民用飞机工程模拟器设计与研制的关键技术研究

张乐萍 罗世彬 刘勋 王岩乐/ 中南大学航空航天学院 中国民用航空上海航空器适航审定中心

0 引言

飞机的模拟设备在世界航空工业史中有着里程碑式的意义。20 世纪初，美国和法国率先有了飞机模拟器的雏形[1]；到20 世纪50 年代，真正用于飞机研制的工程模拟器在欧美等发达国家陆续出现，此时的模拟器虽然设备简陋、功能单一，但对推动模拟与仿真技术的进步与发展至关重要。到20 世纪70 年代，飞机模拟器随计算机技术的发展而突飞猛进，此后各式各样的模拟设备广泛应用于飞机的科研、设计、制造、运营等领域[2]。

在我国，飞机的工程模拟器首先于20 世纪90 年代在军用飞机上得到应用。近年来，工程模拟器发展迅猛，无论是军机还是民机，飞机总体设计单位还是系统设计单位都在使用、研究工程模拟器。我国的C919 和ARJ21 等大型飞机都广泛使用工程模拟器对设计进行分析、评估和优化。

1 概况

1.1 定义

中国民用航空CCAR-60 部《飞行模拟设备的鉴定和使用规则》附录E 中对各类飞行模拟设备进行了简单定义及分类，但CCAR-60 部并未对工程模拟器进行定义。

飞行模拟机是指用于驾驶员飞行训练的航空器飞行模拟机。它是按特定机型、型号以及系列的航空器座舱一比一对应复制的，包括表现航空器在地面和空中运行所必需的设备和支持这些设备运行的计算机程序、提供座舱外景象的视景系统以及能够提供动感的运动系统（提示效果至少等价于三自由度运动系统产生的动感效果），并且最低满足A级模拟机的鉴定性能标准[3]。

工程模拟器，简称工模，是一种供研制设计人员使用的综合设备，是一种多学科综合的、人在回路的实时仿真系统[4]。主要提供尽可能逼真的飞行环境，通过具有丰富飞行经验的飞行员或工程技术人员操纵模拟器，观察飞行显控设备和仪表，感受座舱外视景、音响等，来评定飞行性能和飞行品质，对系统的设计提出修改意见[5]。

1.2 飞行模拟机与工程模拟器的差别

从上述定义中不难看出，飞行模拟机与工程模拟器存在一定差别。

1）功能不同。飞行模拟机主要用于驾驶员的飞行训练，它的训练类型和任务要求较为规范；而工程模拟器主要供设计研制人员进行设计、试验和验证，不同型号的工程模拟器的任务区别较大。

2）构造及要求不同。飞行模拟机是针对某一特定型号飞机而设计制造的，构造明确，驾驶舱布局及仪表与真实飞机有极高的逼真度，很少进行改造或升级；而工程模拟器的构造是根据型号及任务需要的变化而变化的，通用性高、功能强大、适应性广、易于改型和升级。

3）管理方式不同。飞行模拟机须按照规章要求向局方申请并通过鉴定，最低应满足A 级模拟机的性能标准；而工程模拟器的管理更自由、灵活，不需要通过局方的鉴定认可。

1.3 功能及意义

工程模拟器对于民用飞机的意义重大。首先，它环境可控、易于改型，能人为创造试验环境且重复性高，不仅能减少飞机的设计风险，还能提高设计效率。其次，模拟器试验收效快，能加快试验进程，有效缩短设计研制周期。最后，模拟器试验便捷、费用低，可以大幅度节约设计研制经费。

工程模拟器主要有以下功能：

1）驾驶舱布局及选型的研究与评估；

2）人机工效及优化的研究与评估；

3）工程心理及人为因素的研究与评估；

4）飞机气动布局设计及优化的研究与评估；

5）飞机控制律的设计、分析及优化的研究与评估；

6）飞机失速特性的研究与评估；

7）飞行品质及人感特性的研究与评估；

8）动力装置性能的研究与评估；

9）飞行管理系统的研究及评估；

10）系统安全性的研究与评估；

11）多系统交联与动态匹配的研究与评估；

12）支持试飞机组及地面人员的培训；

13）支持飞机的地面试验及试飞；

14）地面试验和试飞的问题复现、故障分析及排故研究；

15）用于MOC8 试验来表明符合性。

2 组成和构造

根据型号和任务的不同，民用运输类飞机工程模拟器的组成和构造稍有差异，但至少都包括座舱及飞行仪表、视景系统、运动系统、声音系统、操纵负荷系统、控制台以及主计算机系统等几大模块。典型工程模拟器的物理结构如图1 所示。

1）驾驶舱及飞行仪表：是工程模拟器主要的操纵、输入及仿真效果输出的硬件设备。驾驶舱为飞行员提供逼真的驾驶环境，飞行仪表实时指示或显示各种飞行参数和系统参数。

2）视景系统：是工程模拟器最主要的视觉仿真设备，用于向飞行员实时展示地面或空中的场景变化。视景系统能够仿真座舱外的景象，包括机场、跑道、灯光、建筑物、田野、河流、道路、地形地貌、活动目标等，同时可模拟能见度、雾、雨、雪、闪电等气象条件，还能模拟白天、黄昏、夜间等 景象。

3）运动系统：是工程模拟器上模拟飞机运动的设备，用于驱动整个模拟座舱，模拟飞机在空中或地面的运动，为飞行员提供过载和姿态变化的感觉。目前，最常采用的平台式运动系统是六自由度运动系统，能模拟飞机的横向、纵向、升降、俯仰、偏航、横滚六种运动，以及飞机的起飞、着陆、颠簸、失速、抖振等状态。

4）声音系统：是工程模拟器最主要的听觉仿真效果设备，用于向飞行员提供各种外界声音效果，如发动机噪声、气流噪声、起落架收放音以及襟缝翼收放音等。特别要说明的是，飞机机载设备的通信、告警声音虽然也是工程模拟器声音仿真环境的一部分，但不属于声音系统而属于告警系统。

5）操纵负荷系统：是工程模拟器上模拟飞机操纵系统静态和动态力感应特性的设备，用于向飞行员实时提供飞机在不同飞行状态和不同操纵模式下的操纵载荷力感觉和配平感觉。

6）教员台：是教员/试飞工程师进行设置、实现各类功能控制并进行综合管理的设备。应具备一个友好的人机界面，用于设置试验科目、初始条件、飞行参数、机场条件、故障模式及特情等[7]。模拟控制台不仅可以对试验进行实时监控、状态显示、数据记录、试验回放、数据分析等，还能进行系统模型和数据的建立、优化和验 证[9]。

7）主计算机系统：是工程模拟器的核心，用于实时解算飞机各个仿真模型并管理工程模拟器的运行过程。主计算机系统解算的仿真模型大致包括质量模型、动力学模型、气动模型、飞控模型、环境模型、大气模型、外干扰模型、发动机模型、起落架模型、机载系统模型、航电仿真模型等。

除以上几大模块外，工程模拟器一般还应具备航电系统、电源系统、接口及网络系统、接口监测和软件调试系统、空调与通风系统、环境控制系统、机外通信系统等。

图1 典型工程模拟器的物理结构图

3 工程模拟器的关键技术分析

3.1 工程模拟器的总体设计

工程模拟器是一种定制化产品，完成需求分析和任务规划是工程模拟器总体设计的基础。

工程模拟器在总体设计时，首先，应确定其软硬件的顶层结构，现代工程模拟器普遍采用了模块化设计理念。其次，工程模拟器涵盖了飞机的各系统及应用软件，总体设计时还应考虑各模块之间的内部通信与信号传输逻辑，协调各模块的工作频率和时序[5]。此外，总体设计时应规划计算机实时解算数学模型后如何与各模块连接、如何实现实时的运行控制和数据交互，即进行网络构架设计。最后，总体设计还应充分考虑工程模拟器在不同设计阶段的任务需求和资源，考虑数据、模型和组件的扩展性和兼容性。

工程模拟器是一个复杂的系统工程，其工程仿真与试验涉及多个专业与学科，工程模拟器各系统和模块有着明确的分工和任务，但又相互关联、相互影响，因此，工程模拟器在总体设计时要统筹设计、兼顾管理。

3.2 工程模拟器的仿真模型库

工程模拟器各系统仿真模型的准确度将直接影响工程模拟器的总体性能和品质[5]，因此，准确建立各系统的数学模型和数据库也是工程模拟器设计研制工作的重点及难点之一。

工程模拟器各系统在建立数学模型时，应充分研究原系统的物理特性，以保证数学模型的合理性和准确性，建模时要充分考虑飞机的故障条件、故障模式等。目前，我国在系统建模方面已积累了一定经验和成果，并在工程模拟器上得到了应用，但早期的设计人员没有意识到建立仿真模型库和方法库的重要性，导致好的经验、方法和模型没有得到有效的传承，以至于我国工程模拟器建模水平难有进一步提升和发展，国产仿真模型也一直存在使用困难、兼容性低等问题。

3.3 仿真模型建立及数据包开发

工程模拟器仿真模型及数据包的完整性、准确性直接影响着工模的性能和逼真度[5]。不同系统的仿真模型及数据包在工模各研制阶段的要求各不同，建模及开发数据包的方式也不相同。

在工模研制初期，气动模型是根据计算数据、风洞数据等来建模和提取数据包的，起落架、发动机、飞控等模型一般先由供应商提供基础模型和数据包，液压、燃油、电源、环控及其他机载系统通常先选用成熟通用模型及数据包。进入试飞阶段后，飞机设计研制单位先采集大量真实试飞数据，再结合其他工程数据组成一套完善的飞机数据体系，然后根据飞机性能和设计特征对数据进行分类、校正、参数辨识，最后修正各系统模型并提取数 据包。

HB7504.6-1997《飞行模拟机设计与性能和数据要求》中对飞行模拟机仿真建模的数据做了一定要求，工程模拟器设计时可做一定参考。

在我国，仿真和试飞数据十分稀缺，无论是主机厂还是各系统研制单位，对数据进行收集、整理和分析的能力都比较薄弱。由于知识产权等原因，难以实现数据共享和数据的二次开发，甚至即使得到了国外成熟机型可借鉴的数据包也难以进行扩展和分析。因此，数据包的获取和分析，是工程模拟器研制过程中的难点及重点。

3.4 工程模拟器的综合集成技术

工程模拟器高度集成了飞机的各系统，涉及多个专业与学科，应能给飞行员和工程师以真实的操纵感受和结果。工程模拟器的功能强大、任务繁杂、数据量庞大，且计算量巨大、计算精度高、接口复杂，不仅要求各系统仿真的逼真度高，更要求各系统交联协调工作的逼真度高。因此，工程模拟器的集成技术要求非常高，集成和调试的难度也非常大。

3.5 工程模拟器的逼真度评定

随着现代民用飞机各系统的复杂性不断增加，当面对飞机试飞风险过大、飞机或外部环境状态无法到达、对飞行试验进行合理增补以及特定场景下不同飞行员的重复性试验等情况时，可以考虑使用模拟器试验（MOC8 试验）来表明符合性，但前提是模拟器经评定确认具备相应仿真能力。因此，在工程模拟器上开展型号飞机的各类研究及评估，尤其是进行MOC8 试验来表明符合性时，必须先评定工程模拟器相对真实飞机的逼真度和可信度，以确保工程模拟器具备完成相应试验的功能和达到与真实飞机一致的特定逼真度[6]。

在工程研究过程中，可以从模拟硬件的逼真度、模拟软件（包括仿真模型和数据）的逼真度、开环模拟系统的逼真度、闭环模拟系统的逼真度、飞行员主观评价逼真度、模拟任务的逼真度和模拟经验的逼真度等方面进行衡量。对飞行模拟器逼真度的评价包括定性的功能试验和定量的性能试验。

对于工程模拟器的逼真度评定，目前国内外都还没有完善的、系统的要求和方法，但在具体定量测试项目的选择和容差标准等的确定上，可以参考FAR-60 部、ICAO-9625、CCAR-60 部等飞行训练模拟机的鉴定标准。

4 结束语

工程模拟器作为现代民用飞机设计研制过程中不可或缺的综合性验证设 备[8]，几乎贯穿飞机设计研制的全生命周期，意义重大、作用突出。本文介绍了大型运输类民用飞机工程模拟器的组成与构造、意义和功能，并对工程模拟器研制过程中的总体设计、模型库建立、数据包开发、综合集成、逼真度评定等关键技术进行了分析，对工程实践有一定借鉴意义。