试飞模拟器在适航审定中的应用研究

贾春 刘海明

摘 要

面对高复杂性、高集成度飞机试飞的巨大挑战，利用虚拟试飞技术支持试验任务已成为现代民机试飞的通用手段。利用试飞模拟器进行虚拟试飞是保障試飞安全的必要手段、是现代试飞技术发展的必经过程。本文通过对适航验证计划、适航条款、以及咨询通告的研究，梳理出可利用模拟器完成的试飞科研任务，对推进型号适航审定具有一定的借鉴意义。

关键词

飞行模拟器;适航审定;试飞

中图分类号： V267                     文献标识码： A

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457 . 2020 . 17 . 06

0 引言

当前，面对高复杂性、高集成度飞机试飞的巨大挑战，利用虚拟试飞技术支持试验任务已成为现代民机试飞的通用手段。在任务支持方面，虚拟试飞技术已全面进入工程应用阶段，NASA率先利用遥测数据实现地面模拟器为飞行试验“伴飞”。另一方面，由于飞行试验日趋复杂，美国提出将飞行模拟试验的认可度与飞行试验等同起来，进而使得通过虚拟试飞替代部分真实试飞[1]。

飞行模拟器经历了机械式、电子式和数字式的三个发展阶段。全任务飞行模拟器、通用研究飞行模拟器和多机模拟器联网配合的出现，标志着地面飞行模拟技术和设施进入了崭新的阶段。近年来，具有活动座舱、先进的生理感受模拟系统和计算机成像视景系统的双基地面飞行模拟器已投入运行。

本文对适航条款、咨询通告以及科目试飞方法进行了研究，梳理出可以利用模拟器或者结合模拟器来完成的试飞任务，并提出了试飞模拟器的性能要求。

1 飞行模拟器

1.1 飞行模拟器的分类

飞行模拟器一般划分为A、B、C、D四个等级，分为工程研究模拟器、训练模拟器以及试飞模拟器[2]。

表1简单列出了试飞模拟器和设计单位用于工程开发的工程模拟器和用于飞行员训练的训练模拟器在通常意义上的主要区别。

1.2 飞行模拟器的作用

根据飞行试验研究的特点，试飞部门研制的飞行模拟器的作用体现在下列几个方面：

（1）提高试飞效率和质量，对飞行科目的演练（特别是风险科目），使试飞员对飞行方法得以掌握，提高试飞效率和试飞员的心理素质。

（2）保证试飞安全，飞行试验本身具有高风险、高故障的特点，通过飞行模拟试验尽可能排除飞机各分系统存在的问题，以及不正当的试飞方法引起的人为失误。

（3）节约经费，即使是非常复杂的地面模拟试验费用也不会提高，一般是飞行试验费用的1%左右，并且地面模拟试验不受气象、时间等条件限制。

（4）缩短试飞周期，国外现在新机试飞周期较短，大量的地面模拟试验或系统级的模拟试验发挥着关键作用。

（5）提高航空科研水平，模拟或仿真本身是对被模拟对象的理论抽象和认识水平的反映。

2 试飞模拟器应用分析

2.1 试飞任务分析

现代民用飞机大量采用新技术和新方法，系统之间交联复杂，在飞行过程中，各种复杂气象、特殊环境条件的耦合作用以及其他不可预见因素的影响，增加了开展飞行试验的复杂程度。飞行试验涉及气动、结构、强度、机械、电子、计算机等多个学科，需要有一整套的试验方法、测试方法及测试改装与之相对应，从而形成了一个非常复杂的工作体系。

现代民用飞机飞行试验最为重要的目的之一是验证对相关适航条款的符合性。我国的民机合格审定基础为中国民用航空规章CCAR-25部R4版，该版本合并了美国联邦航空条例FAR-25部第101条到第125条修正案及第128条修正案，较R3版修订条款数量共计126条，对燃油箱防爆、结冰等提出了更高更苛刻的要求。此外，很多25部的适航条款并不适用（例如失速、失配平等），故需要制定了针对性的专用条件。而如何验证对这些新增条款和专用条件的符合性，对试飞工程与测试技术提出了更高的标准。

2.2 试飞模拟器性能需求

通过开发备高逼真度试飞模型和驾驶舱仿真环境，试飞模拟器能够提供高精度的试飞预测及仿真结果，并能够模拟飞机包线附近试飞情况。此外，试飞模拟器研制贯穿研发试飞、表明符合性试飞、合格审定试飞、运行及维护试飞各个阶段，能够在全试飞周期支持试飞任务[3]。

现代民机试飞仿真设备应具备如下性能特点：

（1）能进行预测性模拟，模型的校验与更新随试飞计划同步进行。

（2）能够与试飞遥测数据对接，实时接收试飞数据，实现影子试飞。

（3）能够与其他简易仿真平台互联，模拟伴飞飞行。

（4）可根据型号需要进行重构（如宽体飞机、变稳飞机）。

2.3 可模拟科目分析

通过对适航条款的分析，最小飞行机组、最小飞行重量、飞控系统故障和飞行手册验证均可采用模拟器试验的验证方法：

（1）最小飞行机组试飞的目的是验证设计的最小机组人数能够保证完成所有飞行过程中出现的任务，保证飞行安全。

（2）最小飞行重量的模拟器验证是由于试验飞机上有加改装项目与测试设备，试飞中不能达到设计定义的最小重量。

（3）飞控系统故障针对专用条件F003“电子飞行控制系统：通过操纵品质评定系统的方法来评估飞行特性符合性”。

（4）反应型风切变在真实条件下进行试验一方面试飞风险极高，另一方面气象条件极难捕捉，因此主要采用模拟试验的方法来进行功能验证。

将试飞模式向“预测-试验-比较”转变是民机试飞适航审定的趋势，虚拟试飞技术是贯彻“预测-试验-比较”试验方法的核心，通过聚合并完善现有建模与仿真资源，打通地面试验设施与信息系统之间的信息流和数据流，实现与飞行试验的无缝对接。依靠利用试飞数据校验后的高逼真度模型，改变从试飞大纲编制、机组准备到任务实施，再到飞后评价都依据经验的传统工作模式，为每一个试飞环节都提供了相应的数值验证和定量分析的试飞工程验证手段，建立民机试飞适航审定基础[4]。

3 结论

通过对飞行模拟器在国内型号中的应用调研，分析了试飞任务需求及模拟器的应用案例，可以看出，虚拟试飞技术尤其是试飞模拟器可很好地应用到大型客机的型号试飞适航审定中，可有效提高审定试飞效率，提高试飞安全水平。

参考文献

[1]王行礼.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]中国民用航空总局.CCAR60.飞行模拟设备的鉴定和使用规则[S].北京：中国民用航空总局，2005.

[3]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（21）：56-59.

[4]张建琳.仿真技术与飞行试验[J].飞行试验，2007，23（4）：29-30.