涂相征

摘要：飛機工程模擬器是人在回路的飛機半實物仿真平臺，貫穿于飛機系統(tǒng)研制的各個階段。在飛機研制的不同時期，工程模擬器都可以配合飛機研制實現(xiàn)相應的試驗和驗證功能。視實際用途的不同，飛機工程模擬器有帶運動系統(tǒng)和不帶運動系統(tǒng)兩種，介紹了具有一定自由度帶運動平臺的工程模擬器方案設計。

關鍵詞：飛機工程模擬器；六自由度運動系統(tǒng)；仿真平臺

DOIDOI：10.11907/rjdk.143483

中圖分類號：TP319

文獻標識碼：A 文章編號文章編號：16727800（2015）001010302

0 引言

在飛機系統(tǒng)設計初期，工程模擬器可用于飛行控制律、飛行控制系統(tǒng)功能的初步設計與驗證；在系統(tǒng)詳細設計階段，工程模擬器可用于飛行控制律的詳細設計與驗證、飛行品質的評估、飛行控制系統(tǒng)功能的詳細設計與驗證等；在系統(tǒng)設計后期，工程模擬器可用于駕駛員在環(huán)試驗、部分適航符合性試驗、系統(tǒng)功能危害性試驗以及機組培訓等，視實際用途的不同，飛機工程模擬器有帶運動系系統(tǒng)和不帶運動系統(tǒng)的。具有一定自由度的帶運動平臺模擬器，不僅為飛行員和操縱者提供了飛行控制環(huán)境，還提供了飛機對人員操縱響應過程的加速度、速度和位置等運動感覺。因此，更有利于飛行體驗，并提高對飛行品質評定結論的置信度。

本文將著重介紹帶六自由度運動平臺的工程模擬器設計，其效果見圖1。

1 工程模擬器總體設計

飛機工程模擬器[1]貫穿于飛機系統(tǒng)研制的各個階段，提供飛機不同階段的工程應用環(huán)境，同時為飛行員提供逼真的飛行環(huán)境。

工程模擬器具有人在回路的半實物仿真特點，具備以下功能：①工程試驗的仿真與驗證；②飛行員在環(huán)仿真驗證；③機組初步培訓；④支持飛機改型設計。

工程模擬器目前尚沒有明確的標準，其設計可參照CCAR60 部的D 級飛行訓練模擬器標準，亦可根據(jù)實際需要進行適當調整。

圖1 工程模擬器設計

2 工程模擬器總體設計

2.1 整機組成

飛機工程模擬器基本上由以下12個分系統(tǒng)[24]組成：①駕駛艙結構與駕駛艙設備仿真系統(tǒng)；②主飛行仿真系統(tǒng)；③航電仿真系統(tǒng)；④視景系統(tǒng)；⑤六自由度運動系統(tǒng)；⑥操縱負荷系統(tǒng)；⑦聲音仿真系統(tǒng)；⑧綜合控制臺系統(tǒng)；⑨硬件接口系統(tǒng)；⑩計算機實時仿真及網(wǎng)絡系統(tǒng)；B11工程師平臺；B12環(huán)境與支持系統(tǒng)。

2.2 分系統(tǒng)設計

（1）駕駛艙結構與駕駛艙設備仿真系統(tǒng)。駕駛艙結構主要包括駕駛艙、操縱平臺、模擬器后艙、登機橋等，與飛機真實的駕駛艙大小及布局基本一致，為飛行員提供逼真的駕駛環(huán)境；駕駛艙設備仿真系統(tǒng)主要包括駕駛艙操縱器件、駕駛艙開關、駕駛艙內顯示設備等，由于工程模擬器是一個不斷開發(fā)、試驗、再開發(fā)、再完善的過程，初期駕駛艙內很多操縱部件可能需要仿真，并不斷地迭代。因此，要考慮駕駛艙仿真部件裝卸的方便性，便于整體拆卸和安裝。

（2）主飛行仿真系統(tǒng)。飛行仿真系統(tǒng)通過建立飛機的氣動模型、運動學模型以及機上電源、燃油、液壓等系統(tǒng)數(shù)學模型來實現(xiàn)飛機的飛行特性、動力特性以及相關系統(tǒng)邏輯的模擬。飛行仿真系統(tǒng)中的數(shù)學模型模擬對象的工作過程，包括從發(fā)動機啟動之前直到發(fā)動機停車之后的所有飛機特性。另外，為了提高工程研究效率，飛行仿真系統(tǒng)還可實現(xiàn)凍結、參數(shù)設置、參數(shù)鎖定、環(huán)境設置和故障模擬等功能。

飛行仿真系統(tǒng)運行在仿真計算機上，對飛機的相應系統(tǒng)和設備進行數(shù)學仿真，并通過實時仿真計算機上的接口軟件、網(wǎng)絡通訊程序、座艙設備及其它交聯(lián)系統(tǒng)進行數(shù)據(jù)交互，驅動座艙內的仿真設備工作。

對于軟件模型，在開發(fā)前應充分考慮后續(xù)試驗要求并留有相關接口，軟件模型要模塊化，以便在開發(fā)故障模型時盡可能減少對已開發(fā)模型的修改程度、減少開發(fā)時間，并使總體軟件更簡潔，具有更高的可讀性，便于維護和二次故障模型的開發(fā)。

（3）仿真系統(tǒng)。航電系統(tǒng)是飛機性能參數(shù)和導航參數(shù)顯示的窗口，十分重要，必須提供在功能上和外觀上與真飛機盡可能逼真的各類儀表，將飛行參數(shù)、導航參數(shù)、發(fā)動機參數(shù)等實時顯示并提供給駕駛員和工程人員，以滿足工程研究和試飛培訓的需要。

航電仿真系統(tǒng)主要仿真通信系統(tǒng)、指示和記錄系統(tǒng)、導航/監(jiān)視系統(tǒng)。對于諸如客艙系統(tǒng)、 機載維護系統(tǒng)等可根據(jù)模擬器的實際用途決定是否仿真。

（4）操縱負荷系統(tǒng)。操縱負荷系統(tǒng)是人在回路仿真系統(tǒng)中的負載模擬裝置，實現(xiàn)駕駛桿力和腳蹬力的仿真，同時計算出相應控制面的偏轉角。目前，操縱負荷系統(tǒng)分為電動和液壓兩種，液壓式操縱負荷系統(tǒng)技術較成熟，但由于成本較高、油液污染、維護成本高、功耗大等缺點，逐漸被電動式操縱負荷系統(tǒng)所代替。電動式操縱負荷系統(tǒng)經(jīng)過數(shù)年的發(fā)展，技術成熟。其成本低、無污染、安裝簡便、維護簡單。除此之外，還有對于逼真度要求不高的裝置，比如前輪轉彎等亦可用機械彈簧或磁粉離合器等無源或有源裝置來仿真，成本低，方法也簡單。

（5）綜合控制臺。通過良好的人機界面，完成模擬試驗、試飛科目的設定；整機初始化設置；某些飛行參數(shù)、機場條件、飛機狀態(tài)的顯示和設置；飛機故障及特殊情況的設置；飛行過程監(jiān)控；飛行記錄；模擬器設備的各種控制（系統(tǒng)工作模式控制、應急控制、在線自動測試控制、故障診斷控制）等功能。

（6）六自由度運動系統(tǒng)。平臺式運動系統(tǒng)可分為三自由度、四自由度、五自由度和六自由度4種，平臺式運動系統(tǒng)能較逼真地仿真瞬時過載動感、重力分量的持續(xù)感及部分抖動沖擊信號。目前使用最廣的是六自由度運動系統(tǒng)平臺（升降、縱向、側向3個線運動及俯仰、偏航、傾斜3個角運動），運動系統(tǒng)向飛行員提供六自由度的運動信號，使飛行員感覺與真實飛行相一致，并適時為飛行員提供操縱暗示。對于帶有運動系統(tǒng)的模擬器，還應考慮部件安裝的牢固性，以免影響安全。

（7）視景系統(tǒng)。利用計算機圖像生成技術，產(chǎn)生逼真的窗外景象，如機場、跑道、田野、河流、道路等地形地貌，云、霧、雪、雨等氣候景象，給飛行員和工程設計人員提供實時逼真的視覺感受。

（8）聲音仿真系統(tǒng)。利用計算機技術和語音合成技術，給飛行員提供實時逼真的聽覺感受，從而增強人的沉浸感，使飛行員能夠根據(jù)音響判斷出飛機的飛行狀態(tài)。

（9）計算機實時仿真及網(wǎng)絡系統(tǒng)。以實時仿真計算機主機作為核心節(jié)點，與其它分系統(tǒng)計算機節(jié)點共同組合成一個分布式實時系統(tǒng)，從而完成模擬器所需的所有控制和仿真計算。實時通訊應采用相同的操作系統(tǒng)和語言開發(fā)環(huán)境，若采用不同的操作系統(tǒng)或開發(fā)語言，就需考慮網(wǎng)絡傳輸時網(wǎng)絡字節(jié)序的問題。不同的操作系統(tǒng)和開發(fā)語言對數(shù)據(jù)的存儲方式是不一樣的，若不加以重視，傳輸數(shù)據(jù)就有可能出現(xiàn)嚴重錯誤。

（10）硬件接口系統(tǒng)。主要完成模擬駕駛艙輸入的模擬量、數(shù)字量、開關量的數(shù)據(jù)采集，完成模擬駕駛艙的相關指示燈、告警燈、導光設備的驅動，完成駕駛艙中航電設備的驅動。

（11）工程師平臺。工程師平臺包括工程師終端計算機、投影儀、復現(xiàn)成像系統(tǒng)、視頻轉換器，與網(wǎng)絡相連，可進行模型設計、程序開發(fā)，并將最終結果傳輸?shù)焦こ棠M器中進行動態(tài)驗證。

（12）環(huán)境與支持系統(tǒng)。由電源系統(tǒng)、空調和通風系統(tǒng)、機內外通話系統(tǒng)等組成，主要提供系統(tǒng)所需的各種電源、電纜、插座等，同時提供記錄設備、視頻記錄和處理設備、打印設備等。

3 結語

實踐證明，工程模擬器的使用能夠促進飛機的研制進程，為飛機的試飛取證提供重要的試驗手段。

參考文獻：

[1] 王行仁，賈榮珍.飛行實時仿真系統(tǒng)及技術[M]. 北京：北京航空航天大學出版社，1998.

[2] 宋翔貴，張新國.電傳飛行控制系統(tǒng)[M]. 北京：國防工業(yè)出版社，2003.

[3] 王維翰.民用飛機工程模擬器與訓練模擬器的區(qū)別[J].民用飛機設計與研究，2003（1）：7880.

[4] 趙旭東，賈榮珍. ARJ21飛機工程模擬器關鍵技術研究[J].系統(tǒng)仿真學報，2009（21）：5761.