作和偏航操縱等試驗(yàn)科目[10-12]。

本文以正常控制律的縱向配平試驗(yàn)科目為例，給出了應(yīng)用工程模擬器進(jìn)行控制律設(shè)計(jì)和飛行品質(zhì)評估試驗(yàn)的過程。

4.1 試驗(yàn)判據(jù)

飛機(jī)配平后，松桿飛行10s，飛機(jī)姿態(tài)不發(fā)生較大變化，能夠維持配平。

4.2 試驗(yàn)程序

試驗(yàn)程序如下：①工程模擬器復(fù)位后，正常運(yùn)行且處于初始狀態(tài)；②設(shè)置工程模擬器為“飛行凍結(jié)”狀態(tài)；③通過綜合控制臺及駕駛艙相關(guān)操縱器件，設(shè)置試驗(yàn)科目所要求的飛機(jī)狀態(tài)；④飛機(jī)解凍前在目標(biāo)空速±30km配平；⑤解凍后僅通過操縱側(cè)桿配平飛機(jī)到目標(biāo)狀態(tài)點(diǎn)；⑥松桿讓飛機(jī)繼續(xù)飛行10s，觀察飛機(jī)狀態(tài)；⑦記錄相關(guān)試驗(yàn)數(shù)據(jù)；⑧完成試驗(yàn)科目后，工程模擬器“飛行凍結(jié)”；⑨工程模擬器復(fù)位。

4.3 評估試驗(yàn)結(jié)果

（1）試驗(yàn)結(jié)果數(shù)據(jù)。

按照試驗(yàn)任務(wù)書和試驗(yàn)大綱要求，在工程模擬器后臺記錄需分析處理的變量參數(shù)，包括時(shí)間、側(cè)桿位移、平尾偏度、發(fā)動(dòng)機(jī)推力等飛機(jī)狀態(tài)參數(shù)以及速度、俯仰角等飛機(jī)響應(yīng)參數(shù)。參數(shù)采樣頻率設(shè)為80Hz，參數(shù)精度取至小數(shù)點(diǎn)后4位。試驗(yàn)數(shù)據(jù)文件依照試驗(yàn)項(xiàng)目的編號與日期命名，保存名稱為：試驗(yàn)項(xiàng)目編號—試驗(yàn)日期—飛行員姓名—備注，輸出參數(shù)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(shè)計(jì)決策

通過分析試驗(yàn)結(jié)果數(shù)據(jù)并結(jié)合飛行員評估意見可知，飛機(jī)縱向配平的響應(yīng)基本滿足設(shè)計(jì)要求。針對評估試驗(yàn)過程中部分飛行員反映油門臺和側(cè)桿本身的設(shè)計(jì)偏差影響評估效果的問題，控制律設(shè)計(jì)人員將與相關(guān)專業(yè)一起排查，并進(jìn)行相應(yīng)整改.待整改完成后，擇機(jī)再次邀請飛行員參與評估。

5 結(jié)語

本文詳細(xì)闡述了應(yīng)用工程模擬器開展控制律設(shè)計(jì)和飛行品質(zhì)評估的試驗(yàn)方案，并通過具體評估試驗(yàn)實(shí)例表明該試驗(yàn)方案的可行性和有效性。該試驗(yàn)方案介紹的評估方法和評估流程為應(yīng)用民機(jī)工程模擬器開展其它飛行員評估試驗(yàn)提供了參考，具有一定的工程實(shí)踐意義。

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