李哲, 徐浩军, 薛源, 裴彬彬
(空军工程大学航空工程学院, 西安 710038)
飞机失控是导致飞行事故的主要原因[1],驾驶员的正确操纵是防止飞机失控的前提条件,提高驾驶员的情景感知能力(situational awareness)可为驾驶员的正确操纵提供判断依据。空客公司的研究报告指出,约85%的飞行事故或事故征候中至少一次涉及到驾驶员情景感知能力的丧失[2]。驾驶员的情景感知能力是指驾驶员对当前和今后一段时间内的飞行状态和周围环境的认知程度。有效的情景感知能力使得驾驶员能够提前预测飞机的飞行状态并采取合适的操纵策略,这对于飞行安全至关重要。现有的情景感知手段一般为实时观察部分飞行安全关键参数是否超出许用值来预测飞行风险[3]。当飞机遭遇故障(如升降舵卡阻、单发失效)或复杂气象条件(如结冰、风切边、尾流)时,飞行安全关键参数许用范围和操纵范围可能缩小。飞行员在不清楚操纵边界缩小程度的情况下操纵飞机可能导致较为严重的后果,如1994年ATR飞机结冰失事[4],飞机在5°迎角时即发生滚转,远低于许用值18.1°。对特殊情况下的驾驶员情景感知能力的研究成为了当今飞行安全领域的热点问题之一。
针对驾驶员情景感知能力的研究主要集中在飞行安全信息的显示和告警方面。Tan和Guy设计了商用飞机机载情景感知信息系统的迭代策略,提出了正常、非正常和紧急情况下的安全信息三级分类显示方法,使飞行员更容易在正确的时机获得适当的操作内容[5]。Carlos和Serafin从驾驶员操纵、信息获取、环境影响等方面设计了驾驶员情景感知能力评价系统[6]。Trujillo和Gregory研究发现在飞机发生故障前后,驾驶员更倾向于重点关注能量参数,尤其是滚转角、高度变化率和空速,为优化飞行参数显示器提供参考[7]。Gingras等研究开发了积冰污染边界保护系统(Icing Contamination Envelope Protection,ICEPro),通过直观的显示结冰位置和飞机状态等信息提高驾驶员的情景感知能力,经地面模拟器试飞效果良好[8]。Wei和肖旭等通过人机闭环系统仿真分析了驾驶员情景感知能力评价标准,进而评价了3种典型机型的驾驶舱人机交互系统[9-10]。王小龙等提出一种飞机结冰后的飞控系统边界保护方法,引入铰链力矩检测模块,提前告警飞机纵向失速,为驾驶员和飞控系统提供安全保护裕度[11]。薛源等根据多元极值理论构建了尾流风险概率三维拓扑结构图,为驾驶员直观显示场域尾流风险等安全信息[12-13]。Kasey等设计了动态飞行包线保护系统,并直观地提供给驾驶员,以提高驾驶员的情景感知能力[14]。
上述研究中,故障情况下和复杂环境情况下的安全告警系统或边界保护系统等,多是为驾驶员提供实时的飞行状态参量和边界信息,如迎角、侧滑角、舵面位置、爬升率及其限制边界等。飞行故障或复杂气象条件等特殊情况均会导致飞行安全边界的畸变,飞行安全参数许用范围的缩减,且不同情况下的飞行安全关键参数也不尽相同。驾驶员在不利外界环境影响下判定当前飞行状态,同时关注诸多飞行参数可能加重飞行员的操纵负荷,甚至引发误操纵危及飞行安全[15]。此外,飞行控制系统提供给驾驶员的信息均是带有少量延迟的当前飞行状态,不具有预测性[16]。笔者认为,相较于评判当前飞行状态是否安全,预测未来一定时间内飞行安全关键参数变化趋势和潜在的飞行风险更重要。
通常驾驶员通过油门、驾驶杆(盘)和脚蹬操纵飞机,依据当前和未来一定时间内的飞行状态,分析飞行安全参数变化趋势,计算潜在操纵动作的飞行风险,将不同操纵策略下的飞行风险,以直观的拓扑云图的方式呈现给驾驶员,将极大地减轻驾驶员的操纵负荷,有利于驾驶员在安全操纵范围内选择正确的路径和策略,避免紧张环境下误操纵导致某些参数超限。针对此问题,本文提出基于人机闭环系统仿真的复杂条件下飞行安全操纵空间的概念,将驾驶员操纵指令下的飞机飞行安全参数轨迹色彩化,划分不同风险等级,并综合计算得出相应操纵指令的风险概率,据此拓扑至所有可能的操纵策略,揭示复杂环境下的安全操纵边界和事故致灾机理,为驾驶员提供直观的安全操纵建议和告警提示。
飞机故障或复杂气象环境等特殊条件下,飞行操纵往往涉及到临界飞行状态,具有强耦合、强非线性等特点,需要构建六自由度全量非线性运动方程和环境因素模型,为人-机-环闭环系统仿真奠定基础。
飞机本体非线性动力学模型可表示为[17]
(1)
式中:x为状态向量,包含飞行速度V、迎角α、侧滑角β、四元数q0~q3、俯仰角速率p、滚转角速率q、偏航角速率r和空间位置参数xg、yg、zg。
x=[V,α,β,q0,q1,q2,q3,p,q,r,xg,yg,zg]T
(2)
u为控制向量,包括油门偏度指令δth、升降舵偏度指令δe、副翼偏度指令δa和方向舵偏度指令δr。
u=[δth,δe,δa,δr]T
(3)
为避免计算过程中产生奇点,采用四元数法构建飞机动力学模型:
(4)
(5)
(6)
同时
(7)
外部环境如紊流、尾流、风切边、结冰等对飞行安全影响较大,不当操纵易引起飞行安全关键参数超限,导致飞行事故[19]。本文选取机翼结冰来说明外部环境对飞行安全操纵空间的影响。国内外对结冰气象条件下的飞机飞行动力学特性研究较多。根据Bragg等[20]提出的结冰影响模型,构建结冰条件下的气动力模型,结冰前后气动参数为
C(A)iced=(1+ηkC(A))C(A)
(8)
式中:C(A)为某一气动导数;C(A)iced为结冰后该气动导数值;η为气象因子,用于表征飞机结冰严重程度,CCAR-25-R4附录C中规定结冰气象条件由云层液态水含量、云层水滴平均有效直径和周围空气温度3个变量决定[21],η值越大,表明结冰对气动参数的影响越大,通常气象因子取值为0~0.3[20];kC(A)为飞机结冰因子,对于特定飞机,其值为定值,通常通过试验或飞行仿真计算获得。
多数研究将表征结冰严重程度的气象因子η设定为一个定值[19-20,22-23]。然而结冰是一个动态变化的过程,因此提出结冰恶化速率因子ζ,用于表征气象因子η随时间的变化情况。令η是时间的一次函数,则结冰前后气动参数模型为
ξ=η/(t-t0)
(9)
(10)
式中:t0为结冰开始时间。
当一侧机翼除冰系统发生故障时,两侧机翼将产生升力差和阻力差,进一步产生附加滚转力矩和偏航力矩,较对称结冰情况更复杂、风险更高,因此需进一步构建不对称结冰情况下的仿真模型。Lampton和Valasek[24-25]据此提出两侧机翼的升力差模型、阻力差模型、非对称结冰滚转力矩模型和偏航力矩模型,以右侧机翼除冰系统故障为例:
(11)
式中:CLice和CDice分别为结冰后的升力系数和阻力系数;dmgc为平均空气动力弦长位置到飞机中心线的距离;Q为动压;Sw为机翼面积;CL和CD分别为干净构型下的升力系数和阻力系数。将式(11)代入飞机运动方程,即可进行非对称结冰条件下的飞行仿真。
需要强调的是,结冰不仅会引起气动参数的变化,同时将缩小飞行安全关键参数的可用范围,以失速迎角为例,结冰后的失速迎角计算模型为
(12)
式中:αstall为失速迎角。需要说明的是上述结冰影响模型适合初步分析结冰对气动参数的影响,若进行高精度的数值模拟,可以通过风洞试验记录下不同迎角和结冰程度条件下的飞行安全参数范围,以数据库的形式存储在计算机中,通过插值调用。
当前预测飞行风险的一般方法是观测部分飞行安全关键参数是否超限。飞机手册对飞行安全参数的描述是确定性的,如巡航条件下,某型飞机最大纵向正过载限制值为3.75,即正向过载值3.75是安全和危险的分界线。但是人们对于这种限制的认知却是模糊的,如飞机纵向正过载达到3.7时也是非常危险的状态。因此,Burdun[26-27]提出将飞行安全参数值进行区间化处理,通过标注不同颜色划分风险等级。但是该方法仅能表示飞行风险,不能反映飞行安全参数超限的方向性,无法给驾驶员提供明确的操纵建议,同时在复杂情况下时刻关注多个飞行安全参数易增加驾驶员的操纵负荷。尤其突出的是,复杂环境下飞行安全参数许用范围可能发生畸变,即同样的操纵量,飞机的响应可能异常变化而超出驾驶员的期望。因此本文考虑飞行安全参数风险区间的正负性和特定环境下的飞机动态响应特性,结合诸多飞行安全关键参数及其特定条件下的许用范围,计算飞行安全操纵空间,给出更加合理明确的驾驶员操纵策略。