浅谈空中飞行模拟在电传民机研发中的应用

金利云，王 磊

（上海飞机设计研究院，上海201210）

浅谈空中飞行模拟在电传民机研发中的应用

金利云，王 磊

（上海飞机设计研究院，上海201210）

电传民机已经普遍采用控制增稳和主动控制技术，对飞行品质分析以及控制律设计提出了更高的要求。研究空中飞行模拟的发展历史和优势，给出其常见应用领域。

变稳飞机；空中飞行模拟；电传操纵；民机

空中飞行模拟是电传民机飞行品质分析和控制律设计的一种重要工具。变稳飞机发展始于上个世纪五十年代，最初用于军用飞机的横航向操纵品质的检查[1]。随着早期变稳机的不断发展，空中模拟飞机逐步成熟。与地面飞行模拟相比，空中飞行模拟给飞行员提供更为真实的视景和运动感受，特别是置身于真实的空中环境，给飞行员提供更加真实的心理状态[2]，从而获得更为可靠的飞行员在环的飞行品质分析结果。

现阶段国内民机的研发，仅使用地面模拟器来评估飞行品质和开展控制律设计，其中包括工程模拟器和铁鸟等试验平台。二十世纪七十年代，军机研发过程中发现只使用地面模拟器有明显的先天缺陷[1]。由于心理模拟及视景的不完美，飞行员处于低增益状态。多种飞机在设计后期，首飞之前都会进行空中飞行模拟[1]，尽早发现隐藏的操纵品质问题。未来，国内电传民机的飞行品质评估和控制律研发，也需要地面和空中模拟相互补充[1]，实现对飞机更为真实的模拟。

本文研究了空中飞行模拟和地面飞行模拟的区别，给出空中飞行模拟的常见应用领域，并建议了一种用于电传民机研制的空中飞行模拟验证过程，为未来国内民机研发中的空中飞行模拟提供参考。

1 空中飞行模拟与地面飞行模拟区别

1.1 地面飞行模拟

地面飞行模拟是在地面试验室基于视景系统、运动系统、模拟驾驶舱、飞行器及系统的数字化模型等进行的飞行模拟，是航空发展的重要技术之一。它具有安全、经济、可重复使用、不受气候和空间影响等特点[3]，既可用于飞机研发设计过程，又可用于培训飞行员。但地面飞行模拟有以下先天缺陷：

（1）视景系统与真实环境光相比，亮度不足[1]；

（2）由于飞行员预知地面模拟的安全性，不能真实模拟实际飞行中的精神负担和紧张程度，不能有效暴露人机闭环飞行品质问题，比如驾驶员诱发震荡（PIO）现象；

（3）飞行员感受的加速度、运动幅度等动态暗示受限于地面模拟设备；

（4）视景系统和运动系统响应与飞行员输入后的实际飞机响应有时间延迟。地面飞行模拟与真实飞行之间的差距较大。因此，空中飞行模拟应运而生，人们开始大力研究和发展空中飞行模拟技术。

1.2 空中飞行模拟

空中飞行模拟是在空中飞行模拟器（又称空中飞行试验机或变稳飞机）上，给飞行员提供真实的视景和飞行运动加速度感受，复现被模拟飞机和系统特性的飞行模拟。空中飞行模拟器一般装有两套操作系统，一套是安全飞行员操纵的基本飞机的系统，另一套是电传操纵变稳系统（含气动变稳和可变人工感受两套系统）。当模拟机出现故障或被模拟飞机出现不可操纵特性，安全飞行员可断开变稳系统，恢复成常规操纵飞机。空中飞行模拟器可以进行大范围的参数调整，与普通飞机试飞相比更灵活。

空中飞行模拟将飞行员置于真实空中环境，能够校核地面飞行模拟数据，解决地面模拟器无法解决的问题，如PIO现象、故障模态等[4]。空中飞行模拟是地面飞行模拟的重要补充。上个世纪五十年代以来，空中飞行模拟已经成为发达国家飞行试验的重要技术之一，很多新机的研制都经过空中飞行模拟[4]。最近，飞行模拟的新方向是空-地综合飞行模拟系统，结合地面和空中飞行模拟的优点，共同完成飞行模拟实验，将是飞行模拟的更高形式。

2 空中飞行模拟的应用

国外许多采用先进电传控制技术的民机，均采用空中飞行模拟开展先期验证与飞行模拟验证。波音777在研制过程中利用波音757空中验证平台对飞行控制系统进行了全面的验证。空客A320和A380等机型也都使用空中飞行模拟技术验证电传操纵系统。国内在研电传民机具有控制增稳和主动控制等特征，而针对民机验证的空中飞行模拟仍是空白。针对国内民机研究现状，未来空中飞行模拟作为地面飞行模拟的重要补充，会贯穿民机设计过程。空中飞行模拟在电传民机研发中的应用领域主要包括：飞行品质评估、气动参数辨识以及控制律设计和优化。

2.1 电传民机飞行品质研发早期评估

先进电传民机由于电传操纵系统增益高、阶次高、时间延迟较大和非线性较强等特性，在特定情况下易产生PIO现象，给飞行试飞带来危险和挑战，甚至导致灾难级的事故，因此最好能进行大量的空中模拟飞行试验[2]。空中飞行模拟提供真实的大气环境，视景以及心理状态，用来研究飞行员在环飞行品质问题能得到更佳的结果，起到校核地面飞行模拟结果的作用[2]。在电传民机的研制早期，空中飞行模拟能够充分暴露重大飞行品质缺陷，及时改进设计，加快研发进度。

2.2 电传民机气动参数辨识研究

气动参数辨识是应用系统辨识技术从飞行试验数据求取气动力系数，从而更新动力学系统的数学模型，用于验证和校正飞机大量的风洞试验和理论计算结果，获取更为真实的气动数据。先进电传民机的设计特征，增加了试飞难度，也给参数辨识工作增加了困难。空中飞行模拟由于变稳机具有完备的机载测试和地面监控设备，能测试和记录飞行员、电传操纵系统以及飞机运动等静、动态特性，为气动参数辨识方法研究提供有利条件，降低了电传民机试飞的风险[2]。

2.3 电传民机控制律优化设计

空中飞行模拟利用比地面飞行模拟更真实的环境验证飞行控制系统，对故障模态、飞控模式切换、不同控制律切换、控制律逻辑等方面进行验证。在研发早期的空中飞行模拟是对控制律设计需求的确认，研发后期的空中飞行模拟是对控制律设计需求的验证。空中飞行模拟是电传民机控制律设计和优化的一种新工具。

3 建议的电传民机空中飞行模拟验证过程

空中飞行模拟在电传民机研发中的建议验证过程[1]如下：

（1）初期空中飞行模拟：在民机研制早期，作为对地面飞行模拟的补充，进行空中飞行模拟，找出严重操纵品质的缺陷，优化控制律；

（2）首飞前的空中飞行模拟：对首飞构型的控制律进行确认和检查，降低首飞风险；

（3）首飞后的空中飞行模拟：基于参数辨识后的新模型以及优化后的飞行控制系统，在空中模拟器开展飞行验证工作，降低风险，加快研制进度。

4 结束语

空中飞行模拟在研究电传民机的飞行品质、研发新的飞行控制系统以及试飞员培训等方面具有非常重要的意义。未来空中飞行模拟技术会与地面飞行模拟有效结合，贯穿国内电传民机的设计过程，加快研制进度。

[1]张 勇.模拟器在飞行控制系统开发中的应用[J].系统仿真学报，2011，23（1）：142-147.

[2]汤 钟.BW-1变稳飞机应用研究及其技术准备[J].飞行力学，1992，10（4）：17-23.

[3]熊端琴，刘宝善，郭 西.现代飞行模拟的进展[J].人类工效学，2004，10（3）：69-71.

[4]袁 东，余 静.俄罗斯的空中飞行模拟试验机[J].飞行力学，1993，11（1）：15-20.

A Brief Introduction to In-Flight Simulation used for FBW Civil Airplane Development and Research

JIN Li-yun，WANG Lei
（Shanghai Aircraft Design and Research Institute，Shanghai 201210，China）

Control augmentation system and active control technology are now common used in FBW civil airplane，which raise higher requirements for flying quality analysis and control law design.The history and advantage of In-Flight simulation is researched，and its regular applications are provided.

variable stability aircraft；In-Flight simulation；fly-by-wire；civil airplane

V219

A

1672-545X（2017）08-0133-03

2017-05-11

金利云（1987－），女，江苏人，硕士，工程师，研究方向：操稳分析和控制律设计；王 磊（1986－），男，广东人，博士，工程师，研究方向：操稳分析和控制律设计。