飛行訓練空域優化平臺的搭建

鄭清偉，林恩民，鐘其賢

(中國民航大學 天津300300)

0 引 言

隨著中國低空空域政策的放開，低空空域訓練的安全性受到更多重視。本文旨在利用低成本、便捷的航模驗證方式驗證飛行訓練科目中空域優化的可行性，尋找低空空域優化的不足并作出總結與改進。模擬驗證由多架固定翼航空模型為主體，以地面教員與觀察者為主要視角，增強飛行員安全空域間隔意識與空間感、姿態感，便于飛行員從管制角度考慮飛行間隔，增強飛行員與管制員的思維相似度。操作航模過程中，當操作者距離較遠時，地面的觀察效果下降導致大機動性動作存在操作過量，本次模擬飛行對保障飛行間隔以及建立飛行員塔臺視角思維具有一定的指導意義。本項目用固定翼航模進行編隊驗證，既降低實驗成本，也提高了安全系數，開辟了一條低空空域優化的新途徑。

1 制作過程

航模的制作過程主要分為機體結構的組裝、動力系統的安裝、電子設備的安裝和調試3個步驟。

1.1 機體結構的組裝

在制作中使用了進口uhu水性膠水和2118塑料快接膠，具有快干定型和超輕特性。全機主體結構由高端EPO材料制成，具有耐摔易修的特性，有助于降低訓練和維護成本。首先安裝機體外殼承力隔框和分層隔板。全機機身分 3層，隔離了飛控、電池和圖像設備，減少了電磁干擾，提升了飛機安全性能。在安裝尾部碳桿時，選用了 3,k薄壁的碳纖維卷管，高T尾設計，規避了平尾升降舵操縱效率低下的問題。

1.2 電子設備的安裝

本項目飛機采用2,820,kV 880的無刷電機，配合13×6.5的馬刀式螺旋槳，推力達到2.67,kg。

一般而言，大槳配低 kV值電機，小槳配高 kV值電機，電機與槳不能隨意搭配，否則容易燒電機，甚至燒電調。1365槳是經過選擇的，相對續航較12寸槳有所提高。而飛機的電調最重要的參數是 A數，即電調可以承受的最大電流。選用多大的A數的電調和電池有密切聯系。比如配合2,200,MA 20 C的電池，最大負載電流為 30,A的電機，最大輸出為45,A的電調，這是一個比較合理的配置。本項目使用的是 60,A電調，持續工作電流可達 60,A，允許短時間 60～70,A的過載運行。而航模電池的選擇也有講究：①容量，鋰電池上標的電容量是 4.2,V放電至2.75,V所獲得的電量；②電池的放電倍率，即 C數，是指電池能正常放電的倍數，在電池容量相同的前提下，C數高，輸出越強勁；③電池中串聯電芯的數量，平時使用電池，單片電芯電壓最低不得低于 3.7,V，最高不得高于 4.2,V，電池各個電芯的電壓差越小，電池的質量越好。

1.3 電子設備的安裝和調試

本項目采用了 px4固件的開源飛控作為機載飛控，具有可拓展、可編程、二次開發的特性。搭配了TM832 5.8,GHz模擬圖傳和 Sony高清700,tvl攝像頭，可以達到零延遲的第一人稱飛行體驗，對飛行員的反應和意識都有較大鍛煉。在調試過程中需要注意頻點和頻道的選擇，避免對其他設備造成干擾。數傳(天地信號傳輸)使用了 915,MHz的 100,mW 數傳。間隔信號傳輸可以在天空中向飛行器發布指令，擁有初步的失控返航和航點畫設能力，可以在飛機失控時救機。

在飛控調試和調參過程中遇到了很多問題，如飛控校準傳感器異常、飛控GPS無法獲取數據、攝像頭燒毀等。項目組成員對這些問題進行了一一修復。通過對傳感器的重新歸零、更換GPS硬件等，成功進行了測試。采取了“飛行中第一視角監控+任務后飛行日志分析”替代了原先方案的地面站實時日志分析，提升了平臺安全性，降低了器材成本。

通過對日志中不同參數的查找，可以很方便地讀取GPS坐標信息、速度、高度和各舵面響應的控制信息，便于任務后分析飛行員操作情況，提出改正意見。

圖1為真實場景下，模型飛機模擬航校飛行訓練時的航跡圖，能夠實時觀測到飛機的飛行狀態和飛行數據。

圖1 航模模擬飛行航跡Fig.1 Model flight simulation flight path

2 模擬飛行訓練數據分析

8,600,m以下，每隔 300,m規定為一個飛行高度層。在飛行訓練中，在氣象條件達標的情況下，實行目視飛行規則。一般的，起落航線的飛行高度為300～500,m，飛行訓練機多為A類航空器，在訓練空域飛行時，與前機的垂直間隔應保持在 300,m以上，水平間隔應保持在 1.5,km以上，同時遵守航空器的尾流間隔規定。飛機達到起飛速度后拉桿，在爬升的過程中，保持目視前方及天地線，并保持爬升姿態，在一、二轉彎時，為防止飛機低頭可稍微向后帶桿，繼續飛行至 3,000,ft時保持巡航高度不變，直到進入返場邊。返場進近時，打開襟翼，參考下滑指點信標不斷修正飛機的高度及位置完成降落。在利用航模的模擬驗證中，由于經費不足，不能實現雙機聯飛以更好地判斷飛機的間隔、評定飛行質量。圖2、3、4分別是航模飛行時的正常視角、俯視角和側視角航跡(單位是m的飛機軌跡圖，定義飛機起點為原點)。固定翼航模進行模擬飛行訓練時，與實際飛行訓練中的情況仍具較大差別，固定翼航模飛行速度低、俯仰姿態較大。進行固定翼航模飛行，主要是給操縱者提供一個類似于塔臺的視角，飛機在低空空域進行飛行訓練時，為了保障飛機的安全，會給飛機設定一個飛行的超障余度，一般在機場為中心半徑 55,km的范圍內。超障余度 MOC為平原地區不得小于 300,m，丘陵和山區不得小于 600,m。因此，在實際飛行訓練中，飛行員應把握好飛行空域中最高障礙物的高度，保持最低超障余度，以避免在飛行訓練中發生碰撞。現如今，航空器的事故類型可歸為：空中失控、偏出跑道、跑道外著陸等，將近一半的進近著陸事故都屬于可控飛行撞地(CFIT)，而引發CFIT大多是飛行員缺少垂直方向的意識。因此，為了保證飛行安全，飛行員對航路上的障礙物高度一定要把握清楚，飛行過程中時刻保持安全的超障余度。

圖2 正常視角Fig.2 Normal angle of view

圖3 側視角Fig.3 Side view

圖4 俯仰視角Fig.4 Pitch angle

3 飛行姿態的分析

如圖5～7所示，從實驗所得數據分析可知，隨著飛機的爬升迎角增大，飛行性能先增加后減小，增大到一定程度飛行性能開始下降(圖5中標紅即性能開始下降點)，甚至失速，在實際飛行訓練中應盡量避免。

圖5 飛行軌跡側視圖Fig.5 Flight track side view

圖6 飛行軌跡俯視圖Fig.6 Flight track overview

圖7 飛機俯沖狀態截取片段Fig.7 Aircraft dive，intercept footage

4 結 論

在飛機組裝完成之后，項目組進行了多次手動或半自動試飛。對飛機的環境適應能力、飛控的魯棒性都做了測試，在測試中飛機工作穩定。通過此次飛行空域優化的驗證，可以有效提高空域的利用率，在有限的空域內，盡可能保證安全的情況下，加快飛行訓練的進程和效率，加快飛行員的培養速度，為我國民航發展培養出更多的優秀飛行員。