民用飞机工程模拟器设计

涂相征

摘要：飞机工程模拟器是人在回路的飞机半实物仿真平台，贯穿于飞机系统研制的各个阶段。在飞机研制的不同时期，工程模拟器都可以配合飞机研制实现相应的试验和验证功能。视实际用途的不同，飞机工程模拟器有带运动系统和不带运动系统两种，介绍了具有一定自由度带运动平台的工程模拟器方案设计。

关键词：飞机工程模拟器；六自由度运动系统；仿真平台

DOIDOI：10.11907/rjdk.143483

中图分类号：TP319

文献标识码：A 文章编号文章编号：16727800（2015）001010302

0 引言

在飞机系统设计初期，工程模拟器可用于飞行控制律、飞行控制系统功能的初步设计与验证；在系统详细设计阶段，工程模拟器可用于飞行控制律的详细设计与验证、飞行品质的评估、飞行控制系统功能的详细设计与验证等；在系统设计后期，工程模拟器可用于驾驶员在环试验、部分适航符合性试验、系统功能危害性试验以及机组培训等，视实际用途的不同，飞机工程模拟器有带运动系系统和不带运动系统的。具有一定自由度的带运动平台模拟器，不仅为飞行员和操纵者提供了飞行控制环境，还提供了飞机对人员操纵响应过程的加速度、速度和位置等运动感觉。因此，更有利于飞行体验，并提高对飞行品质评定结论的置信度。

本文将着重介绍带六自由度运动平台的工程模拟器设计，其效果见图1。

1 工程模拟器总体设计

飞机工程模拟器[1]贯穿于飞机系统研制的各个阶段，提供飞机不同阶段的工程应用环境，同时为飞行员提供逼真的飞行环境。

工程模拟器具有人在回路的半实物仿真特点，具备以下功能：①工程试验的仿真与验证；②飞行员在环仿真验证；③机组初步培训；④支持飞机改型设计。

工程模拟器目前尚没有明确的标准，其设计可参照CCAR60 部的D 级飞行训练模拟器标准，亦可根据实际需要进行适当调整。

图1 工程模拟器设计

2 工程模拟器总体设计

2.1 整机组成

飞机工程模拟器基本上由以下12个分系统[24]组成：①驾驶舱结构与驾驶舱设备仿真系统；②主飞行仿真系统；③航电仿真系统；④视景系统；⑤六自由度运动系统；⑥操纵负荷系统；⑦声音仿真系统；⑧综合控制台系统；⑨硬件接口系统；⑩计算机实时仿真及网络系统；B11工程师平台；B12环境与支持系统。

2.2 分系统设计

（1）驾驶舱结构与驾驶舱设备仿真系统。驾驶舱结构主要包括驾驶舱、操纵平台、模拟器后舱、登机桥等，与飞机真实的驾驶舱大小及布局基本一致，为飞行员提供逼真的驾驶环境；驾驶舱设备仿真系统主要包括驾驶舱操纵器件、驾驶舱开关、驾驶舱内显示设备等，由于工程模拟器是一个不断开发、试验、再开发、再完善的过程，初期驾驶舱内很多操纵部件可能需要仿真，并不断地迭代。因此，要考虑驾驶舱仿真部件装卸的方便性，便于整体拆卸和安装。

（2）主飞行仿真系统。飞行仿真系统通过建立飞机的气动模型、运动学模型以及机上电源、燃油、液压等系统数学模型来实现飞机的飞行特性、动力特性以及相关系统逻辑的模拟。飞行仿真系统中的数学模型模拟对象的工作过程，包括从发动机启动之前直到发动机停车之后的所有飞机特性。另外，为了提高工程研究效率，飞行仿真系统还可实现冻结、参数设置、参数锁定、环境设置和故障模拟等功能。

飞行仿真系统运行在仿真计算机上，对飞机的相应系统和设备进行数学仿真，并通过实时仿真计算机上的接口软件、网络通讯程序、座舱设备及其它交联系统进行数据交互，驱动座舱内的仿真设备工作。

对于软件模型，在开发前应充分考虑后续试验要求并留有相关接口，软件模型要模块化，以便在开发故障模型时尽可能减少对已开发模型的修改程度、减少开发时间，并使总体软件更简洁，具有更高的可读性，便于维护和二次故障模型的开发。

（3）仿真系统。航电系统是飞机性能参数和导航参数显示的窗口，十分重要，必须提供在功能上和外观上与真飞机尽可能逼真的各类仪表，将飞行参数、导航参数、发动机参数等实时显示并提供给驾驶员和工程人员，以满足工程研究和试飞培训的需要。

航电仿真系统主要仿真通信系统、指示和记录系统、导航/监视系统。对于诸如客舱系统、 机载维护系统等可根据模拟器的实际用途决定是否仿真。

（4）操纵负荷系统。操纵负荷系统是人在回路仿真系统中的负载模拟装置，实现驾驶杆力和脚蹬力的仿真，同时计算出相应控制面的偏转角。目前，操纵负荷系统分为电动和液压两种，液压式操纵负荷系统技术较成熟，但由于成本较高、油液污染、维护成本高、功耗大等缺点，逐渐被电动式操纵负荷系统所代替。电动式操纵负荷系统经过数年的发展，技术成熟。其成本低、无污染、安装简便、维护简单。除此之外，还有对于逼真度要求不高的装置，比如前轮转弯等亦可用机械弹簧或磁粉离合器等无源或有源装置来仿真，成本低，方法也简单。

（5）综合控制台。通过良好的人机界面，完成模拟试验、试飞科目的设定；整机初始化设置；某些飞行参数、机场条件、飞机状态的显示和设置；飞机故障及特殊情况的设置；飞行过程监控；飞行记录；模拟器设备的各种控制（系统工作模式控制、应急控制、在线自动测试控制、故障诊断控制）等功能。

（6）六自由度运动系统。平台式运动系统可分为三自由度、四自由度、五自由度和六自由度4种，平台式运动系统能较逼真地仿真瞬时过载动感、重力分量的持续感及部分抖动冲击信号。目前使用最广的是六自由度运动系统平台（升降、纵向、侧向3个线运动及俯仰、偏航、倾斜3个角运动），运动系统向飞行员提供六自由度的运动信号，使飞行员感觉与真实飞行相一致，并适时为飞行员提供操纵暗示。对于带有运动系统的模拟器，还应考虑部件安装的牢固性，以免影响安全。

（7）视景系统。利用计算机图像生成技术，产生逼真的窗外景象，如机场、跑道、田野、河流、道路等地形地貌，云、雾、雪、雨等气候景象，给飞行员和工程设计人员提供实时逼真的视觉感受。

（8）声音仿真系统。利用计算机技术和语音合成技术，给飞行员提供实时逼真的听觉感受，从而增强人的沉浸感，使飞行员能够根据音响判断出飞机的飞行状态。

（9）计算机实时仿真及网络系统。以实时仿真计算机主机作为核心节点，与其它分系统计算机节点共同组合成一个分布式实时系统，从而完成模拟器所需的所有控制和仿真计算。实时通讯应采用相同的操作系统和语言开发环境，若采用不同的操作系统或开发语言，就需考虑网络传输时网络字节序的问题。不同的操作系统和开发语言对数据的存储方式是不一样的，若不加以重视，传输数据就有可能出现严重错误。

（10）硬件接口系统。主要完成模拟驾驶舱输入的模拟量、数字量、开关量的数据采集，完成模拟驾驶舱的相关指示灯、告警灯、导光设备的驱动，完成驾驶舱中航电设备的驱动。

（11）工程师平台。工程师平台包括工程师终端计算机、投影仪、复现成像系统、视频转换器，与网络相连，可进行模型设计、程序开发，并将最终结果传输到工程模拟器中进行动态验证。

（12）环境与支持系统。由电源系统、空调和通风系统、机内外通话系统等组成，主要提供系统所需的各种电源、电缆、插座等，同时提供记录设备、视频记录和处理设备、打印设备等。

3 结语

实践证明，工程模拟器的使用能够促进飞机的研制进程，为飞机的试飞取证提供重要的试验手段。

参考文献：

[1] 王行仁，贾荣珍.飞行实时仿真系统及技术[M]. 北京：北京航空航天大学出版社，1998.

[2] 宋翔贵，张新国.电传飞行控制系统[M]. 北京：国防工业出版社，2003.

[3] 王维翰.民用飞机工程模拟器与训练模拟器的区别[J].民用飞机设计与研究，2003（1）：7880.

[4] 赵旭东，贾荣珍. ARJ21飞机工程模拟器关键技术研究[J].系统仿真学报，2009（21）：5761.