吳勝亮

【摘 要】基于民用飛機的任務特性，按照機動性和準確性將民機飛行階段重新劃分為2個階段；在此基礎上，從定性和定量的角度將現有的飛行品質評估準則歸類為主觀和客觀評估準則，分別在民機飛行品質主觀評價方面和縱向飛行品質、橫航向飛行品質、起飛著陸特性與飛行員誘發(fā)振蕩方面對飛機飛行品質典型主觀和客觀評估準則進行分析，探討現有的飛行品質評估準則應用于民機飛行品質評估的適用性和可能性，對民機飛行品質評估具有一定的參考價值。

【關鍵詞】飛行品質；民用飛機；主觀評估準則；客觀評估準則

中圖分類號： V212.1；V279 文獻標識碼： A 文章編號： 2095-2457（2018）23-0017-007

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2018.23.005

【Abstract】Based on the task characteristics of civil aircraft，flight phases of civil aircraft divided into two phases in accordance with the control requirements of maneuverability and precision.Subjective and objective assessment criterion was established qualitatively and quantitatively on existing flying quality assessment criterion；At the aspect of flying quality subjective evaluation and longitudinal flying quality，lateral-directional flying quality，characteristic of takeoff and landing，and pilot induced oscillation，this paper analyses subjective and objective assessment criterion of civil aircraft.Applicability and possibility of existing flying quality assessment criterion to civil aircraft flying quality assessment was discussed.This research work has certain reference value for the evaluation of civil aircraft flying qualities.

【Key words】Flying quality；Civil aircraft；Subjective assessment criterion；Objective assessment criterion

0 引言

飛行品質是衡量飛機完成特定飛行任務的精確度及駕駛員工作負荷的尺度，飛行品質的優(yōu)劣決定了飛行員能否安全、順利、精確地駕駛飛機完成各項飛行任務，所以飛行品質是飛機的設計師與操控人員最為關心的問題，在飛機的設計、研發(fā)、測試和使用中始終扮演著重要角色。

從國內外研究情況來看，飛機的飛行品質一般從兩個方面去評價，一方面，可通過擬配得到簡化的低階等效系統，利用傳統的判據和多年積累的飛行數據，并在此基礎上尋找新判據。另一方面，從高階系統本身的時域和頻率響應特性出發(fā)，尋找新判據。雖然國內外學者對民機飛行品質的特性進行了有益探索，給出了相關研究建議，但還沒有對民機飛行品質評估準則進行系統的探討。本文基于民用飛機的任務特性，按照機動性和準確性對民機飛行階段進行重新劃分，對現有的飛行品質評估準則歸類為主觀和客觀評估準則，并進行詳細的匯總闡述，分析了飛行品質評估準則應用于民機飛行品質評估的適用性和可能性，即哪些準則可以直接應用到民機上，哪些應當做適當的修改，以及依據什么原則進行修改，對民機飛行品質評估具有一定的參考價值。

1 民機飛行階段

由飛行品質的概念可知，飛行品質與飛行階段是緊密相關的。對于飛行員來說，不同的飛行階段有著不同的飛行任務以及不同的工作負擔，因此，在評價民機飛行品質時必須區(qū)分這些因素的影響，給出合理的評價方法及準則。

對于民機來說，其飛行階段主要包括起飛、復飛、著陸進場、巡航、爬升和下降。前三個階段要求準確控制飛行軌跡，飛行員操縱動作較為頻繁；而后三個階段無需精確或者只要求盡可能精確控制飛行軌跡，飛行員操縱負擔較輕。軍機飛行階段分為A、B、C三段，其B種飛行階段的定義與民機的起飛、復飛、著陸進場飛行階段接近，其C種飛行階段的定義與民機的巡航、爬升和下降飛行階段接近[3] 。因此，參照軍機飛行階段的分類，將民機飛行階段分為B、C兩段，如表1所示。

2 民機飛行品質評估準則

2.1 主觀評估準則

在評價飛行品質時，只有飛行員的評估才能確切反映出人-機系統性能與執(zhí)行任務的工作負擔之間的相互關系。為使飛行員的評估有一個共同的衡量尺度和描述術語，需要確定一個定性的評價尺度。現在比較通用的評價尺度是美國Cooper和Harper共同制定的C-H評價尺度。這個尺度從飛機的操縱性和飛行員完成飛行任務的工作負擔兩個方面，用文字描述給出了10個不同的評價尺度[4]。如下圖所示。

進行飛行品質計算時，必須給出不依賴于飛行員直接評分且與飛行環(huán)境無關的客觀評分標準。美國軍用規(guī)范中規(guī)定了3個等級，在民機飛行品質評估中可以借鑒并使用[1]。三個等級分別具有的飛行品質如下所示：

等級1：飛行品質明顯地適合完成任務的飛行階段；

等級2：飛行品質適合于完成任務的飛行階段，但飛行員的工作負擔有所增加，或完成任務得效果有所降低，或兩者兼而有之；

等級3：飛行品質滿足安全操縱飛行的要求，但飛行員工作負擔過重，或完成任務效果不好，或兩者兼而有之。

上述3個等級與C-H評價尺度的關系如圖1所示。

CCAR-25中有關民機飛行品質要求需要經過試飛員、試飛工程師和適航部門綜合評定，只有滿意和不滿意之分。雖然C-H評價尺度和飛行品質等級概念是針對軍機提出來的，在民機飛行品質分析和預測時，仍然可以借鑒使用該評價體系。在飛行控制律設計階段使用三個等級評價飛行品質，其優(yōu)點在于有助飛行控制系統設計者了解修改飛行控制律之后，飛行品質的改善趨勢和改善程度，并容易在多個飛行品質中取得平衡。

2.2 客觀評估準則

下面分別從縱向飛行品質、橫航向飛行品質、起飛著陸特性和飛行員誘發(fā)振蕩對飛機飛行品質典型客觀評估準則的分析，探討將其用于民機飛行品質評估的適用性，對于設計者來說，掌握更多的評估工具有利于設計的可靠性與完備性。

2.2.1 縱向飛行品質分析

（1）等效系統方法

常規(guī)飛機傳遞函數包含短周期和長周期兩個模態(tài)。由飛機縱向小擾動線性方程，可以得到俯仰角速率和瞬時轉動中心處法向過載的傳遞函數為：

在縱向擾動運動的初始階段，短周期運動占主導地位；長周期運動響應緩慢，在其運動期間短周期運動已基本結束。在研究縱向擾動運動時，可將飛機模態(tài)分離近似成短周期傳遞函數和長周期傳遞函數，分別進行研究，并且可以直接與相關的規(guī)范進行比較，進行飛行品質評定。

現代民機大都采用電傳飛行控制系統，系統中包括有反饋、前饋及中頻成形濾波器和其它高頻部件，其階次高達50～70階，不再具備經典飛機傳遞函數形式，美軍標MIL-F-8785C提出使用等效系統方法[5]將高階系統等效成一個具有經典飛機傳遞函數形式的低階系統，從而可以按常規(guī)飛機的方法評價飛行品質。

所謂一個高階增穩(wěn)系統的低階等效系統是指，兩個系統在相同的初始條件下，受到同樣的外界激勵作用，在一定的頻域范圍內或者時間區(qū)段內，相應的輸出量的差值在某個指標意義下達到最小。根據多年的使用經驗及軍用規(guī)范，實際操作中一般使用一種頻域的擬合方法來求取等效系統參數。

已知高階增穩(wěn)飛機的頻域響應為GHOS（j？棕），給定的低階經典飛機的頻域響應為GLOES（j？棕），采用高、低階系統頻率響應的幅值和相角偏差的平方和作為失配參數優(yōu)化指標，尋求GLOES（j？棕）中的有關參數。失配參數優(yōu)化指標如下：

式中，M為失配參數；GHOS（j？棕i）和GLOES（j？棕i）為相應頻率點上高階及低階系統的頻響幅值，以分貝（dB）為單位；為相應頻率點上的相角值，以度（°）為單位；頻率點通常在0.1～10rad/s范圍內均勻取20個點；參數K為加權系數，常取K=0.016～0.02。

等效低階模型應當具備典型飛機傳遞函數形式，如飛機縱向短周期，俯仰角速率和瞬時轉動中心處法向過載的低階等效傳遞函數為：

基于縱向低階等效系統，可以獲得等效的縱向短周期阻尼及頻率、CAP參數、延遲時間等參數，從而可以評價飛機的縱向動穩(wěn)定性和縱向動操縱性。

基于橫航向低階等效系統，可得到等效的“荷蘭滾”阻尼及頻率、滾轉模態(tài)時間常數、延遲時間等參數，從而可以評價飛機橫航向動穩(wěn)定性和動操縱性。

a）時間延遲要求

時間延遲是飛行員桿力輸入到飛機開始響應之間的停滯時間，其產生的原因是很復雜的。具有小的時延是好的飛行品質的關鍵，過大的時延會影響飛行員駕駛飛機的感覺，甚至導致PIO現象的出現。

在適航性條例中，沒有明確給出時間延遲的要求，文獻[6]根據地面模擬試驗結果，給出了適用于民機電傳飛行控制系統的時間延遲要求，如表2所示。

表2 民機時間延遲要求

時間延遲可等效理解為傳遞函數的相位滯后。文獻[7]中提出干線運輸機電傳飛行控制系統相位滯后的要求，希望頻率1Hz的相位滯后，對于舵機輸出環(huán)節(jié)位移幅度1.0mm不大于25°，0.1mm不大于40°；頻率5～15Hz的幅值特性上升，對應舵機輸出環(huán)節(jié)位移幅度1.0mm不大于1.5dB，0.1mm不大于3.5dB。

b）短周期阻尼比要求

經等效擬配后的品質應滿足下表中的短周期阻尼比要求。

采用開環(huán)帶寬作為評價準則，主要是從人-機閉環(huán)系統的穩(wěn)定性考慮的。實際上，開環(huán)帶寬是保證人-機閉合回路穩(wěn)定性的重要參數。該準則的涵義是：即使飛行員增大控制增益2倍，或增大附加延時，也不會引起系統不穩(wěn)定。

（3）尼爾-史密斯準則（閉環(huán)準則）

尼爾-史密斯準則[11]又稱為閉環(huán)準則，是為高增穩(wěn)飛機執(zhí)行俯仰姿態(tài)精確跟蹤任務而開發(fā)的，后來被推廣到著陸任務。該準則針對俯仰姿態(tài)回路開發(fā)，是面向包括駕駛員反應與操縱在內的人-機閉環(huán)準則，評估人-機閉環(huán)系統的動態(tài)特性，通過頻域指標進行等級評估。

該準則的基本方法是：把駕駛員-飛機俯仰姿態(tài)控制回路模型化為前向通道中有一個技術員模型的單位反饋系統，如下圖所示。其中Yc表示飛機和飛行控制系統的傳遞函數，Yp表示駕駛模型員的行為動態(tài)，可表示為：

a）規(guī)定與任務相適應的帶寬要求；

b）調整飛行員參數（Kp，Tp1和Tp2），以獲得最佳的閉合系統性能；

c）測量所需的閉合補償（工作負荷）及最大的閉合諧振；

d）把測量值與參數邊界相比較，評價飛行品質。

該準則可用于民機著陸俯仰飛行品質的鑒別工具。

（4）俯仰角速率準則（Chalk準則）

俯仰角速率準則[1]是根據飛行員俯仰階躍操縱輸入時俯仰角速率響應形狀進行飛機縱向飛行品質評定的準則。具體認為，在保證飛機飛行速度為常值的條件下，由飛機俯仰角速率響應特性應具有按下述方式定義的特性，滿足表 4所示要求。

該準則實際上限制了飛機俯仰角速率對指令的響應特性，因此不必識別系統的等效系統參數，故可以用于帶有電傳飛行控制系統的民機，但該方法不能用于俯仰姿態(tài)指令系統。由于該準則是時域測試，故可直接用于高階響應和非線性響應，階躍輸入信號幅值大小可以任意給定。

（5）時域-頻域響應準則

時域-頻域響應準則[1]是英國人J.C.Gibson為優(yōu)化飛機電傳飛行控制系統縱向控制律設計而提出的。

法向加速度，飛機航跡角和姿態(tài)角的關系如圖6所示。Gibson根據飛機俯仰響應特性，給出了具體的各項評價要求。

（6）C*準則

C*準則是一種時域評價準則，綜合考慮飛機的法向過載和俯仰角速率[12]。在實際操作中，飛行員感受到的是這兩個量的混合響應，并以此來評價飛行品質。該混合響應定義為C*響應：

式中，nz表示法向過載；q表示俯仰角速率；VCO為交叉速度，一般取122m/s。

由于只考慮飛機的響應，而不限用于飛機的低階特性分析，因此適合于各種高階飛行控制系統。C*準則包括時域響應包線準則和頻域響應包線準則，這些包線反映了頻率和阻尼所描述的飛機特性，也考慮了非線性、高階和操縱系統特性在內，所以便于應用。C*包線如下圖所示：

C*準則是評價飛機縱向飛行品質的一種準則，也可以作為縱向控制律的設計準則。美國的波音747、777飛機，空客A320飛機的縱向控制律設計都采用了C*準則[13]。

波音公司在民機電傳飛控系統設計中對C*準則做了一些修正， 同時還給出了C*的頻率響應包線[2]。圖8為B747飛機在飛控系統設計中給出的C*包線及其設計狀態(tài)的檢查情況。從圖9中可以看到：用C*反饋（俯仰角速度和法向過載綜合反饋）控制律設計明顯地改善了飛機的動態(tài)反應特性。

2.2.2 橫航向飛行品質分析

（1）橫航向等效系統方法

由飛機橫航向小擾動線性方程，可以得到滾轉角速率和側滑角傳遞函數如下所示。對于高增穩(wěn)民機橫航向的傳遞函數，同樣可采用低階等效系統方法得到該方程。

可以使用以下幾項評價指標評價飛機橫航向短周期特性：

（2）對橫-航向振蕩要求

表現為阻尼比、振蕩頻率或它們的乘積等指標，如下表。

（3）ICAO推薦的橫-航向短周期振蕩邊界判據

定義表示傾斜角，Vy表示空速橫側分量（當量空速），Ve=Vy/。該判據如圖10所示。

（4）滾轉角速度振蕩指標

航向操縱松浮，階躍滾轉指令產生的滾轉角速度第一個峰值之后的第一個最小值與第一個幅值符號相同，與滾轉角速度第一個峰值的百分比不小于表 6中的數值：

表6 滾轉角速度振蕩要求

（5）側滑幅值指標

航向操縱松浮，階躍滾轉指令產生的側滑變化量應小于表 7規(guī)定的值：

（6）D*準則

與C*準則相對應，在橫航向有D*準則。D*準則綜合考慮側向過載與側滑角。在側向機動飛行中，低速壓飛行時駕駛員主要感受飛機側滑角，高速壓飛行時主要感受側向加速度。飛行員駕駛飛機時，感受的是這兩個量的混合響應，故D*響應定義為：

2.2.3 起飛著陸特性分析

飛機起飛著陸階段是一個嚴重受外界環(huán)境制約及人為因素影響的階段，事故發(fā)生概率很高。為保證新機安全起飛著陸，單獨研究這一階段的飛行品質的評價準則是很有必要的。

通常，起飛階段可劃分為[1]：①由靜止開始的地面三輪加速滑跑；②抬前輪形成起飛迎角的兩輪滑跑；③到達離地速度后爬升，直至安全高度。

著陸階段分為：①在高度350m處對準跑道下滑；②高度（10—20）m時拉平減速；③高度1m時飄落（含平飛減速，主輪接地）；④兩輪減速滑跑；⑤三輪滑跑，打開阻力傘，進一步減速直至停止不動。

飛機起飛著陸階段具有駕駛員頻繁操作，狀態(tài)變化復雜的特點，為了保證飛機的安全起飛著陸，對起飛著陸階段的飛行品質都有嚴格的要求。

在軍用規(guī)范中，針對飛行階段C規(guī)定了很多飛行品質評價準則。比如帶寬準則，該準則是由規(guī)定的開環(huán)系統帶寬及時間延遲的相互關系定義的，對C種飛行階段有對應的要求。又如俯仰角速率準則，通過俯仰角速率響應形狀的要求進行飛行品質的評定。但這些準則沒有嚴格區(qū)分在每個飛行階段中各個單獨的控制區(qū)段，例如在端點飛行階段（C階段），應用這些規(guī)范準則時，評價指標并沒有什么區(qū)別，但對C階段的著陸過程來說，由于著陸又細分為下滑、拉平、接地階段，只用單一不變的指標來評價多個子階段就可能不會得到著陸階段準確的飛行品質[1]。這些準則或是不能辨識不同飛行階段的要求，沒有將著陸階段細分為下滑、拉平和接地子階段，或是沒有考慮人的特性，所以將這些準則應用到起飛著陸階段難以獲得準確的飛行品質評價。

目前有多種評價飛機起飛著陸階段飛行品質的評價準則，大致可分為時域準則和頻域準則兩大類。

時域準則有：航跡角峰值超調評價準則，Onstott準則，時域低階等效系統方法[14]。時域準則直觀，使用方便，適用于非線性的復雜系統，可避免不恰當的近似，其預測的飛機品質等級與實際駕駛員評價吻合較好。

頻率準則有：回路分離參數法，波音公司的人-機閉環(huán)系統品質要求，閉環(huán)（尼爾-史密斯）準則，修正的尼爾-史密斯準則，高度變化率準則，具有姿態(tài)內回路的高度準則，GM/PM準則，MCAIR等效系統方法，R. H.Smith準則，進場著陸最優(yōu)姿態(tài)響應準則[14]。

實踐表明，航跡角峰值超調評價準則、回路分離參數法、波音公司的人-機閉環(huán)系統品質要求與飛行員評分有著良好的關系，可以用于民機起飛著陸特性分析。

3.2.4 飛行員誘發(fā)振蕩預測準則

電傳飛行控制系統是一種高性能、高增益系統，因而由于種種原因容易產生飛行員誘發(fā)振蕩（PIO）。飛行員誘發(fā)振蕩往往來得很突然，在事故之前，一切仿佛都很順利，但猝不及防就產生了事故，甚至是災難性的事故[15]。

在適航性條例中沒有明確的條文提到PIO，但PIO是一種令飛行員非常討厭的操縱現象，與適航性條例中類似“良好的操縱感覺”的主觀性要求是相悖的，因此在民機控制律設計時應分析飛機的PIO趨勢。

常用的PIO分析準則有：

（1）俯仰機動桿力梯度和短周期阻尼比檢查

經驗表明，桿力梯度?。此^桿力輕）時，容易產生PIO趨勢。尤其當桿力輕而且為弱阻尼時，飛機更容易引起PIO趨勢。

該項要求以桿力梯度為縱坐標，等效阻尼比為橫坐標的坐標形式，給出了機動桿力梯度與等效阻尼比1級、2級與3級飛行品質對應的區(qū)域。

（2）俯仰PIO相位滯后準則

俯仰PIO相位滯后準則有兩項要求。其一是在標準頻率？棕R處，測量駕駛員座艙處的發(fā)響過載對俯仰桿力的相位差/滯后？準n，其數值上應符合如下關系式。

其二是要求在標準頻率？棕R處，估算駕駛員座艙處的法向過載與俯仰速率幅值之比符合如下關系式：

（3）俯仰PIO幅值準則

俯仰PIO幅值準則實質上是法向過載對桿力的頻率響應準則。它表現為法向過載對桿力的相位滯后為-180附近時，穿越頻率處的幅值衰減足夠大（例如大于15dB），則不會引起PIO。

（4）Smith-Geddes準則

美空軍建議的一個準則。它包括俯仰姿態(tài)角對桿力的斜率應在1～6rad/s的要求和臨界頻率處的俯仰角/桿力傳遞函數的相角小于-180的要求。該準則在應用中顯得有些保守，但仍可作為評估準則之一。

（5）Gibson相位速率準則

所謂相位速率是指在人-機開環(huán)系統相應滯后？準=-180°（中性穩(wěn)定點）處的相位曲線的斜率。經驗表明，在相位滯后？準=-180°（或者相位裕度為0）附近相位曲線的變化率與飛機是否會產生PIO有密切的關系。于是Gibson相位速率準則歸納為下式：

3 總結

民機飛行品質評估準則的形成是一項長期的工作，需要大量的實際工作經驗和研究。本文從飛行品質評估準則應用于民機飛行品質評估的適用性和可能性角度出發(fā)，在民機飛行品質分析和預測方面探索方面，探索民機飛行品質主觀評估準則的研究思路；在縱向飛行品質、橫航向飛行品質、起飛著陸特性和飛行員誘發(fā)振蕩方面，探索民機飛行品質客觀評估準則的研究思路，對民機飛行品質評估具有一定的參考價值。

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