“驾驶员诱发振荡”事关飞行安全

文谢檬峻

“驾驶员诱发振荡”事关飞行安全

文谢檬峻

飞机的飞行安全问题事关重大，如何从根本上减少和杜绝此类安全事故，一直以来就是有关专家和技术人员研究和攻关的重点科研项目。本文则从另外一个角度探讨和分析这个问题——

飞行安全一直是航空业事业首要关注的重要问题。最近，笔者就此问题做了一些调查和研究，下面就是笔者的一孔之见。

一

如何减少飞行事故的话题一直伴随着航空事业的发展。随着人类文明的不断进步，与飞行器制造和飞行控制相关的学科都有了长足的进步，从而促进了飞行器安全性、可靠性和自动化程度的提高，飞行事故的发生率也随之显著下降。从事故发生率来看，航空运输可以算得上各种交通运输工具中最安全的一种方式。但是，由于飞行的特殊性，从世界空难事故统计资料可见，飞行安全形势仍然非常严峻。

影响飞行安全的因素有很多，“驾驶员诱发振荡”就是因素之一（以下简称PIO）。PIO是一种飞行现象，表现为非预期、不可控的飞机振荡，是由人-机闭环系统中驾驶员与飞机两个环节的某种不良耦合所引起，是影响飞行安全的重要因素之一。飞机本身是一个复杂系统，但是当其处于一定的飞行状态时，飞机、机组人员和飞行环境组成的系统就更复杂了，即“驾驶员-飞机-飞行条件”系统，飞机飞行安全主要由这个大系统决定。因此，影响飞行安全的主要因素就是该系统的三个组成部分，这三个因素中任一个出现问题或它们之间的关系出现问题都会引起飞行事故。而由PIO不稳定而引起的一系列问题，是人和飞机两个飞行安全因素同时影响的产物。随着科技的进步和飞机飞行包线的不断扩大，操纵系统由简单机械操纵，经可逆和不可逆助力操纵发展到高性能全时全权限的电传操纵。尤其70年代后，随着电传系统的应用逐渐增多，这种PIO倍受世界航空界的重视。

二

在飞机试飞中，PIO有着举足轻重的地位。专家指出：“为保证飞机的飞行安全，飞机必须由试飞员进行高增益（宽带宽）、闭环任务试验来确认可能遭遇不利的可能性最小。但是，对认为在实际飞行中太危险的状态（如超出使用包线之外的飞行状态，重度大气扰动中的飞行，带特定失效状态的飞行等），如果具有在所关注的飞行状态下经过确认的高逼真度的运动基模拟器，则闭环评估任务可以在其上进行。”

尽管飞机试飞方法很多，但准确预测或复现实际飞行中PIO却是十分困难的。同时由于PIO的触发存在一定危险性，一些太危险的飞行任务需要在飞行模拟器上进行，这无形中降低了驾驶员操纵的紧张程度，进而增加了试验与实际飞行中触发PIO的差距。无论利用何种手段进行PIO预测试飞试验，根据PIO系统机理准确分析原因，进而改进现有设计，提高飞机飞行品质和安全水平，是进行PIO试验的根本目的所在。于是，如何准确在特定的飞机构型、驾驶员任务以及触发因素上做到安全无误，是试飞需要解决的首要问题。由于当前研究水平有限，试飞任务的设定以及评估效果还不是很理想。因此，研究出一系列具体的PIO预测试飞方法具有迫切的重要意义。

三

国际航空界一直视PIO为极具挑战性的难题之一，并十分重视其研究。现已在其理论研究等方面取得了大量成果，其应用对如何设计飞控系统来减少发生PIO的可能性方面起到了很大作用。

国外对于PIO的研究起步较早，20世纪70年代就有很多相关的文献资料，直至1992年，美国的YF-22飞机试飞时因PIO而失事，C-17飞机也出现了PIO现象，从而引起国内外专家的重视，PIO成为目前研究的新热点。1994 年4 月至1997年1 月，美国塔斯基吉大学航空科学工程实验室的工程师经过近三年的研究，利用一套拥有美国航空航天局开发的F-15E飞行仿真软件的飞行系统，通过多次实验，开发出一个示范PIO现象的低成本仿真系统。1995年，有人提出了率饱和度对采用了等效频率描述函数的飞行控制系统的影响探讨，并提出了一个在飞行控制系统中考虑了率限制器的新准则。1998年，5名工程技术人员和试飞员在相关模拟器上执行了大量飞行模拟实验，得到一组描述现代飞行控制系统操纵速率饱和引起的PIO现象的数据，并计算出总共342种模拟趋势。仿真结果表现了两个不同试验任务，模拟运动系统和不同驾驶员特性对飞行安全的影响。他们对这组仿真数据进行分析讨论，开发出了一个新的非线性PIO预报标准。1999年，两位工程师基于鲁棒稳定性分析了II型PIO。假设PIO以有限循环的行为来表征，然后得出了两条研究II 型PIO的准则。第一条是用一个线性定常增益来代替非线性部分，这等价于经典的描述函数分析法，但避免了描述函数方法的计算困难。第二条准则是基于速率饱和致动器函数的稳定性分析，保证了非线性设备的渐进稳定性。并通过几个算例证明了他们提出方法的有效性。

四

2000年，有专家提出了一个预测人-机系统是否能引起PIO的分析方法。专家利用等效增益代替非线性部分，接着推导出系统的一个允许使用工具模型，又通过检测潜在的循环限制，对这个方法进行了一些修改。最后在F-18 纵向飞行控制系统中进行验证。

2002年，欧洲航空科技研究组织建立了一个研究小组，致力于研究一种新方法去发展现有的非线性特性评估技术。该小组的实验结果被收录在一本手册中，这一研究成果为在飞机设计中如何避免不利于飞行安全的各种因素奠定了基础。2003年8 月，英国利物浦大学的研究人员在大气飞行力学会议上提出了建模以及进行飞行仿真实验，从飞行力学的角度研究，在纵向和横向都不稳定，并伴随着PIO倾向的情况下可操作性。同年，美国的研究人员开展了实时探测方法研究，并提出了各种不同的探测器方案。2004 年3 月，英国和美国的研究人员研究出一个纵向PIO倾向的评级描述函数，他们设计出一个新标准，用于计算PIO的敏感性。2005 年8 月，研究人员在美国航空航天研究所大气飞行力学会议上提出了一些关于PIO 的测试建议。他们建议对于PIO外在的测试，在未来发展测试的程序上做一个转变，通过飞行测试，测试初步的地面仿真手段。在地面仿真和飞行测试两个环境下，描述并讨论现代地面模拟机的缺点并考虑其敏感性。2006 年12 月，几位科学家以一次实际飞行操作为例，演示了饱和率制动器系统中一种反震动新技术。发明了一种调整反震动补偿器的评估交换新方法，此法平衡了飞机性能和引力区域的大小。同时把该反震动算法运用到实验飞机的纵向和横向非线性动力学仿真模型中，结果显示了反震动在减小飞机的PIO敏感性方面的潜力，并在飞行测试中得到验证。

五

国内对PIO的研究起步较晚，但从空气动力学、飞控系统、模拟仿真算法等方面对PIO的研究都取得了一定成果。1991 年8 月，空军工程学院的陈廷楠和徐浩军根据PIO 的实质，从闭环控制理论出发，提出了人-机系统数学模型，并以时域法作为算法，进行数学建模对PIO进行研究分析。证明了时域法计算方法具有直观性，物理意义强，可以考虑众多非线性因素，有更加可靠的优点。第二年的12月，陈廷楠和张广军应用人-机系统闭环控制原理，对J7-Ⅱ飞机的PIO问题进行了研究。他们先建立了一个人-机操纵系统-机组合系统及大气紊流的数学模型，然后详细分析J7-Ⅱ飞机的PIO问题，复现几次较为典型的PIO现象，找出PIO 敏感区及排除PIO 的方法，最后对理论进行模拟实验，验证理论分析的正确性。1993年6 月，陈廷楠、徐浩军等人研究了操纵速率对PIO 的影响，使驾驶员模型更为完善，使人-机系统的动态特性更接近实际情况。

1994年3月，中国飞行试验研究院的陈扬鉴较为完整地介绍了飞机PIO 的定义、预测方法、辨别方法和影响因素，并以歼教七飞机纵向振荡的研究结果加以说明。1997年1月，成都飞行设计研究院的王永熙从飞行控制系统角度，分析了系统杆力、传动比、间隙、摩擦力以及飞控伺服作动器对PIO的影响。用矢量图简明反映飞机产生PIO 的可能性和趋势，对飞机飞控系统的设计和对PIO现象的分析、处理有不错的参考价值。1998年3 月，陈廷楠、张登成等人通过对机动襟翼调节规律的分析，建立包括机动襟翼在内的人-机闭环系统数学模型，从而计算分析机动襟翼对纵向PIO的影响，得出的结果是：机动襟翼设计合理对PIO 影响不大。

1999 年4 月，研究人员拟定了飞行品质的计算方法，然后针对两个被控对象模型进行了飞行品质计算，分析驾驶员剩余、系统输入、大气紊流以及驾驶员模型参数变化对驾驶员评价品质的影响。以后，国内不少专家学者都做了不同的有关PIO的实验和研究，都得到了可喜成果。

总之，PIO作为一个一直以来对飞行安全构成威胁的现象，从设计阶段就有相应的准则对其进行规范。但由于PIO影响因素的多样性，仍无法从设计阶段解决这一问题，但是，目前有一套成体系的试飞方法已经研制成功，它为改进和提高飞行安全系数提供了更多借鉴和保证。