飞行训练器驾驶舱失压仿真研究＊

李辉

（四川川大智胜软件股份有限公司，四川 成都 610000）

座舱失压是特用于民用航空器，当飞行高度超过3 000 m 的客机的客舱因为空调设备故障/玻璃、机体受损等原因导致客舱内气压降低直至等于客舱外气压并持续的过程。其对乘客和飞行机组造成不利影响的“生存因素”主要包括迅速减压、缺氧、低温、高风速、高噪声等。该类事件将作为典型样本成为航空医学、飞行仿真及训练等领域的重要研究方向。

国内外对于飞行器座舱环境及控制的仿真已开展了许多研究，关注座舱事故/事件的研究和仿真却很少。本文选取飞机风挡高空爆裂脱落的典型事件，以飞行训练器为基础平台，开展“座舱失压”方向的特定讨论和研究。

1 事件过程分析

典型的飞行流程主要有滑行、起飞、爬升、巡航、下降、进近、着陆。为方便研究和比较，将座舱压力等效为海拔高度。事件中飞机在9 784 m 高度巡航（客舱增压模块工作，此时座舱高度为2 064 m，座舱压差53 007 Pa），右侧风挡突然爆裂脱落，使飞机驾驶舱暴露于外部大气环境中，导致驾驶舱瞬间失压（此时飞行高度标准大气压9 712 m，座舱高度7 413 m，座舱压差6 357 Pa）。随后飞机开始下降，座舱高度上升至最高（8 037 m）、压差为3 985 Pa 后也开始逐渐下降。飞行机组在管制指挥下，经过一系列飞行操纵和指引，飞机于某机场成功备降。飞行剖线如图1 所示。

图1 飞行剖线

2 研究方法

本文采用标准飞行训练器为基础仿真平台，飞行训练器是用于练习在各种条件下飞行操作技能的一种训练设备。可以模拟飞行器的静态特性和动态特性，目视情况以及音响、过载、振动等各种物理因素。本研究中，在特情设置并激活后，飞行员按特情处置程序操纵飞行训练器，飞行训练器为座舱失压模块提供实时飞行高度、速度等数据链输入。座舱失压模块可作为独立组件，实时仿真计算出贴近于真实状态的飞机座舱内气压。

本研究中，忽略风挡爆裂后飞机空气动力学的改变，同时默认飞机其他系统都正常工作。因此该类事件分析模型可简化为：风挡爆裂瞬间，驾驶舱通过风挡窗口与外部大气环境直接连通，舱内气压急速上升在接近于外部大气气压p后逐渐稳定，并以一定的压差随飞行高度和速度等变化。此过程中外部气压高度随飞行高度规律变化，压差为空气高速进入驾驶舱内产生的内压，计算公式如下：

式（1）中：p为座舱压力；p为高度上的大气压力；p为空气高速进入驾驶舱内产生的内压。

3 大气数字模型

密度ρ计算模型为：

式（2）中：ρ为高度上的大气密度，kg/m；为海拔高度，m；p为高度上的大气压力，kPa；T为高度上的温度，℃。

4 座舱损伤模型

飞机在设计定型后，座舱的物理尺寸和构型、风挡大小和位置等即固定。在对座舱进行建模的过程中设定座舱为刚体结构，座舱容积恒定不变，忽略座舱漏气量，忽略座舱内部气流扰动。由此可以得到如下物理参数：座舱的容积常数VC、脱落风挡正投影面积常数A。

5 压差分析

风挡脱落后，外部大气进入飞机驾驶舱，驾驶舱内外会形成一定的压差，该计算模型可等效为“开孔结构风致内压”，即风迎面吹向风挡处开孔的驾驶舱，在驾驶舱内部产生内压，产生的内压即是驾驶舱内外的压差。飞机以表速飞行，当以飞机为参考系时，等效于来流以吹向飞机，研究中忽略外部大气紊流。国内外已开展风致内压相关研究，在内压响应方程类型上达成共识，HELEMS 提出如下内外压传递方程：

式（3）中：ρ为空气密度；L为气流在开口处空气柱的有效长度；为内部容积；为气流的开口收缩流动系数；为开口周围空气比热；为开孔面积；为压强；为参考点风压；C为内压系数；C为外压力系数。

6 系统数据/网络流程框图

驾驶舱外部流场的大气温度、气压和密度可由飞行高度进行计算，内压的计算需要综合大气温度、气压、密度以及座舱的容积和开口面积等参数，通过飞行训练器实时飞行高度和飞行速度经计算公式即可得到特情条件下实时座舱气压，系统流程框图如图2 所示。

图2 系统流程框图

7 仿真与分析

本文对事件过程进行仿真分析比较，事件中飞机DAR（Digital Aids Recorder，数字式飞机综合数据记录器）按10 s/次的频率记录了飞机下降过程的真实飞行参数，包含飞机标准气压高度、座舱气压高度、飞行高度和表速等。以能完整描述整个下降过程气压高度变化曲线为原则，选取风挡脱落瞬间前40 s 为数据起始节点T0，截取随后20 min 内的数据集进行仿真计算，计算结果如图3 所示。在仿真过程中各仿真参数如表1 所示。

图3 计算座舱高度与DAR 记录座舱高度对比

表1 仿真参数

从图3 中可以看出计算的座舱压力与飞机记录的座舱压力随时间变化的趋势是高度吻合的，只是数值存在一定的偏差，该偏差在飞行训练和航空医学研究允许的范围内。在风挡爆裂脱落的瞬间座舱高度迅速上升，根据计算的座舱高度可以看出驾驶舱经历的高度变化区间如下：超过7 620 m 的时间为80 s、7 620～5 486 m 的座舱高度下降区间60 s、5 486～6 410 m 的座舱高度上升区间290 s、6 410～5 486 m 座舱高度下降区间260 s、其他时间的座舱高度都小于5 486 m。从航空医学角度这些计算结果是生存因素相关研究的重要参数；在飞行训练领域，则可根据计算结果不断的调整处置流程，优化迭代特情处置程序，并进行针对性的科目训练。

8 结语

本文首先介绍了座舱失压的概念，选取一起典型风挡爆裂脱落航空事件的飞行剖面进行详细分析，构建了大气数字模型、座舱损伤模型并进行了压差分析和计算公式推导，再对数据/网络流程进行梳理，建立了基于飞行训练器的驾驶舱失压仿真的研究方法，随后对该风挡爆裂脱落事故进行仿真，并对计算结果进行比较分析。基于飞行训练器的座舱失压仿真可用于制定飞行训练特情处置程序并进行飞行培训，也可为航空医学研究提供方法和手段。