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标题	民用飞机控制律设计与飞行品质评估试验方案研究
范文	吴胜亮 摘 要：针对民用飞机控制律优化设计，提出了一种适用于控制律设计和飞行员在环评估飞行品质的试验方案。阐述了评估工具——工程模拟器，详细介绍了评估方法、评估流程和控制律优化流程，并通过评估试验实例表明该试验方案的可行性和有效性。该试验方案为应用工程模拟器开展其他飞行员在环评估试验提供了参考，具有一定的工程实践意义。 关键词：工程模拟器；控制律设计；飞行品质评估；试验方案 DOIDOI：10.11907/rjdk.171312 中图分类号：TP319 文献标识码：A 文章编号文章编号：1672-7800（2017）008-0160-04 0 引言 控制律决定了飞行员指令和飞机响应之间的关系，优良的控制律可以有效地控制和增稳飞机，使飞机在整个飞行包线范围内具有令人满意的飞行品质，减轻机组工作负担、提高乘客舒适性，使飞机的俯仰、滚转和偏航运动能够实现要求的控制功能。飞行员在环评估试验是飞机控制律设计过程中重要的设计与评估环节，也是控制律设计人员与飞行员互动的关键环节，能够较好地暴露控制律设计中的不足和缺陷。控制律设计人员通过模拟飞行来验证在各种构形和飞行条件下的控制律功能，评估飞机飞行品质，并根据飞行员评估意见优化控制律。 工程模拟器是现代先进民用飞机研制必不可少的设计和验证试验设备，波音、空客等著名飞机制造商在其飞机研制中都使用了工程模拟器[1]。目前，经过多年的探索，国内逐渐具备了应用工程模拟器开展军用飞机飞行员在环评估试验的能力[2]，而应用民用飞机工程模拟器开展控制律设计和飞行员在环评估飞行品质的试验尚无经验可以借鉴，该技术历来是发达国家严格限制出口与转让的关键技术。为此，本文探讨应用民用飞机工程模拟器开展控制律设计和飞行品质评估的思路。 1 工程模拟器简介 1.1 工程模拟器功能 在飞机研制过程中，发展和使用相应的工程飞行模拟器的最大优点在于利用人在回路中的仿真特点，让工程设计人员和机组人员充分利用较为真实的环境，较早地参与飞机设计，评价设计方案，确定设计参数，特别是对飞机动力学特性、飞机操纵系统、驾驶舱显示、导航系统、应急和故障条件下的飞行性能等进行评定，以及对飞行操纵性和稳定性、飞行控制系统控制律等方面进行研究，从而及时地改进设计、完善方案、减少返工、节约成本。同时，工程模拟器也可以用于型号飞机飞行手册的编写，对试飞机组进行飞行培训，以及对维修人员的培训等。在试飞过程中，工程模拟器可以用于对试飞过程中发现的问题实施复现和排故方法的研究[3-5]；在型号飞机适航取证过程中，工程模拟器还可以用于MOC8试验，验证相关设计对适航要求的符合性[6]。 1.2 工程模拟器组成 某飞机工程模拟器主要由驾驶舱结构与驾驶舱设备仿真系统、主飞行仿真系统、飞控仿真系统、航电仿真系统、视景系统、六自由度运动系统、声音仿真系统、综合控制台系统、硬件接口系统、计算机实时仿真及网络系统和环境与支持系统等分系统组成，通过建模与仿真技术，模拟飞机的运动和姿态以及外界飞行环境。飞行员通过操纵飞机，观察飞行仪表，感受窗外视景、过载和音响等来评定飞机的飞行控制律和飞行品质。工程模拟器架构如图 1所示。 2 评估试验方案设计 2.1 对飞行员的要求 飞行员作为评估试验回路中的一个重要环节，必须具有多种主流型号民用飞机的飞行经验，飞行员在环评估试验对飞行员的具体要求如表 1所示。 飞行员或试飞员[]航线飞行员经历的机型有差异；具备B737、B777、A320、A330、A340机型优先；同时具备空客、波音机型优先；同时具备B777/A320机型优先[]来自航空公司的现役航线，具有不低于5 000小时飞机飞行经验，教员优先，具有一定的试飞经历[]飞行员年龄分布具有差异，为30～70岁[]能够独立和准确地表达驾驶舱操纵设备的操纵特性和操纵感觉 2.2 评估试验有效性 在评估试验前，模拟器技术人员将与控制律设计与飞行品质评估试验相关的气动力模型、控制律模型、作动器模型、传感器模型、质量模型、发动机模型等在工程模拟器上进行加载测试，并调试工程模拟器平台，出具正式的测试报告，表明工程模拟器功能和性能满足试验要求，保证在工程模拟器上进行的试验相对于真实飞机是真实有效的。 2.3 评估试验方法 飞行员在环评估试验采用库伯-哈伯准则[7]作为试验的评估尺度，如图 2所示。库伯-哈伯准则是由Cooper G E和Harper R P在1969年创立的，经过40多年军机和民机的实践检验，被公认为飞行员在环评估采用的一种标准化方法和评判尺度[8-9]。 2.4 评估试验流程 为了保证试验的顺利进行和试验结果的有效性，须制定完善的试验流程，具体流程如图 3所示。 2.4.1 评估试验前准备 在进行试验前， 需要进行如下准备工作：①根据试验需求撰写试验任务书， 明确试验目的、试验要求、试验科目、试验参数、试验进度、分工和责任；②根据试验任务书撰写试验大纲， 给出试验目的、试验判据、试验参试设备技术状态、试验项目名称、试验步骤、试验记录、试验异常情况处理程序、试验任务分工、参与试验人员资质要求、质量保证要求；③根据试验任务书和试验大纲，編制每个试验科目的试验任务单；④根据试验任务书，建立试验所需的系统仿真模型，并在工程模拟器上加载测试系统仿真模型以及调试工程模拟器平台，直到工程模拟器功能和性能满足试验要求。 2.4.2 评估试验实施过程 在评估试验开始前召开早会，参试技术人员和参试飞行员一起检查当天的试验科目和操作程序，讨论试验科目的目的和动作要领；在评估试验过程中，飞行员按照试验科目的动作要求完成试验动作，参试技术人员详细记录飞行员的操纵感受和打分等级；评估试验结束后，参试技术人员与参试飞行员召开讲评会，一起回顾当天的试验内容和试验细节，参试技术人员认真听取并记录飞行员的补充讲评意见。 2.4.3 评估试验后的决策 由于飞行员在飞行时间、所飞机型、年龄以及对电传飞机操纵原理的理解等方面差异，对同一个试验科目的评估意见可能差异很大，甚至可能是完全相反的。如何在有限的飞行员意见中进行取舍，是一件非常困难的事。控制律设计人员通过分析试验结果数据，结合飞行员的资质以及适航规章对飞行员评估意见进行筛选并酌情采纳。对于会产生重大设计更改的意见，控制律设计人员将根据适航风险、型号研制进度和设计更改成本等因素对飞行员意见进行深入地权衡分析，最终形成明确的整改意见。 3 控制律优化流程 控制律设计人员根据飞行员评估意见和试验结果数据优化控制律，再加载到工程模拟器上，邀请飞行员在环评估，经反复的评估、修改，将飞行员的经验融合到控制律设计中，从而获得满意的飞行品质，并最终冻结到飞机上。控制律优化过程如图 4所示。 4 评估试验实例 民用飞机控制律设计和飞行品质评估的试验项目主要包括：①纵向、横向和航向配平；②单发失效时的配平；③纵向和横航向静稳定性及演示；④动稳定性；⑤纵向操纵效能；⑥飞行轨迹稳定性；⑦横航向模态特性；⑧滚转操作、滚转操纵灵敏度；⑨横向操纵—全发工作和偏航操纵等试验科目[10-12]。 本文以正常控制律的纵向配平试验科目为例，给出了应用工程模拟器进行控制律设计和飞行品质评估试验的过程。 4.1 试验判据 飞机配平后，松杆飞行10s，飞机姿态不发生较大变化，能够维持配平。 4.2 试验程序 试验程序如下：①工程模拟器复位后，正常运行且处于初始状态；②设置工程模拟器为“飞行冻结”状态；③通过综合控制台及驾驶舱相关操纵器件，设置试验科目所要求的飞机状态；④飞机解冻前在目标空速±30km配平；⑤解冻后仅通过操纵侧杆配平飞机到目标状态点；⑥松杆让飞机继续飞行10s，观察飞机状态；⑦记录相关试验数据；⑧完成试验科目后，工程模拟器“飞行冻结”；⑨工程模拟器复位。 4.3 评估试验结果 （1）试验结果数据。 按照试验任务书和试验大纲要求，在工程模拟器后台记录需分析处理的变量参数，包括时间、侧杆位移、平尾偏度、发动机推力等飞机状态参数以及速度、俯仰角等飞机响应参数。参数采样频率设为80Hz，参数精度取至小数点后4位。试验数据文件依照试验项目的编号与日期命名，保存名称为：试验项目编号—试验日期—飞行員姓名—备注，输出参数的记录格式为.DAT。 （2）飞行员评估意见。飞行员评估意见如表 2所示。 4.4 设计决策 通过分析试验结果数据并结合飞行员评估意见可知，飞机纵向配平的响应基本满足设计要求。针对评估试验过程中部分飞行员反映油门台和侧杆本身的设计偏差影响评估效果的问题，控制律设计人员将与相关专业一起排查，并进行相应整改.待整改完成后，择机再次邀请飞行员参与评估。 5 结语 本文详细阐述了应用工程模拟器开展控制律设计和飞行品质评估的试验方案，并通过具体评估试验实例表明该试验方案的可行性和有效性。该试验方案介绍的评估方法和评估流程为应用民机工程模拟器开展其它飞行员评估试验提供了参考，具有一定的工程实践意义。 参考文献： [1] 向立学.工程模拟器是现代飞机设计必不可少的工具[J].国际航空，1995（7）：41-43. [2] 周冬萍， 郡辉萍， 戚春明. 直升机工程模拟器在飞行控制律设计和操纵品质评估中的应用[J].航天与装备仿真， 2010（12）： 315-319. [3] 王维翰.民用飞机工程模拟器与训练模拟器的区别[J].民用飞机设计与研究， 2003（1）：1-5. [4] 章伯定.工程发展模拟器在飞机研制中的作用[J]. 飞行力学， 1989（2）：1-10. [5] 游崇林.用工程飞行模拟器支援飞行试验[J]. 飞行力学， 1986（3）：61-67. [6] 李亚男， 刘彩志. 民用飞机飞控系统MOC8工程模拟器验证方法分析[J]. 民用飞机设计与研究， 2010（1）：33-36. [7] COOPER G E，HARPER R P.The use of pilot rating in the evaluation of aircraft handing qualities[R].NASA TN D-5153，1969. [8] ROBERT P，HARPER JR， GEORGE E COOPER.Handing qualities and pilot evaluation[C].Wright Brothers Lectureship in Aeronautics， 1984. [9] JANN MAYER，TIMOTHY H COX. Evaluation of two unique side stick controllers in a fixed-base flight simulator[R].NASA/TM-2003-212042， 2003. [10] 高金源，等. 飞机飞行品质[M]. 北京： 国防工业出版社， 2003. [11] 王立新.适航性条例、飞行品质规范和设计准则[J]. 飞行力学，2000，18（2）：1-4. [12] 张雅妮，李岩，金镭. 电子飞控飞机的飞行品质适航验证[J]. 飞行力学， 2012， 30 （2） ： 118-119.
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