飛行訓練器駕駛艙失壓仿真研究＊

李輝

（四川川大智勝軟件股份有限公司，四川 成都 610000）

座艙失壓是特用于民用航空器，當飛行高度超過3 000 m 的客機的客艙因為空調設備故障/玻璃、機體受損等原因導致客艙內氣壓降低直至等于客艙外氣壓并持續的過程。其對乘客和飛行機組造成不利影響的“生存因素”主要包括迅速減壓、缺氧、低溫、高風速、高噪聲等。該類事件將作為典型樣本成為航空醫學、飛行仿真及訓練等領域的重要研究方向。

國內外對于飛行器座艙環境及控制的仿真已開展了許多研究，關注座艙事故/事件的研究和仿真卻很少。本文選取飛機風擋高空爆裂脫落的典型事件，以飛行訓練器為基礎平臺，開展“座艙失壓”方向的特定討論和研究。

1 事件過程分析

典型的飛行流程主要有滑行、起飛、爬升、巡航、下降、進近、著陸。為方便研究和比較，將座艙壓力等效為海拔高度。事件中飛機在9 784 m 高度巡航（客艙增壓模塊工作，此時座艙高度為2 064 m，座艙壓差53 007 Pa），右側風擋突然爆裂脫落，使飛機駕駛艙暴露于外部大氣環境中，導致駕駛艙瞬間失壓（此時飛行高度標準大氣壓9 712 m，座艙高度7 413 m，座艙壓差6 357 Pa）。隨后飛機開始下降，座艙高度上升至最高（8 037 m）、壓差為3 985 Pa 后也開始逐漸下降。飛行機組在管制指揮下，經過一系列飛行操縱和指引，飛機于某機場成功備降。飛行剖線如圖1 所示。

圖1 飛行剖線

2 研究方法

本文采用標準飛行訓練器為基礎仿真平臺，飛行訓練器是用于練習在各種條件下飛行操作技能的一種訓練設備。可以模擬飛行器的靜態特性和動態特性，目視情況以及音響、過載、振動等各種物理因素。本研究中，在特情設置并激活后，飛行員按特情處置程序操縱飛行訓練器，飛行訓練器為座艙失壓模塊提供實時飛行高度、速度等數據鏈輸入。座艙失壓模塊可作為獨立組件，實時仿真計算出貼近于真實狀態的飛機座艙內氣壓。

本研究中，忽略風擋爆裂后飛機空氣動力學的改變，同時默認飛機其他系統都正常工作。因此該類事件分析模型可簡化為：風擋爆裂瞬間，駕駛艙通過風擋窗口與外部大氣環境直接連通，艙內氣壓急速上升在接近于外部大氣氣壓p后逐漸穩定，并以一定的壓差隨飛行高度和速度等變化。此過程中外部氣壓高度隨飛行高度規律變化，壓差為空氣高速進入駕駛艙內產生的內壓，計算公式如下：

式（1）中：p為座艙壓力；p為高度上的大氣壓力；p為空氣高速進入駕駛艙內產生的內壓。

3 大氣數字模型

密度ρ計算模型為：

式（2）中：ρ為高度上的大氣密度，kg/m；為海拔高度，m；p為高度上的大氣壓力，kPa；T為高度上的溫度，℃。

4 座艙損傷模型

飛機在設計定型后，座艙的物理尺寸和構型、風擋大小和位置等即固定。在對座艙進行建模的過程中設定座艙為剛體結構，座艙容積恒定不變，忽略座艙漏氣量，忽略座艙內部氣流擾動。由此可以得到如下物理參數：座艙的容積常數VC、脫落風擋正投影面積常數A。

5 壓差分析

風擋脫落后，外部大氣進入飛機駕駛艙，駕駛艙內外會形成一定的壓差，該計算模型可等效為“開孔結構風致內壓”，即風迎面吹向風擋處開孔的駕駛艙，在駕駛艙內部產生內壓，產生的內壓即是駕駛艙內外的壓差。飛機以表速飛行，當以飛機為參考系時，等效于來流以吹向飛機，研究中忽略外部大氣紊流。國內外已開展風致內壓相關研究，在內壓響應方程類型上達成共識，HELEMS 提出如下內外壓傳遞方程：

式（3）中：ρ為空氣密度；L為氣流在開口處空氣柱的有效長度；為內部容積；為氣流的開口收縮流動系數；為開口周圍空氣比熱；為開孔面積；為壓強；為參考點風壓；C為內壓系數；C為外壓力系數。

6 系統數據/網絡流程框圖

駕駛艙外部流場的大氣溫度、氣壓和密度可由飛行高度進行計算，內壓的計算需要綜合大氣溫度、氣壓、密度以及座艙的容積和開口面積等參數，通過飛行訓練器實時飛行高度和飛行速度經計算公式即可得到特情條件下實時座艙氣壓，系統流程框圖如圖2 所示。

圖2 系統流程框圖

7 仿真與分析

本文對事件過程進行仿真分析比較，事件中飛機DAR（Digital Aids Recorder，數字式飛機綜合數據記錄器）按10 s/次的頻率記錄了飛機下降過程的真實飛行參數，包含飛機標準氣壓高度、座艙氣壓高度、飛行高度和表速等。以能完整描述整個下降過程氣壓高度變化曲線為原則，選取風擋脫落瞬間前40 s 為數據起始節點T0，截取隨后20 min 內的數據集進行仿真計算，計算結果如圖3 所示。在仿真過程中各仿真參數如表1 所示。

圖3 計算座艙高度與DAR 記錄座艙高度對比

表1 仿真參數

從圖3 中可以看出計算的座艙壓力與飛機記錄的座艙壓力隨時間變化的趨勢是高度吻合的，只是數值存在一定的偏差，該偏差在飛行訓練和航空醫學研究允許的范圍內。在風擋爆裂脫落的瞬間座艙高度迅速上升，根據計算的座艙高度可以看出駕駛艙經歷的高度變化區間如下：超過7 620 m 的時間為80 s、7 620～5 486 m 的座艙高度下降區間60 s、5 486～6 410 m 的座艙高度上升區間290 s、6 410～5 486 m 座艙高度下降區間260 s、其他時間的座艙高度都小于5 486 m。從航空醫學角度這些計算結果是生存因素相關研究的重要參數；在飛行訓練領域，則可根據計算結果不斷的調整處置流程，優化迭代特情處置程序，并進行針對性的科目訓練。

8 結語

本文首先介紹了座艙失壓的概念，選取一起典型風擋爆裂脫落航空事件的飛行剖面進行詳細分析，構建了大氣數字模型、座艙損傷模型并進行了壓差分析和計算公式推導，再對數據/網絡流程進行梳理，建立了基于飛行訓練器的駕駛艙失壓仿真的研究方法，隨后對該風擋爆裂脫落事故進行仿真，并對計算結果進行比較分析。基于飛行訓練器的座艙失壓仿真可用于制定飛行訓練特情處置程序并進行飛行培訓，也可為航空醫學研究提供方法和手段。