衡寧波，汪 沛

（空軍航空大學(xué)軍事仿真技術(shù)研究所，吉林 長春 130022）

目前，軍用直升機已逐步成為一種現(xiàn)代化的高技術(shù)軍事裝備，受到世界各國的關(guān)注。而能否擁有型號齊全、技術(shù)先進、性能優(yōu)越的軍用直升機，已成為衡量一支軍隊現(xiàn)代化水平的標(biāo)志之一，同時也是衡量一個國家武器裝備先進程度的標(biāo)志之一。據(jù)統(tǒng)計，在世界196個國家和地區(qū)中，有155個國家和地區(qū)擁有各種不同類型的軍用直升機，也就是說全世界近80%的國家和地區(qū)擁有并使用軍用直升機，尤其是美國的軍用直升機的數(shù)量近乎占了全世界軍用直升機總數(shù)量的一半。這進一步證明了軍用直升機在軍事裝備建設(shè)和現(xiàn)代化戰(zhàn)爭中的重要地位。

近幾年，世界各國在直升機的許多新概念、新技術(shù)、新功能等方面對戰(zhàn)術(shù)對抗、戰(zhàn)法演練、協(xié)同作戰(zhàn)、裝備訓(xùn)練提出了新的要求，而隨著仿真技術(shù)的日漸成熟，直升機模擬器的出現(xiàn)，成為解決這些課題的重要手段。直升機模擬器應(yīng)用于軍事領(lǐng)域，主要表現(xiàn)在飛行試驗、飛行駕駛訓(xùn)練和聯(lián)網(wǎng)軍事訓(xùn)練等方面。運用直升機模擬器進行訓(xùn)練，可以不受外界氣象條件、飛行場地和空域的限制，降低飛行人員和飛機的風(fēng)險，節(jié)約訓(xùn)練經(jīng)費。另外，模擬器還可以模擬特情設(shè)置和訓(xùn)練，評定飛機性能，考核飛行訓(xùn)練技能。整個模擬訓(xùn)練過程具有可控性、可靠性、經(jīng)濟性和無破壞性。

直升機模擬器，按其類型和復(fù)雜程度的不同，結(jié)構(gòu)也就不盡相同。一般的數(shù)字計算機控制的直升機模擬器，其基本分為以下5個部分：計算機系統(tǒng)、視景系統(tǒng)、運動系統(tǒng)、教員指揮控制臺和模擬座艙。直升機模擬器的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

圖1 直升機模擬器的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

1 計算機系統(tǒng)

計算機系統(tǒng)是直升機模擬器中最重要的部分，相當(dāng)于直升機模擬器的神經(jīng)中樞，該系統(tǒng)承擔(dān)著控制各個系統(tǒng)和解算數(shù)學(xué)模型的任務(wù)。計算機將實時采集的飛行員操縱信息和教員控制指令信息與直升機各個系統(tǒng)變化規(guī)律進行解算，并將計算得到的各種參數(shù)輸往視景、儀表、音響、運動等各個系統(tǒng)，使飛行員從視覺、觸覺、聽覺等方面感受“飛機”的飛行情況。計算機系統(tǒng)通常由數(shù)字計算機、過程通道和軟件系統(tǒng)等組成。這里主要介紹軟件系統(tǒng)，即直升機飛行動力學(xué)系統(tǒng)。

飛行動力學(xué)系統(tǒng)是模擬器中最主要的一個軟件系統(tǒng)，主要進行仿真直升機空氣動力特性，解算直升機的六自由度非線性全量運動方程，仿真直升機飛行時旋翼、機身和尾槳等及其相互間影響的力和力矩，模擬大氣環(huán)境對飛直升機的影響。典型飛行動力學(xué)系統(tǒng)的組成如圖2所示，其主要由氣動模塊、運動方程模塊、旋翼模塊、尾槳模塊、質(zhì)量模塊、環(huán)境模塊和動力模塊等組成。

圖2 直升機飛行動力學(xué)系統(tǒng)的組成框圖

1.1 發(fā)展現(xiàn)狀

直升機模擬器的氣動理論，主要建立在直升機相關(guān)理論基礎(chǔ)上，國內(nèi)外在直升機空氣動力學(xué)領(lǐng)域的某些理論和技術(shù)，取得了突破性進展，主要表現(xiàn)在以下3個方面：

（1）旋翼氣動理論和方法及其應(yīng)用研究。旋翼空氣動力學(xué)是直升機空氣動力學(xué)的關(guān)鍵和基礎(chǔ)，目前對旋翼氣動理論和方法的研究，主要進行自由尾跡方法和旋翼CFD方法的研究。目前對于旋翼自由尾跡的研究，國外構(gòu)建了以松弛尾跡求解準(zhǔn)定常氣動特性和時間推進方法分析非定常氣動特性的兩大計算體系，并逐步引入槳葉彈性影響分析旋翼的氣動彈性響應(yīng)特性[1]。鑒于直升機旋翼流場較固定翼的復(fù)雜性，對旋翼CFD方法的研究經(jīng)歷了4個階段，即小擾動位勢方程、全位勢方程、Euler方程和Navier-Stokes方程階段[2]，但對于旋翼CFD方法的研究，還只是處于理論階段，離工程實用階段還需要進一步的努力。

直升機飛行動力學(xué)研究核心，是具有直升機運動特性的飛行動力學(xué)數(shù)學(xué)仿真模型。目前的飛行動力學(xué)模型，主要采用彈性槳葉模型，并且將自由尾跡分析引入飛行動力學(xué)建模，但此模型存在數(shù)值穩(wěn)定性較差和計算量較大等問題，還無法用于實時飛行仿真研究。系統(tǒng)辨識方法已成為新機研制和改型設(shè)計中的重要工具，其主要是從飛行測試得到的操縱輸入和直升機響應(yīng)之間的關(guān)系，辨識出直升機的氣動導(dǎo)數(shù)和操縱導(dǎo)數(shù)，從而得到基于飛行試驗數(shù)據(jù)分析結(jié)果的飛行動力學(xué)模型。

（2）直升機氣動試驗研究。目前，直升機氣動試驗技術(shù)和手段比較成熟。在翼型氣動特性試驗方面，對于翼型的靜態(tài)和動態(tài)氣動特性（分離、轉(zhuǎn)捩位置等參數(shù)）的測量較為準(zhǔn)確。在孤立旋翼氣動特性試驗方面，對旋翼性能、流場、槳葉表面壓力分布、載荷等方面的試驗研究較為成熟，還具有開展邊界狀態(tài)的非定常氣動特性試驗?zāi)芰?。在試驗手段方面，LDV和PIV應(yīng)用技術(shù)、微型動態(tài)壓力傳感器、壓敏漆PSP技術(shù)、噪聲測量技術(shù)以及試驗結(jié)果處理技術(shù)都比較成熟。

1.2 發(fā)展趨勢

（1）高精度、高效率的CFD方法將成為分析直升機氣動特性的主要理論，同時通過對旋翼CFD方法與CSD方法和噪聲理論的耦合研究，可以綜合解決直升機的氣動和動力學(xué)問題。

（2）直升機的氣動設(shè)計更加注重多目標(biāo)、多學(xué)科的綜合優(yōu)化設(shè)計，通過提升基于氣動、動力學(xué)、聲學(xué)等多學(xué)科的直升機性能、振動、噪聲等目標(biāo)特性最優(yōu)的設(shè)計能力，將有效地提高直升機的舒適度、安全性，延長使用壽命。

（3）氣動分析和設(shè)計研究逐步使用壓敏漆PSP技術(shù)、微型動態(tài)壓力傳感器、LDV和PIV應(yīng)用技術(shù)、噪聲測量技術(shù)等先進技術(shù)。

2 視景系統(tǒng)

視景系統(tǒng)是可視操縱模擬系統(tǒng)的重要子系統(tǒng)，飛行員在實際操縱時，可以從視景系統(tǒng)提供的視景畫面中，獲得操縱對象運動的環(huán)境狀況的視覺信息，并由此做出操縱決策和操縱動作。視景系統(tǒng)要不斷接收計算機的輸入信號，當(dāng)模擬飛機沿著所模擬的飛行路線飛行時，計算機不斷計算飛機的位置和姿態(tài)，從而不斷地提供適合于每一個位置和姿態(tài)的視野[3]。

視景系統(tǒng)中運用的主要技術(shù)，就是視景仿真技術(shù)，是虛擬現(xiàn)實技術(shù)的最重要表現(xiàn)形式。視景仿真綜合運用了計算機技術(shù)、圖形處理與圖像生成技術(shù)、信息合成技術(shù)、立體影像和音響技術(shù)、顯示技術(shù)等高新技術(shù)。在開發(fā)軟件方面，主要利用三維視景建模軟件Multigen Creator建立了直升機、地形場景的視景模型，以三維仿真軟件包OpenGVS作為圖形開發(fā)引擎，利用DOF(Degrees of Freedom)技術(shù)實現(xiàn)了直升機旋翼、尾翼以及儀表指針的動態(tài)交互，基于VC++集成開發(fā)環(huán)境，應(yīng)用Vega API編程技術(shù)，實現(xiàn)直升機視景仿真應(yīng)用系統(tǒng)的全部設(shè)計功能[4]。

3 運動系統(tǒng)

運動系統(tǒng)主要用來模擬飛機的姿態(tài)和速度變化，使飛行員感覺到飛機的運動，并且與真實飛機的動感相一致。運動系統(tǒng)主要運用動感仿真技術(shù)，即應(yīng)用計算機軟件生成特定的驅(qū)動激勵信號，去驅(qū)動執(zhí)行機構(gòu)，同時產(chǎn)生運動或抖振的實時仿真技術(shù)。

動感仿真主要有平臺式運動系統(tǒng)、抖振座椅、抗荷服過載座椅等方法。動感仿真領(lǐng)域主要運用六自由度平臺運動系統(tǒng)，其中以飛行模擬器應(yīng)用最多。并聯(lián)六自由度機構(gòu)有電動、氣動及液壓驅(qū)動3種方式。目前國內(nèi)外的六自由度運動平臺，廣泛采用液壓驅(qū)動方式，即由6只液壓缸，上下各6只鉸鏈和上下2個平臺組成。下平臺固定在基礎(chǔ)上，通過計算機軟件和液壓伺服系統(tǒng)來控制6只液壓缸的伸縮運動，完成上平臺在空間6個自由度的運動，從而模擬出各種空間運動姿態(tài)[5]。平臺的運動學(xué)特性，利用ADAMS分析軟件進行了模擬與仿真[6]。目前國外出現(xiàn)的電驅(qū)動和電、氣混和動力的六自由度平臺技術(shù)，其承載能力也越來越強，應(yīng)用將會更加廣泛。

4 教員指揮控制臺

教員指揮控制臺是直升機模擬器的監(jiān)控中心，是教員控制直升機模擬器各部分的工作，監(jiān)視和控制飛行員操作訓(xùn)練的裝置。一般都有儀表板、航跡記錄儀、控制板、飛行條件給定板、計算機的外部設(shè)備、通信設(shè)備和故障設(shè)置板等幾個部分。

其主要功能為：設(shè)置各種初始參數(shù)（如起飛位置、起飛航向、油量）及氣象條件（場面氣壓、氣溫、風(fēng)速、風(fēng)向、能見度）、記錄飛行參數(shù)和飛行軌跡、設(shè)置故障等。先進的教控臺，還具有維護檢測、考核、鑒定等功能。

5 模擬座艙

模擬座艙是直升機模擬器的主體。直升機模擬器座艙內(nèi)部的形狀、儀表、信號設(shè)置、操縱設(shè)備的布局，以及各儀表的指示部分形狀和制式現(xiàn)象，都要與所模擬的真實直升機完全一樣，以給飛行員座艙環(huán)境的逼真感。現(xiàn)在多數(shù)直升機模擬器的座艙，安裝在運動系統(tǒng)的上平臺上，座艙內(nèi)的操縱設(shè)備通常連接著產(chǎn)生負(fù)荷的裝置，稱為操縱負(fù)荷系統(tǒng)，可根據(jù)飛行條件產(chǎn)生相應(yīng)的負(fù)荷，使飛行員的手和腳上有操作力的感覺。座艙內(nèi)還裝有音響模擬系統(tǒng)，可以產(chǎn)生飛行中飛行員所能聽到的某些音響效果。

6 結(jié)束語

直升機模擬器的發(fā)展，有助于新型直升機的研制與訓(xùn)練，而其中空氣動力學(xué)新理論、新方法、新技術(shù)的突破和發(fā)展，直接推動著直升機模擬器的發(fā)展、性能和逼真度的提高。本文重點綜述了直升機空氣動力學(xué)的相關(guān)理論與技術(shù)方法的研究現(xiàn)狀及未來發(fā)展趨勢，論述了直升機模擬器的研究過程中仍然存在的難題，提出了一些研究的可行性方法。

[1]Wachspress D A,Keller J D,Quackenbush T R.High Fidelity Rotor Aerodynamic Module for Real-Time Rotorcraft Flight Simulation[J].AH-S 64th An-nual Forum,2008.

[2]陳平劍,李春華.直升機空氣動力學(xué)現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢[J].直升機技術(shù)，2009，（159）:122-125.

[3]陳 蕾.粒子系統(tǒng)理論及其在飛行模擬器實時視景仿真中的應(yīng)用研究[D].長春:吉林大學(xué)，2004.

[4]栗英杰，劉 剛，沈 英.直升機飛行視景仿真實現(xiàn)[J].計算機仿真，2009，26（8）:22-25..

[5]謝艷平.具有360°回轉(zhuǎn)功能的六自由度運動平臺的優(yōu)化設(shè)計[D].武漢：華中科技大學(xué)，2008.

[6]陳 聰，陳樂生.基于ADAMS的六自由度運動平臺運動學(xué)分析[J].福州大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版)，2007，35（1）:70-75.