持续载荷飞行模拟器过失速机动过载模拟

潘文俊 王立新 谭详升

(北京航空航天大学 航空科学与工程学院，北京 100191)

持续载荷飞行模拟器过失速机动过载模拟

潘文俊 王立新 谭详升

(北京航空航天大学 航空科学与工程学院，北京 100191)

对新型的持续载荷飞行模拟器(SGFS，Sustained G-load Flight Simulator)模拟过失速机动过载的方法进行了研究.针对过失速机动中飞机角运动剧烈的特点，推导了考虑飞机转动带来的附加过载的飞机飞行员过载计算公式.在SGFS过载模拟数学模型中应用此公式，以典型的过失速机动动作.Herbst机动为例，对机动时的飞行员过载进行了仿真研究.仿真中SGFS能够较精确地跟踪输入的飞行员三轴过载指令，最大误差小于0.2g.研究结果表明:过失速机动时飞机转动引起的附加过载不可忽略，同时也表明SGFS可较好地用于对过失速机动飞行员过载的模拟.

离心机;加速度;飞行模拟器;持续载荷飞行模拟器;过失速机动;Herbst机动

过失速机动是新一代战斗机的典型技术特征之一.过失速机动中飞机速度、迎角、姿态角的变化率和范围均较大，并可在多个方向上对飞行员造成持续性的过载作用，极大地影响到飞行员的空间感及飞机的飞行安全［1］.在地面飞行模拟器上进行过失速机动飞行的模拟训练可使飞行员熟练地掌握过失速机动动作，从而在空战中充分发挥先进战斗机高机动的优势.

现有的普通固定基座飞行模拟器不能产生过载，采用Stewart六自由度运动平台的飞行模拟器［2］只能产生瞬时的小过载，这两种模拟器都不具有持续过载模拟能力，无法满足过失速机动飞行训练的要求.新型的持续载荷飞行模拟器(SGFS，Sustained G-load Flight Simulator)以载人离心机为运动平台，可对持续性的高过载进行模拟，综合视景和运动仿真，飞行模拟的逼真度较高.目前，国外已开始采用SGFS进行飞行员的过失速机动飞行训练［3］，国内尚未研制出实用的SGFS，但对相关的仿真原理开展过一些有价值的研究［4－6］.

本文详细推导了考虑飞机转动附加过载的飞机飞行员过载计算公式，并在SGFS过载模拟模型中应用该公式，通过对Herbst机动过载进行仿真，研究了SGFS对过失速机动中飞行员三轴过载的模拟能力.

1 飞机飞行员过载

飞行员过载G定义为作用于飞行员的合加速度ap和重力加速度g之差与重力加速度常数g 之比［7］，表达式为

飞机飞行员过载指实际飞行时飞行员在飞机座舱内感受到的过载，其3个分量记为Gxa(胸-背向过载)，Gya(右-左向过载)，Gza(头-足向过载).过失速机动过程中飞机角运动剧烈，考虑到飞机座舱与飞机质心并不重合，则飞行员除承受飞机质心过载n(平动过载)外，还承受由飞机角运动引起的附加过载(转动过载).

设飞机飞行员心脏位置Op在机体坐标系下的坐标为(xp，yp，zp)，如图 1所示，地面坐标系Ogxgygzg为惯性参考系，机体坐标系Obxbybzb为运动参考系，Op为运动参考系中固定的一点，由理论力学推导可得Op处的惯性加速度［apxapyapz］T为

式中，ax，ay，az为飞机质心加速度，可由飞机质心动力学方程确定.飞行员与飞机的相对位置固定，即xp，yp，zp均为常值，其对时间的一阶、二阶导数均为0.对于单座飞机，飞行员处于飞机纵向对称平面内，则yp=0，式(2)可化简为

图1 飞机飞行员加速度

重力加速度矢量g在机体坐标系Obxbybzb的投影为

将式(3)、式(4)代入式(1)，并结合飞行员过载方向的定义，整理得到飞机飞行员过载表达式:

由式(5)可见，飞机飞行员过载由飞机质心过载［nxnynz］T和飞机角运动引起的附加过载［ΔGxaΔGyaΔGza］T两部分组成.式(5)也适用于其他需要精确解算飞机飞行员过载的情况.

2 SGFS过载模拟模型

如图2所示，SGFS以载人离心机为运动平台，并在其旋臂末端安装有可进行滚转、俯仰偏转的二自由度飞行仿真吊舱，模拟飞行座椅安装在俯仰框内.改变旋臂角速度ωc可以改变SGFS过载的大小;改变仿真吊舱滚转角φc与俯仰角θc可以改变SGFS受训飞行员相对SGFS过载矢量的体位，进而可以模拟对应于实际飞行的真实过载.

SGFS飞行员过载的3个分量记为Gxc，Gyc，Gzc，利用SGFS进行过载模拟即是通过控制SGFS的运动，在SGFS上复现实际飞行时飞行员所感受的过载环境.对于SGFS难以模拟的小于1g的Gza过载，采用“基础 G 值”的方法［8］进行近似模拟(Gza在输入SGFS进行模拟前先转换为G'za).本文采用文献［6］建立的SGFS过载模拟模型，在解算飞机飞行员过载时采用了本文推导的更为精确的式(5)，模型框图如图3所示.

图2 SGFS运动平台示意

图3 SGFS过载模拟框图

3 SGFS过失速机动过载模拟仿真

Herbst机动［9］是一种典型的空间过失速机动，一般被认为是检验飞机过失速机动能力的标准飞行动作，机动中飞行员受多轴过载作用.本文通过Herbst机动仿真来研究SGFS对过失速机动多轴过载的模拟能力.

给定SGFS旋臂半径 R=8 m，基础G值为1.4g.图4为某次Herbst机动仿真中的飞机飞行员过载，飞机初始飞行高度1 000 m，飞行速度150m/s.机动开始后飞机迅速建立大迎角并伴随着速度骤减，Gza最大达到了4.9g;机动中由于飞机的偏航角运动，飞机机头指向快速改变180°，Gya最大达到了0.45g;机动后期飞机重新加油门恢复速度，Gxa最大达到了0.95g.

图5为机动中飞机角运动引起的附加过载，对比图4与图5可发现飞行员所受的右-左向过载Gya主要由飞机角运动引起.

图6为模拟Herbst机动过载时SGFS控制参数的变化情况.由模拟“基础G值”的需要，初始时旋臂角速度 ωc为62(°)/s，吊舱滚转角 φc为45°.ωc随着所模拟过载的增加而增大，最大达到了140(°)/s;φc在 ωc增加时协同改变(向左滚转)，主要用于模拟较大的Gza过载，但其中也包含了用于模拟Gya的偏转量;θc初始为0°，在模拟正的Gxa过载时θc负向增加(向后仰).

图4 Herbst机动中的飞行员过载

图5 Herbst机动中飞机角运动引起的附加过载

整个模拟过程中，φc与θc的偏转范围分别为23°～79°，－37°～12°，这与Herbst机动中飞机姿态角的变化差别较大.SGFS吊舱的滚转和俯仰不可直接用来模拟飞机的滚转和俯仰，仅用来模拟飞行员所受的过载，飞机角运动的模拟则主要靠视景仿真来实现.

图6 Herbst机动过载模拟中SGFS控制参数变化

图7为SGFS对Herbst过载模拟的仿真结果.仿真中SGFS能够较精确地跟踪输入的飞机飞行员过载指令 Gxa，Gya，G'za.Gzc相对指令 G'za有一定的滞后，主要是由SGFS旋臂驱动系统的惯性造成的，延迟时间约为150ms，符合运动基座飞行模拟器的时延标准［10］.

仿真开始后G'za迅速加载又很快卸载，由于模拟器驱动系统的功率有限，吊舱滚转框与俯仰框不能及时偏转改变飞行员的体位，使得Gxa，Gya的模拟均出现了一定误差，但最大误差值不超过0.2g.满足 SGFS 产生 G'za时允许寄生的 Gxa，Gya过载的要求(0.3g ～0.6g)［4］.

图7 Herbst机动过载模拟结果

4 结 束 语

本文推导了一种飞机飞行员过载计算公式，并以Herbst机动过载为例对SGFS过载模拟进行了数值仿真，研究结果表明采用离心机为运动平台的SGFS可较好地对过失速机动中的飞行员多轴过载进行持续模拟，过载模拟的时间延迟及精度均符合相关要求.值得注意的是，SGFS吊舱滚转和俯仰仅用于模拟过载，不可直接用来模拟飞机的角运动，后者主要由模拟器的视景系统近似模拟.

References)

［1］ Tripathy N K，Tyagi PK.Analysis of multi-axis acceleration profile in a supermanoeuvrable aircraft［J］.Indian Journal of Aerospace Medicine，2006，50(2):7 －12

［2］郭洪波，刘永光，李洪人.六自由度Stewart平台动力学模型的特性分析［J］.北京航空航天大学学报，2007，33(8):940－944 Guo Hongbo，Liu Yongguang，Li Hongren.Characteristics analysis of dynamic model of 6-DOF Stewart platform［J］.Journal of Beijing University of Aeronautics and Astronautics，2007，33(8):940－944(in Chinese)

［3］ Masica R M.A study to evaluate the suitability of a centrifuge as a dynamic flights imulator for F/A-18 strike fightermission training［D］. Knoxville:Space Institute， University of Tennessee，2009

［4］陆惠良.载人离心机及其应用［M］.北京:国防工业出版社，2004 Lu Huiliang.Human centrifuge and its application［M］.Beijing:National Defense Industry Press，2004(in Chinese)

［5］由勇，吴澄，由俊生，等.持续载荷飞行模拟器运动系统研究［J］.系统仿真学报，2007，19(5):1154 －1156 You Yong，Wu Cheng，You Junsheng，et al.Study of motion system of flight simulator of persisted load［J］.Journal of System Simulation，2007，19(5):1154 －1156(in Chinese)

［6］潘文俊，王立新.持续载荷飞行模拟器过载模拟新原理［J］.航空学报，2010，31(11):2159 －2165 Pan Wenjun，Wang Lixin.Principles of G-load simulation for a novel sustained-G flight simulator［J］.Acta AeronauticaetAstronautica Sinica，2010，31(11):2159 －2165(in Chinese)

［7］刘光远，沈羡云，陈涤明.重力生理学:理论与实践［M］.北京:国防工业出版社，1993:2－4 Liu Guangyuan，Shen Xianyun，Chen Diming.Gravity physiology:theory and practice［M］.Beijing:National Defense Industry Press，1993:2 －4(in Chinese)

［8］ Crosbie R J，Kiefer D A.Controlling the human centrifuge as a force and motion platform for the dynamic flight simulator［R］.AIAA-85-1742，1985

［9］方振平，陈万春，张曙光.航空飞行器飞行动力学［M］.北京:北京航空航天大学出版社，2005:133－134 Fang Zhenping，Chen Wanchun，Zhang Shuguang.Aviation aircraft flight dynamics［M］.Beijing:Beijing University of Aeronautics and Astronautics Press，2005:133 －134(in Chinese)

［10］CCAR-60飞行模拟设备的鉴定和使用规则［S］CCAR-60 Qualification and use of flight simulation device［S］(in Chinese)

(编 辑:李 晶)

Simulation of G-loads in post-stall maneuver on sustained G-load flight simulator

Pan Wenjun Wang Lixin Tan Xiang sheng

(School of Aeronautic Science and Engineering，Beijing University of Aeronautics and Astronautics，Beijing 100191，China)

Methods of simulating G-loads in post-stall maneuvers on a novel sustained G-load flight simulator(SGFS)was studied.Considering features of intense angular motion of the aircraft in post-stall maneuvers，additional G-loads generated by the rotation of the aircraft were also counted in the calculation of G-loads on pilot，which was later employed in the mathematical model for SGFS G-load simulation.G-loads on pilot in a typical post-stall maneuver known as Herbst maneuver were simulated by using the model.SGFS tracked 3-axis G-loads command precisely with the maximal error less than 0.2g during the simulation.The results indicate that additional G-loads on pilot generated by aircraft rotation could not be neglected and show SGFS could meet the requirements of post-stall maneuver G-loads simulation.

centrifuge;acceleration;flight simulator;sustained G-load flight simulator;post-stall maneuver;Herbstmaneuver

V 216.7

A

1001-5965(2011)06-0635-04

2010-03-10

潘文俊(1985 －)，男，陕西榆林人，博士生，power@ase.buaa.edu.cn.