浅述用于飞行品质培训的飞行模拟器构建

摘 要 针对试飞员飞行品质评价训练的需求，以飞机动力学原理为基础，在根据飞行品质特性反推气动导数进行动力学建模的基础上，利用六自由度运动系统及可变人感特性的操纵加载系统，建立了一套专门用于试飞员飞行品质评价训练的地面飞行模拟系统，实现了不同飞行品质特性的全量飞行模拟，提高了试飞员飞行品质评价训练的效率和安全性，降低了培训成本。

关键词 飞行品质;动力学建模;飞行模拟器;试飞员培训

引言

试飞员飞行品质评价训练是试飞员培训的一项关键内容，变稳飞机在试飞员飞行品质培训方面有非常重要的作用[1]，它通过控制律调参来改变飞机的飞行品质，可以让试飞员在同一飞行条件下感受不同的飞行品质特性，但受平台飞机能力的限制，变稳飞机能够模拟的飞行品质特性的范围和种类有限，而飞行模拟器在这方面没有限制，而且具有培训成本低、效率高的优势[2]。本文针对试飞员飞行品质评价训练的需求，在根据飞行品质特性反推气动导数进行动力学建模的基础上，利用六自由度运动系统以及可变人感特性的操纵加载系统，建立了一套专门用于试飞员和试飞工程师飞行品质体验及评价训练的地面飞行模拟系统。通过该系统，学员可以体验不同的飞行品质特性以及操纵系统特性，实现了不同飞行品质特性的全量飞行模拟。

1飞行动力学建模

有人驾驶飞机（固定翼）飞行品质标准[2]对于不同类型、不同等级的飞行品质特性有不同的要求，针对试飞员飞行品质评价训练的需求，按照需要模拟的飞行品质特性，以某飞机的气动参数为基础，根据这些飞行品质特性要求去反推所需的气动参数，经过适当的简化后，通过常规的飞机动力学建模和仿真方法，来实现不同飞行品质特性的全量飞行模拟，以满足试飞员和试飞工程师飞行品质体验和评价训练的需求[3]。

1.1 纵向动力学建模

纵向需要模拟的飞行品质特性主要包括纵向静稳定性、机动稳定性和短周期模态，要模拟不同的纵向飞行品质特性，需要反推的气动导数有、和，得到这些气动导数后，就可以实时解算飞机的纵向操纵响应。

纵向静稳定性主要由决定，纵向机动稳定性主要由和决定，表达式见公式（1）和公式（2），式中和别为机翼和平尾产生的附加升力，和分别为机翼和平尾的气动力力臂。移动重心将直接改变机翼气动力力臂和平尾气动力力臂，其实质是改变了和，但力臂通常要比大得多，而重心移动的范围又非常小，所以近似地认为是不变的。建模时可通过仅改变来模拟重心位置的移动对飞机静稳定性和机动稳定性的影响。

由于、相对较小，影响飞机短周期频率的主要参数为，影响短周期阻尼比的主要参数为，因此在给定短周期频率与阻尼比的情况下，通过调整飞机气动参数、和，就可以使模型能够呈现期望的頻率和阻尼比。

1.2  横航向动力学建模

横航向需要模拟的飞行品质主要包括航向静稳定性、横向静稳定性、有利/不利偏航、荷兰滚模态、滚转模态和螺旋模态，需要反推的气动导数有、和等，得到这些气动导数后，就可以实时解算飞机的横航向操纵响应。

航向静稳定性主要由决定，其表达式为公式（4）。建模时固定横航向其他气动参数，仅通过改变即可模拟不同的航向稳定性。

螺旋模态的稳定条件由“”的值决定，大于零时，螺旋模态收敛;小于零时，螺旋模态发散;等于零时，螺旋模态为中性。因此，建模时利用荷兰滚模态确定气动导数、和的基础上，通过调整，即可模拟不同性质、不同品质等级的螺旋模态。

2人感系统

为了使试飞员能够体验不同的操纵系统特性，采用了可变人感特性的电动操纵加载系统[5]。电动操纵加载系统能够提供光滑、平稳的力感觉，可对操纵系统的启动力、死区、阻尼比、摩擦力、最大操纵力、最大操纵速度、最大操纵位移等特性进行设置。操纵加载系统能够在不同的模式下工作，包括正常飞行（力回路）、冻结、配平、零力、弹簧等。

针对试飞员培训的需求，罗列了俯仰通道和滚转通道需要模拟的操纵特性，内容如表1所示。在培训过程中，可通过控制台软件，实时对操纵系统特性进行更改，提高培训的效率。

3运动系统

运动系统可模拟飞机纵向、升降、横向、俯仰、横滚和航向六自由度运动，能够为驾驶员提供瞬时过载感觉，并可对飞机起飞、着陆触地和失速抖振等特殊效果进行模拟。运动系统对于飞行品质体验和评价训练非常重要，能够给训练人员提供接近真实飞机驾驶舱内的运动感觉，提高训练的逼真度。运动系统采用六自由度电动运动平台，具有响应速度快、可靠性高、使用维护方便、噪声小等优点。该系统由运动系统机械结构、电气控制柜、气动支撑系统和运动控制计算机及其软件组成，其主要技术指标见表2。

4控制台软件

控制台软件主要负责飞行品质评价训练内容的设置、运动平台状态的监控以及整个模拟流程的控制（包括停止、复位、运行、暂停等功能）。

5任务考核

学员在建立的飞行品质评价训练模拟器上完成相应的培训后，教员可以通过控制台设置不同的飞行品质特性和操纵系统特性，让学员在模拟器上进行模拟飞行任务考核，学员通过自己设计试飞方法，去判断飞机纵向和横航向的品质特性以及操纵系统特性，最后将评价结果和控制台设置的内容进行对比，判断评价的准确性。

6结束语

本文在根据飞行品质评价训练需求反推气动导数进行动力学建模的基础上，利用六自由度运动系统以及可变人感特性的操纵加载系统，建立了一套专门用于试飞员飞行品质评价训练的地面飞行模拟系统。通过该系统，学员可以体验不同的飞行品质特性以及操纵系统特性，进行不同飞行品质特性的全量飞行模拟，相比变稳飞机的飞行培训，提高了试飞员飞行品质评价训练的效率和安全性，降低了培训成本，对试飞员培训工作的开展具有重要作用。

参考文献

[1] 周自全，赵永杰.空中飞行模拟与电传飞机飞行试验[J].飞行力学， 2005，23（1）：19-22.

[2] 张晓敏，潘运亮，党维.试飞驾驶技术地面模拟评价方研究[J].飞行力学，2014，32（3）：273-276.

[3] GJB185-86.有人驾驶飞机（固定翼）飞行品质[S]. 北京：中国标准出版社，1986.

[4] 刘超，刘智汉，党维.用于飞行品质评价训练的动力学建模方法[J].飞行力学，2014，32（3）：193-196.

[5] 夏书洁.飞行模拟机液压与电动操纵加载系统的对比[J].航空维修与工程，2012，（5）：66-67.

作者简介

刘智汉（1983-），男;学历：硕士，工程师，现就职单位：中国飞行试验研究院，研究方向：飞行仿真。