張海妮, 賈曉鵬, 程偉豪

(中國(guó)飛行試驗(yàn)研究院 飛機(jī)所, 陜西 西安 710089)

基于HQRM的系統(tǒng)故障下的操縱品質(zhì)評(píng)定技術(shù)

張海妮, 賈曉鵬, 程偉豪

(中國(guó)飛行試驗(yàn)研究院 飛機(jī)所, 陜西 西安 710089)

在某型民用飛機(jī)系統(tǒng)故障狀態(tài)下的操縱品質(zhì)適航審定試飛中,首次成功地運(yùn)用了操縱品質(zhì)等級(jí)評(píng)定方法(HQRM)。結(jié)合該項(xiàng)試飛,研究總結(jié)了基于HQRM的操縱品質(zhì)評(píng)定流程和概率計(jì)算方法,探討了基于該方法的試驗(yàn)手段、試驗(yàn)任務(wù)及舵面卡阻位置的選取原則,并結(jié)合實(shí)例提出了一套更為合理的試驗(yàn)結(jié)果評(píng)定準(zhǔn)則,研究結(jié)果可為國(guó)內(nèi)其他運(yùn)輸類飛機(jī)的適航審定試驗(yàn)提供重要參考。

民用飛機(jī); 電子飛行控制系統(tǒng); 系統(tǒng)故障; 操縱品質(zhì)評(píng)定; HQRM

0 引言

電子飛行控制系統(tǒng)(EFCS)已成為民用運(yùn)輸類飛機(jī)飛行控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)的主流,用以對(duì)飛機(jī)進(jìn)行增強(qiáng)控制。EFCS的應(yīng)用會(huì)使飛機(jī)表現(xiàn)出許多新的設(shè)計(jì)特征,從而使其操縱品質(zhì)隨之改變。這些設(shè)計(jì)特征往往不能被當(dāng)前使用的規(guī)章要求完全覆蓋,繼而有可能導(dǎo)致安全隱患。因此,美國(guó)聯(lián)邦航空局制定了一種更加系統(tǒng)的適用于EFCS飛機(jī)的適航符合性評(píng)定方法——操縱品質(zhì)等級(jí)評(píng)定方法(Handling Qualities Rating Method,HQRM)[1],以評(píng)定飛機(jī)的操縱品質(zhì)。

某型民用飛機(jī)系統(tǒng)故障下的操縱品質(zhì)評(píng)定試飛,使該方法在我國(guó)首次由理論轉(zhuǎn)為實(shí)踐,填補(bǔ)了國(guó)內(nèi)該領(lǐng)域的空白。本文結(jié)合該型飛機(jī)系統(tǒng)故障下的操縱品質(zhì)評(píng)定試飛,對(duì)基于HQRM的品質(zhì)評(píng)定技術(shù)進(jìn)行了分析,研究結(jié)果對(duì)國(guó)內(nèi)其他運(yùn)輸類飛機(jī)的適航審定試驗(yàn)具有重要的參考價(jià)值。

1 適航要求

對(duì)于傳統(tǒng)飛機(jī),CCAR-25部第25.672(c)項(xiàng)[2]對(duì)系統(tǒng)故障下的操縱品質(zhì)提出了明確要求,但該要求對(duì)安裝有EFCS的飛機(jī)具有一定的不足。HQRM融合了系統(tǒng)故障、飛行包線及大氣擾動(dòng)等多個(gè)因素及其發(fā)生概率,對(duì)系統(tǒng)故障下的操縱品質(zhì)提出了明確要求,可作為EFCS飛機(jī)的操縱品質(zhì)評(píng)定依據(jù)。

通常情況下,除非在專用條件中特別申明,否則HQRM并不能替代CCAR-25部對(duì)于系統(tǒng)故障下的操縱品質(zhì)評(píng)定要求。在某型民機(jī)的該項(xiàng)目試飛中,申請(qǐng)人制定了專用條件來替代25.672(c),專用條件要求:HQRM用于代替CCAR-25.672(c)評(píng)估由非極不可能發(fā)生的故障而形成的EFCS構(gòu)型。該專用條件將飛機(jī)操縱品質(zhì)分為三個(gè)等級(jí),允許其隨故障狀態(tài)逐漸降級(jí),并隨大氣擾動(dòng)水平和在飛行包線中位置的不同而變化。

2 系統(tǒng)故障下的操縱品質(zhì)評(píng)定流程

HQRM是一種面向飛行任務(wù)的適航符合性方法,依據(jù)選定的飛行任務(wù)完成典型的機(jī)動(dòng),可以評(píng)定飛機(jī)在系統(tǒng)故障下的操縱品質(zhì),從而判斷其是否滿足適航要求。具體評(píng)定流程如圖1所示。

圖1 基于HQRM的系統(tǒng)故障下的操縱品質(zhì)評(píng)定流程Fig.1 Handing quality rating process with system failure based on HQRM

由圖1可知,基于HQRM的品質(zhì)評(píng)定主要包含四部分內(nèi)容:(1) 系統(tǒng)故障、大氣擾動(dòng)和飛行包線等因素的單一概率及組合概率的計(jì)算;(2) 試驗(yàn)手段和任務(wù)的選擇;(3) 試驗(yàn)實(shí)施;(4) 操縱品質(zhì)評(píng)定。下面以某型民機(jī)副翼卡阻狀態(tài)下的操縱品質(zhì)評(píng)定試驗(yàn)為例,對(duì)相關(guān)關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行分析闡述。

3 概率計(jì)算

根據(jù)HQRM評(píng)定指南,對(duì)組合概率小于10-9的狀態(tài),無需進(jìn)行操縱品質(zhì)評(píng)定,因此,組合概率的確定是進(jìn)行該項(xiàng)目的前提。

3.1 系統(tǒng)故障概率

首先確定需要進(jìn)行操縱品質(zhì)評(píng)定的系統(tǒng)故障清單。該清單需從系統(tǒng)安全性分析的故障清單中篩選,主要考慮對(duì)飛機(jī)操縱品質(zhì)有影響的狀態(tài)。對(duì)飛機(jī)操縱品質(zhì)產(chǎn)生的影響主要從飛機(jī)的響應(yīng)/能力和駕駛員操縱兩個(gè)方面進(jìn)行評(píng)估。初步篩選出故障清單后,還需采用相似合并、臨界覆蓋等原則對(duì)清單進(jìn)行進(jìn)一步優(yōu)化[3]。在某型民機(jī)該項(xiàng)目試驗(yàn)中,最終確定了包括副翼卡阻在內(nèi)的系統(tǒng)故障清單。

系統(tǒng)故障概率通過主系統(tǒng)安全性分析確定。在某型民機(jī)該項(xiàng)目試飛中,根據(jù)系統(tǒng)安全性分析確定了其副翼卡阻概率。

3.2 飛行包線概率

根據(jù)HQRM評(píng)定指南,飛機(jī)的飛行包線分為三個(gè)等級(jí),即正常飛行包線(概率為100)、使用飛行包線(概率為10-3)和極限飛行包線(概率為10-5)。

3.3 大氣擾動(dòng)概率

根據(jù)HQRM評(píng)定指南,大氣擾動(dòng)按強(qiáng)度大小可分為輕微的(概率為100)、中等的(概率為10-3)和嚴(yán)重的(概率為10-5)三個(gè)等級(jí)。

3.4 組合概率計(jì)算

將已確定的系統(tǒng)故障概率、飛行包線概率和大氣擾動(dòng)概率分別記為Xc，Xe和Xa,則組合概率為X=XcXeXa。

在計(jì)算實(shí)際組合概率時(shí),除了需要考慮各因素之間的相互影響并對(duì)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行修正外,通常還需考慮下列因素:

(1)對(duì)不可能出現(xiàn)的系統(tǒng)故障和飛行包線組合情況,不予考慮。例如,喪失地面破升功能發(fā)生在特定飛行狀態(tài),不可能與使用飛行包線和極限飛行包線組合,因此不必考慮。

(2)對(duì)某些故障與使用飛行包線或極限飛行包線的組合,若其對(duì)飛機(jī)的影響程度并不高于該故障與正常飛行包線的組合,則僅需評(píng)定該故障與正常飛行包線的組合。

根據(jù)上述原則對(duì)某型民機(jī)副翼卡阻條件下的組合概率進(jìn)行計(jì)算,并忽略組合概率小于10-9的情況,只有副翼卡阻與正常飛行包線及輕微大氣擾動(dòng)的組合滿足條件。

4 飛行試驗(yàn)

4.1 試驗(yàn)手段的選取

基于HQRM的試驗(yàn)手段包括供應(yīng)商試驗(yàn)室試驗(yàn)、鐵鳥試驗(yàn)或系統(tǒng)綜合試驗(yàn)、工程模擬器試驗(yàn)和飛行試驗(yàn)等,試驗(yàn)手段需要根據(jù)具體故障情況、遵循一定的流程選擇并經(jīng)局方認(rèn)可后確定。

經(jīng)分析,副翼卡阻會(huì)對(duì)某型民機(jī)飛機(jī)操縱品質(zhì)產(chǎn)生影響,而且該故障狀態(tài)可以通過在飛機(jī)上加裝特殊的試驗(yàn)設(shè)備實(shí)現(xiàn),因此最終選擇飛行試驗(yàn)的方式作為驗(yàn)證該項(xiàng)目的試驗(yàn)手段。

4.2 試驗(yàn)任務(wù)的選取

在操縱品質(zhì)評(píng)定過程中,具體選用哪種試驗(yàn)任務(wù)與系統(tǒng)故障形式和飛行包線有關(guān),通常根據(jù)系統(tǒng)發(fā)生故障后產(chǎn)生的后果選擇相應(yīng)的飛行任務(wù)。

副翼卡阻主要會(huì)使飛機(jī)的橫向操縱權(quán)限和效率降低,增加駕駛員操縱負(fù)擔(dān),在不可預(yù)知的情況下,可能會(huì)導(dǎo)致飛機(jī)失控。因此,在該故障條件下,飛機(jī)的橫向操縱特性是操縱品質(zhì)評(píng)定的重點(diǎn)。在某型民機(jī)副翼卡阻下的品質(zhì)評(píng)定試飛中,最終選擇了30°滾轉(zhuǎn)角轉(zhuǎn)彎?rùn)C(jī)動(dòng)、60°(從一側(cè)30°到另一側(cè)30°)滾轉(zhuǎn)角滾轉(zhuǎn)機(jī)動(dòng)和模擬著陸的試驗(yàn)任務(wù)。

4.3 副翼卡阻位置的選取

參考ARAC 671[4],飛行試驗(yàn)中的副翼卡阻位置應(yīng)該包括直至最大卡阻位置的任意值,對(duì)最大卡阻位置的選取應(yīng)遵循以下原則:

起飛過程:飛機(jī)在速度V1、正側(cè)風(fēng)15 kn的條件下保持機(jī)翼水平對(duì)應(yīng)的副翼偏度。

飛行過程:在相應(yīng)的速度下能夠保持12 (°)/s的滾轉(zhuǎn)角速率所對(duì)應(yīng)的副翼偏度,但該角度不能超過最大操縱輸入所對(duì)應(yīng)角度值的50%。

飛行試驗(yàn)時(shí),需以上述原則為基礎(chǔ),結(jié)合仿真計(jì)算和模擬器試驗(yàn)結(jié)果確定最終的副翼卡阻位置。

4.4 飛行試驗(yàn)結(jié)果

某型民機(jī)在副翼卡阻的條件下執(zhí)行選定的機(jī)動(dòng)任務(wù)(HP=3.0 km,Vi=1.23VSR),相應(yīng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)如圖2～圖4所示。由圖2～圖4可知，飛機(jī)在進(jìn)行30°滾轉(zhuǎn)角轉(zhuǎn)彎過程中駕駛盤用量約為50%；滾轉(zhuǎn)60°過程中滾轉(zhuǎn)速度峰值約為20 (°)/s ；滾轉(zhuǎn)時(shí)間小于4 s；模擬著陸過程中，據(jù)駕駛員評(píng)述，飛機(jī)響應(yīng)正常，沒有出現(xiàn)不安全的飛行特性。

圖2 30°轉(zhuǎn)彎?rùn)C(jī)動(dòng)時(shí)間歷程Fig.2 Time histories of 30° turning maneuver

圖3 60°滾轉(zhuǎn)機(jī)動(dòng)時(shí)間歷程Fig.3 Time histories of 60° rolling maneuver

圖4 模擬著陸時(shí)間歷程Fig.4 Time histories of simulated landing

5 操縱品質(zhì)評(píng)定

5.1 操縱品質(zhì)等級(jí)評(píng)定

HQRM評(píng)定指南將飛機(jī)的操縱品質(zhì)分為三個(gè)等級(jí)并分別給出了定性描述,駕駛員以此為據(jù),結(jié)合試驗(yàn)結(jié)果對(duì)飛機(jī)的操縱品質(zhì)進(jìn)行評(píng)定。HQRM操縱品質(zhì)等級(jí)與庫伯-哈伯等級(jí)及軍用標(biāo)準(zhǔn)等級(jí)的對(duì)應(yīng)關(guān)系如表1所示。

表1 HQRM操縱品質(zhì)等級(jí)與常規(guī)操縱品質(zhì)等級(jí)的對(duì)應(yīng)關(guān)系Table 1 Relation between HQRM handing quality rating and the conventional one

上述等級(jí)定義都屬于定性描述,內(nèi)容過于籠統(tǒng),實(shí)際評(píng)定時(shí)駕駛員往往難于把握,很可能給出并不準(zhǔn)確的結(jié)果。例如,某次副翼卡阻訓(xùn)練飛行中,飛機(jī)在進(jìn)行60°滾轉(zhuǎn)角過程中歷時(shí)9 s,駕駛員憑此給出的HQRM評(píng)定結(jié)果為“C”。參考CS-25[5]對(duì)雙發(fā)飛機(jī)滾轉(zhuǎn)性能的要求(7 s內(nèi)滾轉(zhuǎn)60°)及CCAR-25部對(duì)單發(fā)飛機(jī)滾轉(zhuǎn)性能的要求(11 s內(nèi)滾轉(zhuǎn)60°),這樣的結(jié)果并不準(zhǔn)確。

分析研究后發(fā)現(xiàn),將飛機(jī)在正常狀態(tài)下的規(guī)章(標(biāo)準(zhǔn))要求與表1所述結(jié)合起來進(jìn)行HQRM評(píng)定,往往會(huì)得到更為準(zhǔn)確的試驗(yàn)結(jié)果。

表2給出了規(guī)章(標(biāo)準(zhǔn))對(duì)正常狀態(tài)下幾種典型機(jī)動(dòng)的操縱要求。通常情況下,若飛機(jī)在系統(tǒng)故障下的機(jī)動(dòng)響應(yīng)滿足表2的要求,則可認(rèn)為其操縱品質(zhì)是滿意的。實(shí)踐證明,該試驗(yàn)結(jié)果評(píng)定準(zhǔn)則更為合理。

表2 規(guī)章(標(biāo)準(zhǔn))對(duì)于典型機(jī)動(dòng)的操縱要求Table 2 Handling requirements for some typical maneuver of the regulations (standards)

在某型民機(jī)的副翼卡阻試驗(yàn)中,駕駛員根據(jù)飛行試驗(yàn)結(jié)果,參考表1和表2給出的HQRM評(píng)定等級(jí)為“S”。

5.2 適航符合性評(píng)定

HQRM評(píng)定指南給出了FAA可接受的最低操縱品質(zhì)等級(jí),若飛機(jī)的操縱品質(zhì)優(yōu)于或等于相應(yīng)的等級(jí)要求,則認(rèn)為其適航特性滿足要求。

在某型民機(jī)的副翼卡阻試驗(yàn)中,系統(tǒng)故障和飛行包線的組合概率為不太可能的狀態(tài),根據(jù)最低操縱品質(zhì)要求,在所評(píng)定的條件下,飛機(jī)的操縱品質(zhì)等級(jí)應(yīng)至少為“A”。因此,該飛機(jī)在副翼卡阻條件下的操縱品質(zhì)符合適航要求。

6 結(jié)束語

飛機(jī)飛行控制系統(tǒng)由傳統(tǒng)機(jī)械式向EFCS的轉(zhuǎn)換促進(jìn)了HQRM的發(fā)展。本文結(jié)合實(shí)例,對(duì)基于HQRM的操縱品質(zhì)評(píng)定要求進(jìn)行了分析,總結(jié)了評(píng)定流程和概率計(jì)算方法,闡述了試驗(yàn)手段、試驗(yàn)任務(wù)等的選取原則,指出傳統(tǒng)試飛指南中試飛結(jié)果評(píng)定準(zhǔn)則的弊端,并提出了更為完善合理的準(zhǔn)則,初步形成了一套基于HQRM的品質(zhì)評(píng)定程序。實(shí)踐證明,該評(píng)定技術(shù)合理可行,具有一定的通用性,對(duì)國(guó)內(nèi)其他運(yùn)輸類飛機(jī)系統(tǒng)故障下的操縱品質(zhì)評(píng)定試驗(yàn)和試飛指南的編寫具有重要的參考價(jià)值。

[1] FAA.AC25-7C Flight test guide for certification of transport category airplanes[S].USA:FAA, 2012.

[2] 中國(guó)民用航空總局.CCAR-25-R4 運(yùn)輸類飛機(jī)適航標(biāo)準(zhǔn)[S].北京:中國(guó)民用航空總局,2011.

[3] 張彤.HQRM方法在適航審定實(shí)踐中的應(yīng)用[J].飛行力學(xué),2013,31(6):553-557.

[4] FAA.Flight controls harmonization working group recommendation letter-advisory material joint 25.671 [S].USA:FAA,2002.

[5] EASA.CS-25 Certification specifications and acceptable means of compliance for large aeroplanes [S].Germany:EASA,2011.

[6] 中國(guó)人民解放軍空軍,航空工業(yè)部.GJB185-86 有人駕駛飛機(jī)(固定翼)飛行品質(zhì)[S].北京:國(guó)防科學(xué)技術(shù)工業(yè)委員會(huì),1987.

(編輯：任亞超)

中國(guó)飛行力學(xué)與飛行試驗(yàn)第31屆學(xué)術(shù)交流年會(huì)征文通知

中國(guó)飛行力學(xué)與飛行試驗(yàn)第31屆學(xué)術(shù)交流年會(huì)擬于2016年8～9月舉行,該會(huì)議由中國(guó)航空學(xué)會(huì)飛行力學(xué)與飛行試驗(yàn)專業(yè)委員會(huì)、國(guó)防口飛行力學(xué)協(xié)作攻關(guān)辦公室<9510>和總裝備部飛行力學(xué)研究與學(xué)術(shù)交流小組聯(lián)合主辦,由中國(guó)飛行試驗(yàn)研究院承辦。

一、征文范圍:(1)飛行器(含固定翼、旋翼機(jī)、特種飛行器)飛行特性及飛行品質(zhì)研究;(2)現(xiàn)代戰(zhàn)機(jī)能力要求及典型任務(wù)動(dòng)作(如超視距空戰(zhàn)、敏捷性、過失速機(jī)動(dòng)及近距格斗等)飛行力學(xué)問題研究;(3)人-機(jī)系統(tǒng)飛行品質(zhì)及評(píng)價(jià)技術(shù)研究;(4)艦載機(jī)飛行動(dòng)力學(xué)研究;(5)導(dǎo)彈攻擊區(qū)及彈丸、彈頭落點(diǎn)精度研究;(6)導(dǎo)彈彈道優(yōu)化設(shè)計(jì)和制導(dǎo)律研究;(7)航天器運(yùn)行、返回軌道的測(cè)量、確定和控制技術(shù)研究;(8)飛行器飛行模擬和仿真技術(shù)及應(yīng)用研究;(9)飛行器飛行試驗(yàn)技術(shù)和方法研究;(10)飛行器試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理方法研究;(11)軍機(jī)作戰(zhàn)模式及作戰(zhàn)效能評(píng)價(jià)技術(shù)研究;(12)飛行器適航性及驗(yàn)證評(píng)價(jià)技術(shù)研究;(13)無人飛行器系統(tǒng)設(shè)計(jì)及飛行試驗(yàn)評(píng)價(jià)技術(shù)研究;(14)飛行器設(shè)計(jì)及試驗(yàn)相關(guān)指南和規(guī)范研究;(15)近年來國(guó)外飛行力學(xué)與飛行試驗(yàn)的發(fā)展趨勢(shì)和動(dòng)態(tài);(16)其他有關(guān)的飛行力學(xué)與飛行試驗(yàn)問題。

二、論文要求:(1)未在公開出版物或在全國(guó)性學(xué)術(shù)會(huì)議上交流過的論文;(2)全文以8000字為限,論文摘要100～300字;(3)論點(diǎn)明確,數(shù)據(jù)可靠,文責(zé)和保密自負(fù),請(qǐng)作脫密處理;(4)論文請(qǐng)采用Word 2003排版,并注明“2016飛行力學(xué)年會(huì)論文”;(5)征文截止時(shí)間:2016年3月31日。

三、投稿方式及注意事項(xiàng):(1)本次年會(huì)只接收電子投稿,不收取打印稿;(2)請(qǐng)按時(shí)間要求將論文原稿、作者信息表以及論文保密審查證明發(fā)送至電子郵箱:feixinglixue@163.com;(3)“論文模版及撰寫要求”、“作者信息表”均可從《飛行力學(xué)》網(wǎng)站下載(http://fhlx.cbpt.cnki.net);(4)聯(lián)系人:李怡(029-86838449;QQ:494816773);張斌(029-86837411)。

歡迎從事飛行力學(xué)和飛行試驗(yàn)研究的科研人員、院校師生踴躍投稿,也請(qǐng)有關(guān)單位科技部門及本專業(yè)委員會(huì)委員、辦公室成員和小組成員積極組稿報(bào)送。

《飛行力學(xué)》編輯部

Handling quality rating technology with system failure based on HQRM

ZHANG Hai-ni, JIA Xiao-peng, CHENG Wei-hao

(Aircraft Flight Test Technology Institute, CFTE, Xi’an 710089, China)

In China, the HQRM was first applied to the certification of civil airplane successfully when the handing quality test of a civil airplane with system failure was carried out. Based on the test, this paper researched and summed the process of the handing quality rating and calculation method of the probability based on HQRM, discussed the selection principles of the test method, test mission and control surface jamming position based on the method, and brought out a more reasonable criteria for test result assessment, which can provide an important reference for other transport category airplanes.

civil airplane; electronic flight control system (EFCS); system failure, handling quality rating; HQRM

2015-04-18;

2015-08-30;

時(shí)間:2015-09-25 16:10

張海妮(1985-)，女，陜西寶雞人，工程師，主要從事飛機(jī)飛行品質(zhì)試飛研究。

V212.1; V217

A

1002-0853(2015)06-0555-05